Текст книги "Астрономия. Популярные лекции"

Автор книги: Владимир Сурдин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 16 страниц)

По своим физическим параметрам Венера и Земля – почти близнецы. У них весьма схожи размер, масса, а значит, и средняя плотность. Их внутренняя структура – кора, мантия, железное ядро – также должна быть сходной, хотя уверенности в этом пока нет, поскольку сейсмические и прочие геологические данные о недрах Венеры отсутствуют. Разумеется, и в недра Земли мы глубоко не проникали: в большинстве мест – на 3–4 км, в отдельных точках – на 7–9 км и лишь в одной – на 12 км. Это менее 0,2 % радиуса Земли. Но сейсмические, гравиметрические и другие измерения позволяют судить о земных недрах весьма детально, а для других планет таких данных почти нет. Детальные карты гравитационного поля получены только для Луны; потоки тепла из недр измерены только на Луне; сейсмометры пока работали тоже лишь на Луне и (не очень чувствительный) на Марсе.

О внутренней жизни планет геологи до сих пор судят по особенностям их твердой поверхности. Например, отсутствие признаков литосферных плит у Венеры существенно отличает ее от Земли, в эволюции поверхности которой тектонические процессы (дрейф континентов, спрединг, субдукция и т. п.) играют определяющую роль. В то же время некоторые косвенные данные указывают на возможность тектоники плит на Марсе в прошлом, а также тектоники ледяных полей на Европе, спутнике Юпитера. Таким образом, внешнее сходство планет (Венера – Земля) не гарантирует сходства их внутреннего строения и процессов в их недрах. А планеты, не похожие друг на друга, могут демонстрировать сходные геологические явления.

Рис 4.2. Поверхности Меркурия (слева) и Луны (показана ее невидимая с Земли сторона). Очевидно, что они очень похожи. Фото Меркурия: спутник «Messenger» (NASA). Фото Луны: спутник LRO (NASA).

Вернемся к тому, что доступно астрономам и прочим специалистам для прямого изучения, а именно – к поверхности планет или их облачного слоя. В принципе непрозрачность атмосферы в оптическом диапазоне не является непреодолимым препятствием для изучения твердой поверхности планеты. Радиолокация с Земли и с борта космических зондов позволила изучить поверхности Венеры и Титана сквозь их непрозрачные для света атмосферы. Однако эти работы носят эпизодический характер, а систематические исследования планет до сих пор проводятся оптическими приборами. И что еще более важно: оптическое излучение Солнца служит главным источником энергии для большинства планет. Поэтому способность атмосферы отражать, рассеивать и поглощать это излучение прямо влияет на климат у поверхности планеты.

Рис 4.3. Фото Земли и Луны, полученное зондом «Галилео» (NASA).

Яркость поверхности планеты зависит от ее расстояния от Солнца, а также от наличия и свойств ее атмосферы. Облачная атмосфера Венеры отражает свет в 2–3 раза лучше, чем частично облачная атмосфера Земли, а безатмосферная поверхность Луны – втрое хуже земной атмосферы. Ярчайшее светило на ночном небе, не считая Луну, – Венера. Она очень яркая не только из-за относительной близости к Солнцу, но и из-за плотного облачного слоя из капель концентрированной серной кислоты, прекрасно отражающего свет. Наша Земля тоже не слишком темная, поскольку 30–40 % земной атмосферы заполнены водяными облаками, а они тоже хорошо рассеивают и отражают свет. Вот фотография (рис. 4.3), где в кадр одновременно попали Земля и Луна. Этот снимок сделал космический зонд «Галилео», пролетая мимо Земли по пути к Юпитеру. Посмотрите, насколько Луна темнее Земли и вообще темнее любой планеты с атмосферой. Это общая закономерность: безатмосферные тела очень темные. Дело в том, что под воздействием космической радиации любое твердое вещество постепенно темнеет.

