URSS.ru - Издательская группа URSS. Научная и учебная литература
Об издательстве Интернет-магазин Контакты Оптовикам и библиотекам Вакансии Пишите нам
КНИГИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ


 
Вернуться в: Каталог  
Обложка Кусков О.Л., Дорофеева В.А., Кронрод В.А., Макалкин А.Б. Системы Юпитера и Сатурна: Формирование, состав и внутреннее строение крупных спутников
Id: 67002
 
675 руб.

Системы Юпитера и Сатурна: Формирование, состав и внутреннее строение крупных спутников

URSS. 2009. 576 с. Твердый переплет. ISBN 978-5-382-00986-5.

 Аннотация

Монография посвящена исследованию проблем формирования, внутреннего строения и химической дифференциации тел внешней части Солнечной системы, где водяной лед вместе с другими видами льдов (метановым, аммиачным, углекислым и пр.) становится главной составляющей спутников планет-гигантов, ледяных карликовых планет и астероидов, расположенных за орбитой Нептуна, а также комет. Приведена новейшая информация по системам Юпитера и Сатурна, полученная КА "Галилео" и "Кассини-Гюйгенс", астрофизические данные о газопылевых дисках вокруг звезд солнечного типа, внесолнечных планетных системах, и основанные на них современные представления об образовании и эволюции планетных тел. Дан критический обзор космохимических, геологических, геофизических и астрономических данных относительно объектов внешней части Солнечной системы. Вниманию читателей предлагаются разработанные авторами модели происхождения, состава и внутреннего строения спутников планет-гигантов. Обсуждаются интригующие проблемы, связанные с возможностью существования приповерхностных океанов под ледяной корой Европы, Ганимеда, Каллисто, Титана и Энцелада, металлических ядер в недрах ледяных спутников Юпитера и Сатурна, вулканическая активность Ио и происхождение мощной атмосферы Титана.

Книга рассчитана на широкий круг специалистов, аспирантов и студентов --- геохимиков, геофизиков, космохимиков и астрономов, занимающихся проблемами эволюции и строения тел Солнечной системы, а также может служить справочным пособием для научных работников.


 Оглавление

Предисловие редактора (М.Я.Маров)
Предисловие

Часть I. Формирование регулярных спутников Юпитера и Сатурна

Глава 1. Строение и состав тел внешней солнечной системы
 1.1.Планеты-гиганты и их спутники
 1.2.Плутон -- планета или транснептуновый объект?
 1.3.Транснептуновые объекты и кентавры
 1.4.Кометы и межпланетная пыль
 1.5.Межзвездные облака и межзвездная пыль
 1.6.Химический и фазовый состав межзвездных молекулярных облаков и протопланетного околосолнечного диска в зоне образования планет-гигантов
 1.7.Заключение
Глава 2. Эволюция газопылевого околосолнечного диска; образование пылевых сгущений и допланетных тел
 2.1.Образование Солнечной системы в свете новых астрономических данных об образовании и эволюции околозвездных протопланетных дисков
 2.2.Особенности моделирования аккреционного околосолнечного диска
 2.3.Моделирование термических условий в околосолнечном протопланетном диске
  2.3.1.Входные параметры модели
  2.3.2.Постановка задачи. Основные уравнения
  2.3.3.Результаты моделирования термических условий в околосолнечном протопланетном диске
 2.4.Эволюция газопылевого околосолнечного диска; образование пылевых сгущений и рост планет
  2.4.1.Поведение пылевых частиц, образование и эволюция пылевого слоя в газопылевом околосолнечном диске
  2.4.2.Расчет температуры в пылевом слое. Постановка задачи и основные уравнения
  2.4.3.Результаты моделирования T--P-условий в пылевом слое протопланетного диска
  2.4.4.Образование пылевых сгущений и допланетных тел
  2.4.5.Рост допланетных тел и образование планет
 2.5.Заключение
Глава 3. Юпитер и Сатурн. Строение, состав атмосфер, источники летучих
 3.1.Атмосферы Юпитера и Сатурна: состав, строение, особенности
 3.2.Состав ледяных планетезималей в зоне образования планет-гигантов
 3.3.Внутреннее строение Юпитера и Сатурна. Ограничения на валовый химический состав планет-гигантов
 3.4.Образование Юпитера и Сатурна
 3.5.Особенности формирования атмосфер планет
 3.6.Заключение
Глава 4. Образование регулярных спутников Юпитера и Сатурна в околопланетных аккреционных дисках
 4.1.Протоспутниковые аккреционные диски Юпитера и Сатурна. Обзор современных моделей. Обоснование выбора модели
 4.2.Модели аккреционных протоспутниковых дисков Юпитера и Сатурна: основные уравнения и входные параметры
 4.3.Космохимические ограничения на входные параметры моделей протоспутниковых дисков Юпитера и Сатурна
 4.4.Оценка радиальной миграции регулярных спутников Юпитера и Сатурна
 4.5.Протоспутниковые диски Юпитера и Сатурна. Результаты построения моделей
  4.5.1.Оценка вклада различных источников в нагрев протоспутниковых дисков
  4.5.2.Обзор рассчитанных двумерных моделей протоспутниковых дисков, удовлетворяющих космохимическим и физическим ограничениям
  4.5.3.Распределения температуры и влияние вариаций входных параметров в моделях протоспутниковых дисков
  4.5.4.Распределение давления, объемной и поверхностной плотности в дисках
 4.6.Обсуждение результатов и выводы