Утверждение, что поверхность Луны темная, обычно вызывает недоумение: на первый взгляд лунный диск выглядит очень ярким, безоблачной ночью он даже ослепляет нас. Но это лишь по контрасту с еще более темным ночным небом. Для характеристики отражающей способности любого тела используют величину под названием альбедо. Это степень белизны, то есть коэффициент отражения света. Альбедо, равное нулю, – абсолютная чернота, полное поглощение света. Альбедо, равное единице, – полное отражение. У физиков и астрономов есть несколько различных подходов к определению альбедо. Ясно, что яркость освещенной поверхности зависит не только от типа материала, но и от его структуры и ориентации относительно источника света и наблюдателя. Например, пушистый свежевыпавший снег имеет одно значение коэффициента отражения, а снег, в который вы наступили ботинком, – совсем другое. А зависимость от ориентации легко продемонстрировать зеркальцем, пуская солнечных зайчиков. Точное определение альбедо различного типа дано в главе «Краткий справочник» (с. ). Знакомые поверхности с разным альбедо – бетон и асфальт. Освещенные одинаковыми потоками света, они демонстрируют разную визуальную яркость: у свежевымытого асфальта альбедо около 10 %, а у чистого бетона – около 50 %.

Рис 4.4. Альбедо – доля солнечного света, отраженная поверхностью. Показан диапазон значений альбедо типичных поверхностей на Земле, а также альбедо Бонда некоторых космических тел.

Весь диапазон возможных значений альбедо перекрыт известными космическими объектами. Скажем, Земля отражает около 30 % солнечных лучей, в основном благодаря облакам, а сплошной облачный покров Венеры отражает 77 % света. Наша Луна – одно из самых темных тел, в среднем отражающее около 11 % света, а ее видимое полушарие из-за наличия обширных темных «морей» отражает свет еще хуже – менее 7 %. Но встречаются и еще более темные объекты – например, астероид 253 Матильда с его альбедо в 4 %. С другой стороны, есть удивительно светлые тела: спутник Сатурна Энцелад отражает 81 % видимого света, а его геометрическое альбедо просто фантастическое – 138 %, т. е. он ярче идеально белого диска такого же сечения. Даже трудно понять, как ему это удается. Чистый снег на Земле и то хуже отражает свет; какой же снег лежит на поверхности маленького и симпатичного Энцелада?

Тепловой баланс

Температура любого тела определяется балансом между притоком к нему тепла и его потерями. Известны три механизма обмена теплом: излучение, теплопроводность и конвекция. Два последних процесса требуют прямого контакта с окружающей средой, поэтому в космическом вакууме важнейшим и, по сути, единственным становится первый механизм – излучение. Для конструкторов космической техники это создает немалые проблемы. Им приходится учитывать несколько источников тепла: Солнце, планету (особенно на низких орбитах) и внутренние агрегаты самого космического аппарата. А для сброса тепла есть лишь один способ – излучение с поверхности аппарата. Для поддержания баланса тепловых потоков конструкторы космической техники регулируют эффективное альбедо аппарата с помощью экранно-вакуумной изоляции и радиаторов. Когда такая система дает сбой, условия в космическом корабле могут стать весьма некомфортными, о чем напоминает нам история экспедиции «Аполлон-13» к Луне.

Рис 4.5. Огюст Пикар готовится к полету на стратостате FNRS-1 (1931 г.)

Рис 4.6. Экипаж стратостата «Explorer II» (1935 г.)

Но впервые с этой проблемой столкнулись еще в первой трети XX в. создатели высотных аэростатов – так называемых стратостатов. В те годы еще не умели создавать сложные системы терморегулирования герметичной гондолы, поэтому ограничивались простым подбором альбедо ее внешней поверхности. Насколько чувствительна температура тела к его альбедо, говорит история первых полетов в стратосферу.  Швейцарец Огюст Пикар покрасил гондолу своего стратостата FNRS-1 с одной стороны в белый, а с другой – в черный цвет. Предполагалось регулировать температуру в гондоле, поворачивая сферу той или иной стороной к Солнцу: для этой цели снаружи установили пропеллер. Но устройство не заработало, солнце светило с «черной» стороны, и внутренняя температура в первом полете поднялась до +38 °C. В следующем полете всю капсулу просто покрыли серебряной краской для отражения солнечных лучей. Внутри стало минус 16 °C.

Рис 4.7. Энцелад – спутник Сатурна, обладющий чрезвычайно высоким альбедо. Фото зонда «Кассини» (NASA).

Американские конструкторы стратостата «Explorer» учли опыт Пикара и приняли компромиссный вариант: покрасили верхнюю часть капсулы в белый, а нижнюю – в черный цвет. Идея состояла в том, что верхняя половина сферы будет отражать солнечное излучение, а нижняя – поглощать тепло от Земли. Этот вариант оказался неплохим, но тоже не идеальным: во время полетов в капсуле было +5 °C.

Советские стратонавты просто теплоизолировали алюминиевые капсулы слоем войлока. Как показала практика, такое решение было самым удачным. Внутреннего тепла, в основном выделяемого экипажем, оказалось достаточно для поддержания стабильной температуры.

Но если планета не имеет собственных мощных источников тепла, то значение альбедо очень важно для ее климата. Например, наша планета поглощает 70 % падающего на нее солнечного света, перерабатывая его в собственное инфракрасное излучение, поддерживая за счет него круговорот воды в природе, запасая его в результате фотосинтеза в биомассе, нефти, угле, газе. Луна поглощает почти весь солнечный свет, «бездарно» превращая его в высокоэнтропийное инфракрасное излучение и за счет этого поддерживая свою довольно высокую температуру. Зато Энцелад своей идеально белой поверхностью гордо отталкивает от себя почти весь солнечный свет, за что и расплачивается чудовищно низкой температурой поверхности: в среднем около −200 °C, а местами до −240 °C. Впрочем, этот спутник – «весь в белом» – не сильно страдает от наружного холода, поскольку у него есть альтернативный источник энергии – приливное гравитационное влияние соседа-Сатурна (глава 6), поддерживающее его подледный океан в жидком состоянии. Но у планет земной группы внутренние источники тепла очень слабы, поэтому температура их твердой поверхности в значительной степени зависит от свойств атмосферы – от ее способности, с одной стороны, отражать часть солнечных лучей обратно в космос, а с другой – удерживать энергию излучения, прошедшего сквозь атмосферу к поверхности планеты.

Парниковый эффект и климат планеты

В зависимости от того, как далеко от Солнца находится планета и какую долю солнечного света она поглощает, формируются температурные условия на поверхности планеты, ее климат. Как выглядит спектр любого самосветящегося тела, например звезды? В большинстве случаев спектр звезды – это «одногорбая», почти планковская кривая, у которой положение максимума зависит от температуры поверхности звезды. В отличие от звезды, у спектра планеты два «горба»: часть звездного света она отражает в оптическом диапазоне, а другую часть поглощает и переизлучает в инфракрасном диапазоне. Относительная площадь под этими двумя горбами как раз и определяется степенью отражения света, то есть альбедо.

Посмотрим на две ближайшие к нам планеты – Меркурий и Венеру. На первый взгляд ситуация парадоксальная. Венера отражает почти 80 % солнечного света и лишь около 20 % поглощает, а Меркурий почти ничего не отражает, а всё поглощает. К тому же Венера дальше от Солнца, чем Меркурий; на единицу ее облачной поверхности падает в 3,4 раза меньше солнечного света. С учетом разницы в альбедо каждый квадратный метр твердой поверхности Меркурия получает почти в 16 раз больше солнечного тепла, чем такой же участок на Венере. И тем не менее на всей твердой поверхности Венеры адские условия – огромная температура (олово и свинец плавятся!), а Меркурий прохладнее! На полюсах там антарктический холод, а на экваторе средняя температура +67 °C. Конечно, днем поверхность Меркурия нагревается до 430 °C, а ночью остывает до –170 °C. Но уже на глубине 1,5–2 метров суточные колебания сглаживаются, и мы можем говорить о средней температуре поверхности +67 °C. Жарковато, конечно, но жить можно. А в средних широтах Меркурия вообще комнатная температура.