Часть II. Химическая дифференциация и внутреннее строение крупных спутников

Глава 5. Фазовые равновесия и физические свойства минеральных систем при высоких давлениях
 5.1.Основные термодинамические соотношения
 5.2.Уравнение состояния минералов при высоких давлениях
 5.3.Термодинамические свойства твердых растворов
 5.4.Сейсмические свойства фазовых ассоциаций
 5.5.Моделирование равновесных фазовых ассоциаций
 5.6.Приложение термодинамического подхода к моделированию внутреннего строения верхней мантии Земли
 5.7.Заключение
Глава 6. Моделирование химического состава и внутреннего строения крупных спутников
 6.1.Введение
 6.2.Геолого-геофизические характеристики спутников: общий обзор
 6.3.Фазовая диаграмма H2O и полиморфные модификации водяного льда
 6.4.Реологические свойства льда
 6.5.Основные положения моделей внутреннего строения спутников
 6.6.Геохимические ограничения на состав спутников
 6.7.Модели состава ядер планетарных тел
 6.8.Заключение
Глава 7. Внутреннее строение Ио
 7.1.Геолого-геофизические ограничения на модели Ио
 7.2.Распределение плотности в мантии и размеры ядра
 7.3.Космохимические ограничения на модели Ио
 7.4.Оценка отношений Fetot/Si, Fem/Fetot и валового состава Ио
 7.5.Заключение и выводы
Глава 8. Внутреннее строение Европы
 8.1.Геолого-геофизическая информация
 8.2.Геофизические и космохимические ограничения на модели Европы
 8.3.Модели строения Европы по геофизическим данным
 8.4.Модели строения Европы по геохимическим данным
 8.5.Анализ моделей внутреннего строения Европы
 8.6.Водно-ледяная оболочка Европы
 8.7.Заключение и выводы
Глава 9. Внутреннее строение Ганимеда
 9.1.Модели строения и тепловой эволюции Ганимеда до полетов "Галилео"
 9.2.Геофизические и космохимические ограничения на модели Ганимеда
 9.3.Современные модели внутреннего строения Ганимеда
  9.3.1.Модели с водно-ледяной оболочкой
  9.3.2.Модели с ледяной оболочкой
 9.4.Заключение и выводы
Глава 10. Внутреннее строение Каллисто
 10.1.Степень дифференциации Каллисто по геолого-геофизическим данным
 10.2.Особенности внутреннего строения Каллисто
 10.3.Строение водно-ледяной оболочки Каллисто
 10.4.Современные модели внутреннего строения Каллисто
  10.4.1.Модели с внутренним океаном
  10.4.2.Модели с ледяной оболочкой
 10.5.Заключение и выводы
Глава 11. Изохимические модели галилеевых спутников
 11.1.Введение
 11.2.Внутреннее строение железокаменных ядер спутников
 11.3.Гипотеза изохимичности состава спутников
 11.4.Модели спутников
 11.5.Распределение температуры и физических параметров
 11.6.Состав и внутреннее строение спутников при условиях изохимичности
 11.7.Заключение и выводы
Глава 12. Сравнительные характеристики планет и спутников
 12.1.Химический состав и внутреннее строение Луны
  12.1.1.Геолого-геофизическая информация о строении Луны
  12.1.2.Моделирование состава и внутреннего строения Луны
  12.1.3.Мантия Луны: состав, строение, свойства
  12.1.4.Ядро Луны
 12.2.Геохимические характеристики Луны и Земли
 12.3.Геохимические характеристики Ио и Марса
 12.4.Заключение и выводы
Глава 13. Фракционирование вещества в Солнечной системе
 13.1.Общая характеристика процессов фракционирования
 13.2.Содержание H2O в галилеевых спутниках
 13.3.Отношение FetotSi и обедненность галилеевых спутников железом
 13.4.Заключительные замечания
Глава 14. Спутники Сатурна -- Титан и Энцелад
 14.1.Экспериментальные данные по исследованию Титана космической миссией "Кассини--Гюйгенс"
  14.1.1.Стратосфера и верхняя атмосфера Титана
  14.1.2.Поверхность Титана
  14.1.3.Атмосфера Титана
 14.2.Происхождение атмосферы Титана. История вопроса и эволюция представлений
 14.3.Модели образования Титана и его атмосферы
  14.3.1.Модель образования Титана в теплом протоспутниковом диске Сатурна
  14.3.2.Модель образования Титана в холодном протоспутниковом диске Сатурна
  14.3.3.Модель с эндогенным источником метана в атмосфере Титана
  14.3.4.Модель с поверхностным источником метана в атмосфере Титана
 14.4.Энцелад -- регулярный спутник Сатурна. Экспериментальные данные "Кассини"
 14.5.Происхождение атмосфер Титана и Энцелада. Предварительные выводы
 14.6.Модели внутреннего строения Титана и Энцелада
 14.7.Заключительные замечания
Заключение
Глоссарий. Список часто употребляемых терминов
Литература