Рис 4.8. Спектры отраженного атмосферой и поглощенного земной поверхностью солнечного излучения и вклад отдельных компонентов атмосферы в поглощение.

В чем же дело? Почему близкий к Солнцу и охотно поглощающий его лучи Меркурий нагрет до комнатной температуры, а Венера, более далекая от Солнца и активно отражающая его лучи, раскалена как печь? Как объяснит это физика?

Атмосфера Земли почти прозрачна: она пропускает 80 % приходящего солнечного света. «Убежать» в космос в результате конвекции воздух не может – планета не отпускает его. Значит, охлаждаться она может только в виде инфракрасного излучения. А если ИК-излучение остается запертым, то оно нагревает те слои атмосферы, которые его не выпускают. Эти слои сами становятся источником тепла и частично направляют его обратно к поверхности. Некоторая часть излучения уходит в космос, но основная его часть возвращается к поверхности Земли и греет ее до тех пор, пока не установится термодинамическое равновесие. А как оно устанавливается?

Рис 4.9. Потоки тепла у Земли. Указаны средние потоки лучистого тепла на единицу поверхности.

Температура растет, и максимум в спектре смещается (закон Вина) до тех пор, пока не найдет в атмосфере «окно прозрачности», сквозь которое ИК-лучи уйдут в космос. Баланс тепловых потоков устанавливается, но при более высокой температуре, чем могло бы быть при отсутствии атмосферы. Это и есть парниковый эффект.

Рис 4.10. Влияние парникового эффекта (∆T, K) на среднюю температуру поверхности планет.

В своей жизни мы довольно часто сталкиваемся с парниковым эффектом. И не только в виде садового парника или толстой шубы, которую надевают в морозный день, чтобы согреться (хотя сама шуба не выделяет, а лишь удерживает тепло). Как раз эти примеры не демонстрируют чистый парниковый эффект, поскольку в них уменьшается как лучистый, так и конвективный отвод тепла. Гораздо ближе к описанному эффекту пример ясной морозной ночи. При сухом воздухе и безоблачном небе (например, в пустыне) после захода солнца земля быстро остывает, а влажный воздух и облака сглаживают суточные колебания температуры. К сожалению, этот эффект хорошо знаком астрономам: ясные звездные ночи бывают особенно холодными, что делает работу у телескопа весьма некомфортной. Вернувшись к рис. 4.8, мы увидим причину: именно пары воды в атмосфере служат главным препятствием для уносящего тепло ИК-излучения.

Рис 4.11. Несмотря на относительную удаленность от Солнца и высокое альбедо, температура поверхности Венеры в результате парникового эффекта значительно выше средней температуры поверхности Меркурия.

У Луны нет атмосферы, а значит, нет и парникового эффекта. На ее поверхности термодинамическое равновесие устанавливается в явном виде, никакого обмена излучением между атмосферой и твердой поверхностью нет. У Марса разреженная атмосфера, но все-таки ее парниковый эффект добавляет свои 8 °C. А Земле он добавляет почти 40 °C. Если бы у нашей планеты не было такой плотной атмосферы, температура Земли была бы на 40° ниже. Сегодня она составляет по всему земному шару в среднем +15 °C, а было бы –25 °C. Все океаны замерзли бы, поверхность Земли от снега стала бы белой, альбедо повысилось, и температура упала бы еще ниже. В общем – страшное дело! Хорошо, что парниковый эффект в нашей атмосфере работает и греет нас. И еще гораздо сильнее он работает на Венере – более чем на 500 °С поднимает среднюю венерианскую температуру.

Поверхность планет

До сих пор мы не приступали к детальному изучению иных планет, в основном ограничиваясь наблюдением их поверхности. А насколько важна для науки информация о внешнем виде планеты? Что ценного может поведать нам изображение ее поверхности? Если это газовая планета, как Сатурн или Юпитер, или же твердая, но покрытая плотным слоем облаков, как Венера, то мы видим лишь верхний облачный слой и, следовательно, почти никакой информации о самой планете не имеем. Облачная атмосфера, как говорят геологи, —это супермолодая поверхность: сегодня она такая, а завтра будет иной (или не завтра, а через 1000 лет, что лишь миг в жизни планеты).

Большое Красное Пятно на Юпитере или два планетарных циклона на Венере наблюдаются уже 300 лет, но говорят нам лишь о некоторых общих свойствах современной динамики их атмосфер. Наши потомки, глядя на эти планеты, будут видеть совсем иную картину, а какую картину могли видеть наши предки, мы никогда не узнаем. Таким образом, глядя со стороны на планеты с плотной атмосферой, мы не можем судить об их прошлом, поскольку видим лишь изменчивый облачный слой. Совсем другое дело – Луна или Меркурий, поверхности которых хранят следы метеоритных бомбардировок и геологических процессов, происходивших в течение последних миллиардов лет.

Рис 4.12. Фрагменты кометы Шумейкеров—Леви-9 (май 1994 г.). Фото космического телескопа «Хаббл» (NASA).

А подобные бомбардировки планет-гигантов практически не оставляют следов. Одно из таких событий произошло в конце ХХ века прямо на глазах астрономов. Речь идет о комете Шумейкеров—Леви-9. В 1993 г. недалеко от Юпитера была замечена странная цепочка из двух десятков небольших комет. Расчет показал, что это фрагменты одной кометы, пролетавшей рядом с Юпитером в 1992 г. и разорванной на части приливным эффектом его мощного гравитационного поля. Сам эпизод распада кометы астрономы не видели, а застали лишь тот момент, когда цепочка кометных осколков «паровозиком» удалялась от Юпитера. Если бы не произошло распада, то комета, подлетев к Юпитеру по гиперболической траектории, по второй ветви гиперболы ушла бы вдаль и, скорее всего, больше никогда не сблизилась бы с Юпитером. Но тело кометы не выдержало приливного напряжения и разрушилось, а затрата энергии на деформацию и разрыв тела кометы уменьшила кинетическую энергию ее орбитального движения, переведя осколки с гиперболической орбиты на эллиптическую, замкнутую вокруг Юпитера. Расстояние орбиты в перицентре оказалось меньше радиуса Юпитера, и в 1994 г. осколки врезались в планету один за другим.

Рис 4.13. Траектория кометы Шумейкеров– Леви-9

Рис 4.14. Следы на поверхности атмосферы Юпитера от столкновения с кометой были заметны в течение нескольких месяцев. Наблюдение за последствиями этого редкого космического события вели многие наземные и космические исследовательские станции. Серия снимков сделана космическим телескопом «Хаббл» (последовательность кадров – справа налево).

Происшествие было грандиозное. Каждый «осколочек» кометного ядра – это ледяная глыба размером 1÷1,5 км. Они по очереди влетали в атмосферу гигантской планеты со скоростью 60 км/с (вторая космическая скорость для Юпитера), обладая удельной кинетической энергией, в (60/11)² ≈ 30 раз большей, чем если бы это было столкновение с Землей. Астрономы с большим интересом, находясь в безопасности на Земле, наблюдали космическую катастрофу на Юпитере. К сожалению, осколки кометы били в Юпитер с той стороны, которую не было в этот момент видно с Земли. К счастью, как раз в это время на пути к Юпитеру был космический зонд «Галилео», он увидел эти эпизоды и показал их нам. За счет быстрого суточного вращения Юпитера области столкновения через несколько часов становились доступны и наземным телескопам, и, что особенно ценно, околоземным, таким как космический телескоп «Хаббл». Это было очень полезно, поскольку каждая глыба, врезаясь в атмосферу Юпитера, вызывала колоссальный взрыв, разрушающий верхний облачный слой и создающий на некоторое время окно видимости вглубь юпитерианской атмосферы. Так благодаря кометной бомбардировке мы ненадолго смогли туда заглянуть. Но прошло два месяца – и никаких следов на облачной поверхности не осталось: облака затянули все окна, как будто ничего не произошло.