 Предисловие редактора

В динамике небесных тел, населяющих Солнечную систему (планет, их спутников, малых тел), наряду с характерными природными особенностями проявляются определенные общие закономерности, обусловленные единым процессом происхождения и последующей эволюции Солнечной системы. Поэтому чрезвычайно важно попытаться сопоставить то, что нам известно о природных явлениях на Земле и о системе Земля--Луна, обусловленных, в частности, небесно-механическими факторами, с другими объектами Солнечной системы -- планетами и их спутниками, включая взаимодействие с малыми телами -- кометами и астероидами.

Детально разработанные и широко применяемые точные и приближенные аналитические методы небесной механики позволяют находить решения задач определения орбит и их эволюции, в том числе устанавливать области устойчивости и неустойчивости решений для различных классов движений. Наибольшее распространение за последние десятилетия получили методы прямого численного интегрирования, которые, наряду с численно-аналитическими методами, оказались наиболее эффективными для исследования происхождения, эволюции и внутреннего строения тел Солнечной системы. В частности, они привели к выводу, что орбиты планет, обладающие малыми экцентриситетами и наклонениями, лишь слабо хаотичны и не имеют сколь-нибудь заметной вековой составляющей на временных интервалах, сопоставимых с возрастом Солнечной системы. Наиболее сильную хаотизацию испытывают орбиты комет, с чем связаны сложности прогноза их движений и точного определения эфемерид.

В монографии открывается возможность существенно расширить наши представления о телах внешней части Солнечной системы. Эффективность сравнительно-планетологического подхода особенно наглядно проявляется при изучении многочисленного семейства спутников планет-гигантов, происхождение, внутренняя структура и свойства орбит которых существенно зависят от физико-химических особенностей газопылевых аккреционных дисков планет и в значительной степени определяются приливными взаимодействиями.