Рис 4.15. Аризонский метеоритный кратер. Фото: Stephen Alvarez.

Иное дело – Земля. На нашей планете метеоритные шрамы остаются надолго. Перед вами самый популярный метеоритный кратер диаметром около 1 км и возрастом около 50 тыс. лет (рис. 4.15). Он все еще хорошо виден. Но кратеры, образовавшиеся более 200 млн лет назад, можно найти лишь с помощью тонких геологических методов. Сверху их не видно.

Кстати, есть довольно надежное соотношение между размером упавшего на Землю крупного метеорита и диаметром образованного им кратера – 1:20. Кратер километрового диаметра в Аризоне образовался от удара маленького астероида диаметром около 50 м. А в далекие времена по Земле ударяли и более крупные «снаряды» – и километровые, и даже десятикилометровые. Мы знаем сегодня около 200 крупных кратеров; их называют астроблемами («небесными ранами») и каждый год обнаруживают несколько новых. На территории России крупнейший кратер – Попигай в Якутии, диаметром 100 км. Известны и более крупные астроблемы, например южноафриканский кратер Вредефорт диаметром около 300 км и возрастом около 2 млрд лет или еще не изученный кратер Земли Уилкса под ледяным щитом Антарктиды, диаметр которого оценивается в 500 км. Он выявлен по данным радиолокации и гравиметрических измерений.

На поверхности Луны, где нет ни ветра, ни дождя, где отсутствуют тектонические процессы, метеоритные кратеры сохраняются миллиарды лет. Глядя на Луну в телескоп, мы читаем историю космической бомбардировки. На обратной стороне – еще более полезная для науки картина. Похоже, что туда по какой-то причине никогда не падало особенно крупных тел либо, падая, они не могли пробить лунную кору, которая на обратной стороне вдвое толще, чем на видимой. Поэтому вытекавшая лава не заполняла крупные кратеры и не скрывала исторические детали. На любом клочке лунной поверхности есть метеоритный кратер, большой или маленький, и их так много, что более молодые разрушают те, что образовались раньше. Произошло насыщение: Луна уже не может стать более кратенированной, чем она есть; везде кратеры. И это замечательная летопись истории Солнечной системы: по ней выделено несколько эпизодов активного кратерообразования, в том числе эпоха тяжелой метеоритной бомбардировки (4,1÷3,8 млрд лет назад), оставившая следы на поверхности всех планет земного типа и многих спутников. Почему потоки метеоритов обрушивались на планеты в ту эпоху, нам еще предстоит понять. Нужны новые данные о строении лунных недр и составе вещества на разной глубине, а не только на поверхности, с которой до сих пор были собраны образцы.

Рис 4.16. Температура на Меркурии. Данные зонда «Мессенджер» (NASA), 2008 г.

Меркурий внешне похож на Луну, поскольку, как и она, лишен атмосферы. Его каменистая поверхность, не подверженная газовой и водной эрозии, длительное время сохраняет следы метеоритной бомбардировки. Среди планет земного типа Меркурий хранит самые старые геологические следы возрастом около 4 млрд лет. Но на поверхности Меркурия нет крупных морей, заполненных темной застывшей лавой и похожих на лунные моря, хотя крупных ударных кратеров там не меньше, чем на Луне.

Размером Меркурий примерно в полтора раза больше Луны, но своей массой он превосходит Луну в 4,5 раза. Дело в том, что Луна – почти целиком каменистое тело, тогда как у Меркурия имеется огромное металлическое ядро, состоящее, по-видимому, в основном из железа и никеля. Радиус ядра составляет около 75 % радиуса планеты (у Земли – лишь 55 %), объем – 45 % объема планеты (у Земли – 17 %). Поэтому средняя плотность Меркурия (5,4 г/см³) почти равна средней плотности Земли (5,5 г/см³) и существенно превосходит среднюю плотность Луны (3,3 г/см³). Имея большое металлическое ядро, Меркурий мог бы своей средней плотностью превосходить Землю, если бы не малая сила тяжести на его поверхности. Имея массу всего 5,5 % земной, он обладает почти втрое меньшей силой тяжести, которая не в состоянии так уплотнить его недра, как уплотнились недра Земли, у которой даже силикатная мантия имеет плотность около 5 г/см³.

Меркурий трудно исследовать, поскольку он движется близко к Солнцу. Чтобы запустить к нему межпланетный аппарат с Земли, его нужно сильно затормозить, т. е. разогнать в направлении, противоположном орбитальному движению Земли: только тогда он начнет «падать» в сторону Солнца. Сделать это сразу с помощью ракеты невозможно. Поэтому в двух до сих пор осуществленных полетах к Меркурию были использованы гравитационные маневры в поле Земли, Венеры и самого Меркурия для торможения космического зонда и перевода его на орбиту Меркурия.

Впервые к Меркурию отправился в 1973 г. «Маринер-10» (NASA). Он сначала сблизился с Венерой, притормозил в ее гравитационном поле и затем трижды прошел вблизи Меркурия в 1974–1975 гг. Поскольку все три встречи происходили в одной и той же области орбиты планеты, а ее суточное вращение синхронизовано с орбитальным, все три раза зонд фотографировал одно и то же полушарие Меркурия, освещенное Солнцем.

Рис 4.17. Траектория полета зонда «Маринер-10» с гравитационным маневром около Венеры.

В течение следующих нескольких десятилетий полетов к Меркурию не было. И только в 2004 г. удалось запустить второй аппарат – MESSENGER (Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging; NASA). Осуществив несколько гравитационных маневров вблизи Земли, Венеры (дважды) и Меркурия (трижды), зонд в 2011 г. вышел на орбиту вокруг Меркурия и 4 года вел исследования планеты.

Работа вблизи Меркурия осложняется тем, что планета в среднем в 2,6 раза ближе к Солнцу, чем Земля, поэтому поток солнечных лучей там почти в 7 раз больше. Без специального «солнечного зонтика» электронная начинка зонда перегрелась бы. Сейчас готовится третья экспедиция к Меркурию под названием BepiColombo, в ней участвуют европейцы и японцы. Запуск намечен на осень 2018 г. Полетят сразу два зонда, которые выйдут на орбиту вокруг Меркурия в конце 2025 г. после пролета вблизи Земли, двух пролетов вблизи Венеры и шести вблизи Меркурия. Кроме детального исследования поверхности планеты и ее гравитационного поля, намечено подробное изучение магнитосферы и магнитного поля Меркурия, представляющего для ученых загадку. Хотя Меркурий вращается очень медленно, а его металлическое ядро должно было давно остыть и затвердеть, планета имеет дипольное магнитное поле, уступающее земному по напряженности в 100 раз, но все же поддерживающее вокруг планеты магнитосферу. Современная теория генерации магнитного поля у небесных тел, так называемая теория турбулентного динамо, требует наличия в недрах планеты слоя жидкого проводника электричества (у Земли это внешняя часть железного ядра) и сравнительно быстрого вращения. По какой причине ядро Меркурия до сих пор остается жидким, пока не ясно.

Рис 4.18. Зонд «Мессенджер» во время одного из наземных испытаний.

У Меркурия есть удивительная особенность, которой нет больше ни у одной планеты. Движение Меркурия по орбите вокруг Солнца и его вращение вокруг своей оси четко синхронизованы друг с другом: за время двух орбитальных периодов он совершает три оборота вокруг оси. Вообще говоря, с синхронным движением астрономы были знакомы давно: наша Луна синхронно вращается вокруг оси и обращается вокруг Земли, периоды этих двух движений одинаковы, т. е. они находятся в соотношении 1:1. И у других планет некоторые спутники демонстрируют ту же особенность. Это результат действия приливного эффекта.