Особое внимание привлекают, прежде всего, галилеевы спутники Юпитера -- Ио, Европа, Ганимед и Каллисто, -- которые образовались, вероятно, одновременно с самой планетой вблизи нее и в дальнейшем увеличили свои радиальные расстояния вследствие приливного воздействия Юпитера, а также Титан с его азотно-метановой атмосферой. Теория движения галилеевых спутников обладает характерной особенностью, обнаруженной еще Лапласом, -- в системе этих спутников имеется тройной резонанс 1:2:4, т.е. в таком кратном соотношении находятся периоды обращения Ио, Европы и Ганимеда вокруг Юпитера. Наряду с этим существуют соотношения между средними движениями, что вызывает либрацию спутников, а сами они испытывают возмущения от сильного гравитационного взаимодействия друг с другом. В результате каждому из галилеевых спутников свойственны определенные уникальные черты, формирование которых, как и для многих других спутников планет-гигантов, является следствием процессов самоорганизации, приведших вначале к возникновению резонансов, а в процессе дальнейшей эволюции -- к формированию специфических природных комплексов.

Основным методом исследования внутреннего строения служит численное моделирование процессов, формировавших планеты и спутники, при этом основное внимание уделяется анализу химического состава и строения геосфер спутников Юпитера и Сатурна. Рассматривается исходный состав протопланетного диска в ближайшей окрестности планеты, изучаются термическая эволюция газопылевой среды и особенности состава конденсата, образующегося на различных радиальных расстояниях при охлаждении, последовательность фракционирования важнейших породообразующих элементов. Приведены новейшая информация по системам Юпитера и Сатурна, полученная зондами "Галилео" и "Кассини--Гюйгенс", астрофизические данные о газопылевых дисках вокруг звезд солнечного типа, внесолнечных планетных системах и основанные на них современные представления об образовании и эволюции планетных тел. Дан критический обзор космохимических, геологических, геофизических и астрономических данных относительно объектов внешней части Солнечной системы.

В развитие ранее полученных авторами результатов проводится детальное моделирование внутреннего строения спутников планет-гигантов, состоящих из коры или ледяной оболочки, силикатной мантии и металлического Fe--FeS ядра. В основу положены геофизические и геохимические данные (тепловой поток, средняя плотность, масса, момент инерции; состав H-, L-, LL-, CM-, CV-хондритов), а также термодинамические данные в системе
Na2O--TiO2--CaO--FeO--MgO--Al2O3--SiO2--Fe--FeS--H2O
с учетом фазовой диаграммы H2O и фазовых превращений льдов I--VII при высоких давлениях. Ограничениями, накладываемыми на развиваемые модели, служат результаты исследований геофизических характеристик на космических аппаратах "Галилео" и "Кассини--Гюйгенс", а также геохимические ограничения. Модельные данные сопоставлены с веществом метеоритов, а по совокупности геофизических и геохимических ограничений выявлены критерии окислительно-восстановительных условий и степени фракционирования металл/силикат во внешней части Солнечной системы.

Результаты моделирования позволяют понять физико-химическую природу процессов, наблюдаемых на небесных телах. В отличие от Земли, Венеры и Марса, где вулканизм обусловлен радиогенным теплом, на Ио источником извержений служит диссипация приливной энергии вследствие упомянутого ранее гравитационного взаимодействия Ио с другими галилеевыми спутниками при орбитальном движении в гравитационном поле Юпитера, что приводит к периодическим сильным деформациям фигуры. Согласно существующим оценкам, этот механизм примерно на два порядка превышает другие возможные энергетические источники. Достаточно высокая средняя плотность (3,53 г/см3) свидетельствует о том, что Ио состоит практически целиком из каменистых пород, а водно-ледяная оболочка (если она когда-либо существовала) была потеряна, благодаря разогреву недр уже на ранней стадии эволюции. Энергия, излучаемая Ио в окружающее пространство, примерно на два порядка превышает внутренние тепловые потоки на Земле и Луне.