Рис 4.19. Зонд «Messenger» на орбите вокруг Мерккурия. Рисунок: NASA.

Чтобы проследить за движением Меркурия, поставим на его поверхности стрелочку (рис. 4.20). Видно, что за один оборот вокруг Солнца, т. е. за один меркурианский год, планета повернулась вокруг оси ровно полтора раза. За это время день в районе стрелки сменился ночью, прошла половина солнечных суток. Еще один годичный оборот – и в районе стрелки вновь наступает день, истекли одни солнечные сутки. Таким образом, на Меркурии солнечные сутки длятся два меркурианских года.

Рис 4.20. Схема орбитального и суточного движений Меркурия.

Подробно говорить о приливах мы будем в главе 6. Именно в результате приливного влияния со стороны Земли Луна синхронизовала два своих движения – осевое вращение и орбитальное обращение. Земля очень сильно влияет на Луну: вытянула ее фигуру, стабилизировала вращение. Поскольку орбита Луны близка к круговой, Луна движется по ней с почти постоянной скоростью на почти постоянном расстоянии от Земли (степень этого «почти» мы обсуждали в главе 1). Поэтому приливный эффект меняется слабо и контролирует вращение Луны вдоль всей орбиты, приводя к резонансу 1:1.

Рис 4.21. Участки поверхности Меркурия, на которых видны уступы. Эти «морщины» возникли от взаимного надвигания слоев коры планеты при остывании и сжатии ее недр. Фото: NASA.

В отличие от Луны, Меркурий движется вокруг Солнца по существенно эллиптичной орбите, то приближаясь к светилу, то удаляясь от него. Когда он далеко, в районе афелия орбиты, приливное влияние Солнца ослабевает, поскольку оно зависит от расстояния как 1/R³. Когда Меркурий приближается к Солнцу, приливы действуют намного сильнее, поэтому лишь в области перигелия Меркурий эффективно синхронизует два своих движения – суточное и орбитальное. Второй закон Кеплера гласит, что угловая скорость орбитального движения максимальна в точке перигелия. Именно там происходят «приливный захват» и синхронизация угловых скоростей Меркурия – суточной и орбитальной. В точке перигелия они в точности равны друг другу. Двигаясь дальше, Меркурий почти перестает ощущать приливное влияние Солнца и сохраняет свою угловую скорость вращения, постепенно снижая угловую скорость орбитального движения. Поэтому за один орбитальный период он успевает сделать полтора суточных оборота и вновь попадает «в лапы» приливного эффекта. Очень простая и красивая физика.

Рис 4.22. Рельеф Меркурия. Цвета условные (показывают высоту элементов рельефа).

Поверхность Меркурия почти неотличима от лунной. Даже профессиональные астрономы, когда появились первые детальные снимки Меркурия, показывали их друг другу и спрашивали: «А ну-ка угадай, Луна это или Меркурий?». Угадать действительно трудно: и там и там избитая метеоритами поверхность. Но особенности, конечно, есть. Хотя крупные лавовые моря на Меркурии отсутствуют, его поверхность неоднородна: есть области более старые и более молодые (основанием для этого служит подсчет метеоритных кратеров). От Луны Меркурий отличается и наличием характерных уступов и складок на поверхности, возникших в результате сжатия планеты при остывании ее огромного металлического ядра.

Перепады температуры на поверхности Меркурия больше, чем на Луне: в дневные часы на экваторе +430 °C, а ночью −173 °C. Но грунт Меркурия служит хорошим теплоизолятором, поэтому на глубине около 1 м суточные (или двухгодичные?) перепады температуры уже не чувствуются. Так что если вы прилетите на Меркурий, то первое, что нужно сделать, – вырыть землянку. В ней на экваторе будет около +70 °C: жарковато. Но в районе географических полюсов в землянке будет около −70 °C. Так что без труда можно найти географическую широту, на которой в землянке окажется комфортно.