Примерно аналогичное, но меньшее приливное воздействие испытывает находящаяся немного дальше от Юпитера и меньшая по размерам Европа (радиус 1565 км, плотность 3 г/см3). Но если мощный разогрев и связанный с ним вулканизм на Ио привел к утрате ее ледяной оболочки, то на Европе она предположительно превратилась в водный океан глубиной около 100 км, находящийся под ледяным панцирем толщиной приблизительно 10--20 км. К возможности появления жидкой воды на такой глубине приводит оценка теплового потока за счет диссипации приливной энергии. Об этом же свидетельствует обусловленное приливами несинхронное по отношению к недрам вращение внешней оболочки Европы, наличие во льду многочисленных трещин, областей с хаотическим нагромождением блоков типа айсбергов, необычная форма ударных кратеров, уникальная гладкость фигуры, наличие сравнительно свежих хаотически расположенных бесчисленных невысоких хребтов и разломов. За счет периодического приливного энерговыделения в недрах спутника океан может прогреваться и быть, таким образом, даже подходящей биогенной средой. Если эти оценки верны, то объем воды в океане Европы существенно превышает водные запасы Земли. Важным дополнительным аргументом служит наличие у Европы сравнительно слабого магнитного поля, скорее всего обязанного наличию электропроводящего соленого океана.

Морфология поверхности Ганимеда, также обладающего магнитным полем, несет следы тектонической активности, вероятно, обусловленной, наряду с сохранившимся источником радиогенного тепла в силикатной мантии, конвективным переносом, притоком приливной энергии при резонансном взаимодействии с Европой и Ио. Напротив, Каллисто не подвержена приливному разогреву вследствие орбитального динамического резонанса Лапласа, как у трех других галилеевых спутников, поэтому следы эндогенной активности на ней отсутствуют. По этой же причине степень дифференциации слагающих Каллисто пород существенно меньше, чем у Ганимеда, о чем свидетельствует измеренное значение квадрупольного момента гравитационного поля, которому отвечает более высокое значение безразмерного момента инерции по сравнению с Ганимедом. В отсутствие внешнего энергетического источника неясно -- можно ли ожидать, что на глубине сохранилась жидкая вода, поскольку за геологическое время недра Каллисто должны были охладиться субсолидусной конвекцией, контролируемой вязкостью льда, хотя и менее эффективной, чем на Ганимеде. Между тем на стороне, противоположной громадной котловине Валхала, образованной столкновением с крупным телом, отсутствуют заметные следы данного события, что можно объяснить поглощением энергии удара жидким слоем недр. В пользу данного предположения свидетельствует и возможное наличие у Каллисто магнитного поля, сопоставимого по напряженности с Европой.

Помимо галилеевых спутников, наибольшее внимание у других планет-гигантов привлекают спутник Сатурна Титан и спутник Нептуна Тритон. Заслуживает вместе с тем внимания и совсем небольшой почти целиком ледяной спутник Сатурна Энцелад, размер которого 500 км, а плотность 1,120 г/см3. Несмотря на столь малые размеры, значительная часть его поверхности сильно модифицирована активными геологическими процессами, оставившими хребты и желоба, а отсутствие кратеров и альбедо спутника, близкое к единице, свидетельствует о том, что поверхность очень молодая. Но самое удивительное -- это обнаруженный на этом спутнике сильный водный вулканизм. По-видимому, это обстоятельство, как и наблюдаемые геологические структуры, являются следствием слабо эллиптической орбиты Энцелада, находящегося в резонансе 2:1 с другим спутником Сатурна Дионой. Ее приливное воздействие достаточно для того, чтобы разогреть его недра до температуры 176 K, отвечающей температуре плавления водно-аммиачной эвтектики. По-видимому, этим механизмом обусловлена как сохранившаяся геологическая активность этого холодного тела, так и источник частиц, заполняющих одно из колец Сатурна Е, внутри которого как раз и находится Энцелад.

Судя по величине средней плотности, Титан и Тритон, подобно Ганимеду и Каллисто, состоят наполовину из каменистых пород и наполовину из льдов. Уникальность Титана, сопоставимого по размерам с Меркурием и Ганимедом, -- наличие у него мощной азотно-метановой атмосферы с давлением у поверхности 1,5 атм при температуре 94 К. Заметим, что эта температура близка к тройной точке метана, при которой на поверхности происходят фазовые переходы. Действительно, обширные резервуары жидких углеводородов обнаружены на поверхности Титана по результатам исследований в рамках проекта "Кассини--Гюйгенс". Поскольку ускорение силы тяжести на Титане составляет примерно одну седьмую часть от земного, то для создания давления 1,5 атм масса атмосферы Титана должна быть на порядок больше земной. Остается неясным, однако, какую роль в геологии Титана могли сыграть приливные эффекты, в частности, находящиеся на сравнительно близких с ним орбитах достаточно крупные спутники Сатурна Рея и Гиперион. Несомненно, однако, что они оказали и продолжают оказывать сильное влияние на динамику атмосферы. Инсоляция на Титане слишком мала, чтобы обеспечить развитие интенсивных динамических процессов, но, тем не менее, они существуют. Можно предположить, что основным энергетическим источником служат приливные воздействия Сатурна, которые в 400 раз сильнее лунных приливов на Земле. Предположение о приливном механизме ветровых движений подкрепляется ориентировкой гряд дюн, повсеместно встречающихся на Титане.

Круговорот метана, включающий образование в атмосфере метановых облаков и выпадение на поверхность осадков в виде метановых дождей, является уникальной особенностью Титана. Существование такого метанового цикла, подобного водному циклу на Земле, предполагалось ранее на основе расчетных моделей и исследования свойств поверхности путем радиолокационных измерений и при помощи космического телескопа Хаббл. Помимо метановых озер, на панорамах поверхности видны глыбы округлой формы, состоящие, вероятно, из водяного и метанового льдов и других органических соединений, долины, напоминающие русла рек, стекающих с возвышенностей, а также ряды дюн, состоящих, очевидно, из частиц "углеводородной пыли". Согласно модели, метан конденсируется в облака на высоте нескольких десятков километров, из них постоянно выпадает на поверхность слабая изморось, а из особо плотных облаков вблизи Южного полюса -- более крупные "дождевые" капли, компенсируемые испарением, что действительно представляет собой аналог гидрологического цикла на Земле. При очень низкой температуре жидкой воды на поверхности быть не может, но не исключено, что, подобно галилеевым спутникам, она есть на глубине, в приповерхностном слое. Наряду с этим, есть основания предполагать, что на поверхности, кроме метана, существуют и более сложные углеводороды (этан, этилен, ацетилен, диацетилен, метилацетилен, цианоацетилен), а также пропан, синильная кислота и другие органические соединения, образующиеся в верхней атмосфере и углеводородных облаках под действием ультрафиолетового излучения в результате процессов фотолиза метана. Углеводороды придают атмосфере характерный красно-оранжевый цвет. Можно думать, что на Титане создаются благоприятные условия для начальных этапов биогенного синтеза, подобные тем, которые существовали на ранней Земле, и это привлекает к Титану особое внимание.

В противоположность Титану, Тритон, размер которого чуть меньше Луны, практически лишен атмосферы (давление не превышает 15 микробар), а температура его азотно-метановой поверхности всего 38 К. Заметим, что ряд признаков роднит Тритон с Плутоном, до недавнего времени считавшимся девятой планетой Солнечной системы, а ныне переведенным в категорию крупных тел пояса Койпера -- плутонидов. Между тем существуют и очень большие различия, ставшие очевидными после пролета вблизи Нептуна космического аппарата "Вояджер". Прежде всего, на поверхности Тритона в области Южной полярной шапки было обнаружено несколько десятков темных полос, некоторые из которых отождествлены с гейзероподобными выбросами жидкого азота на высоту в несколько километров (криовулканизм). С гейзерами, вероятно, связаны также отложения на замерзшем метане пылевых частиц, переносимых преобладающими ветрами даже в сильно разреженной среде. Кроме того, на поверхности обнаружены образования, напоминающие замерзшие озера с азотно-метановыми береговыми террасами высотой до километра, образование которых, возможно, связано с последовательными эпохами плавления -- замерзания при изменении условий инсоляции или, скорее, в результате приливных взаимодействий Тритона с Нептуном. По-видимому, разогрев недр за счет диссипации приливной энергии служит, подобно галилеевым спутникам, основным источником криовулканизма на этом очень холодном теле. В принципе источником энергии гейзероподобных выбросов могло бы быть повышение уровня инсоляции, поскольку они наблюдаются на широтах, на которых Солнце находится в зените. Однако данный механизм, скорее всего, играет второстепенную роль. Так или иначе, о сохранившейся геологической активности Тритона свидетельствует малое число ударных кратеров на его молодой поверхности, а факт сильного приливного взаимодействия с Нептуном является несомненным.

К сказанному нужно добавить, что у Тритона очень необычная орбита, что остро ставит вопрос о его происхождении. Она сильно наклонена к плоскости эклиптики и обладает почти нулевым эксцентриситетом, а сам Тритон, в отличие от всех других крупных спутников планет, движется не в прямом, а в обратном направлении (по часовой стрелке). Особенности орбитального движения Тритона позволяют предположить, что он первоначально образовался в поясе Койпера, как и Плутон, а позднее был захвачен Нептуном. Однако обычный гравитационный захват, как показали расчёты, маловероятен, поэтому дополнительно предполагается, что Тритон был членом двойной системы, либо постепенно затормозился в верхней атмосфере Нептуна. Подкреплением данной гипотезы служит то обстоятельство, что при переходе на орбиту вокруг Нептуна Тритон должен был испытать со стороны Нептуна и системы его спутников (в частности, Нереиды) мощное приливное воздействие, что привело к расплавлению его преимущественно водно-ледяных недр (средняя плотность 2,07 г/см3). Вполне вероятно, что продолжающееся приливное взаимодействие Нептуна и Тритона в современную эпоху разогревает планету, следствием чего является тепловой поток из недр, почти втрое превышающий величину инсоляции. Другим следствием является то, что Тритон постепенно приближается к Нептуну и в далекой перспективе войдет внутрь предела Роша, где будет разорван на части.

Как видим, небесным телам в Солнечной системе свойственна удивительная упорядоченность, которая складывалась в процессе самоорганизации в открытой диссипативной системе первоначально хаотических образований в виде роя планетезималей, из которых рождались планеты-гиганты и системы их спутников. При этом определяющую роль играли приливные взаимодействия. Другими словами, самоорганизация была обеспечена гравитационными силами, приведшими к возникновению соизмеримостей и резонансов в движениях планет и спутников, и приливными взаимодействиями, вызвавшими разогрев недр и уникальные природные явления в виде мощного вулканизма, теплого водного океана внутри холодного ледяного тела, криовулканизма и др.

В значительно большей степени, чем планеты и спутники, влиянию приливных сил подвержены малые тела -- астероиды и кометы. Замечательным примером служат люки Кирквуда в Главном поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера в области 2,7--3,2 а.е., обусловленные наличием резонансов орбитальных периодов астероидов с периодом Юпитера (4:1; 3:1; 5:2; 2:1; 3:2). Другой пример -- транснептуновые тела в поясе Койпера, у которых обнаружено наличие резонансов среднего движения (соизмеримостей периодов) с Нептуном (4:3; 3:2; 2:1) и вековых резонансов (прецессии орбит) вследствие соизмеримостей долготы восходящего узла и аргумента перигелия. Интересно, что орбиты этих тел стабильны (вне резонансов) на интервалах t приблизительно 108 лет, однако "накопление нестабильности" и резкий рост эксцентриситета за счёт гравитационного влияния Нептуна приводят к их рассеянию из пояса Койпера.

Вследствие наличия вековых возмущений, область между "внутренним" и "классическим" поясом (приблизительно 40--43 а.е.) отличается наибольшей нестабильностью. Из этой зоны тела мигрируют внутрь Солнечной системы и первоначально захватываются преимущественно на орбиты, пересекающиеся с орбитой Юпитера. Определенная их фракция в дальнейшем мигрирует по направлению к Солнцу, пополняя Главный пояс астероидов и три группы астероидов (Амур, Аполлон, Атон), пересекающиеся с орбитами планет земной группы, называемых обобщенно Near Earth Objects. Орбиты этих объектов, особенно сближающихся с Землей астероидов группы Аполлон и даже заходящих внутрь земной орбиты астероидов группы Атон, подвержены наибольшей хаотизации изНза влияния приливных сил и вместе с кометами представляют основную опасность столкновения с Землей.

Как видно из изложенного, исследования разнообразных объектов во внешних областях Солнечной системы, особенно спутников планет с их уникальными особенностями, представляют громадный интерес, прежде всего с небесно-механической и космохимической точек зрения. Моделирование этих объектов связано с решением сложных проблем, но задача эта чрезвычайно актуальна, поскольку расширяет представления о многообразии природных комплексов, сформировавшихся под влиянием различных факторов.

Настоящая монография подготовлена коллективом авторов из ГЕОХИ РАН и ИФЗ РАН, имеющих многолетний опыт исследования систем Юпитера и Сатурна. Вниманию читателей предлагаются разработанные авторами оригинальные модели происхождения, состава и внутреннего строения спутников планет-гигантов. Обсуждаются интригующие проблемы, связанные с возможностью существования приповерхностных океанов под ледяной корой Европы, Ганимеда, Каллисто, Титана и Энцелада, металлических ядер в недрах ледяных спутников Юпитера и Сатурна, вулканическая активность Ио и происхождение мощной атмосферы Титана. Монография открывает перспективы не только глубокого понимания происхождения и эволюции спутников планет-гигантов, но и значительно развивает фундаментальную концепцию сравнительно-планетологического подхода в исследовании всей Солнечной системы, тем самым способствуя прогрессу наук о Земле.

Академик М.Я.Маров

 Предисловие

Из всех спутников
наиболее интересными после Луны
являются спутники Юпитера.

Пьер Лаплас.
Изложение системы мира

Астрономические представления древнегреческих философов и ученых классической эпохи в отношении устройства Солнечной системы, ломавшие привычные парадигмы, вызывали критику потому, что по тем временам казались непроверяемыми. Так, Анаксагор (V век до нашей эры) полагал, что Луна и Солнце -- огромные сферы, настолько большие, что Солнце, возможно, величиной с Пелопоннес. Его критики находили эту оценку чрезмерно завышенной. Забавно, что Плутарх в трактате "De Facie in orbe Lunae" (О внешнем виде или диске Луны) полагает, что поверхность Луны не только усеяна множеством морей, но и представляет собой местопребывание счастливых душ (Фламарион, 1994). Кажется поучительным сравнить эти представления с более поздними и современными наблюдениями.

Выдающийся французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас (1749--1827) в своей классической работе "Изложение системы мира" в главе "О возмущениях спутников Юпитера" пишет: "Теория спутников в настоящее время настолько продвинулась вперед, что недостающее ей может быть определено только очень точными наблюдениями" (Лаплас, 1982). Лишь спустя 150 лет после смерти Лапласа началось непосредственное изучение внешних областей Солнечной системы, и в частности галилеевых спутников Юпитера, с помощью космических аппаратов серии "Пионер" (Pioneer, запуск 1972--1973), "Вояджер" (Voyager, запуск 1977) и "Галилео" (Galileo, запуск 1989). К крупнейшему спутнику Сатурна Титану в 1997 году был запущен американо-европейский орбитальный аппарат "Кассини--Гюйгенс" (Cassini--Huygens).

Вторая половина XX века характеризуется бурным развитием и все нарастающей интенсивностью исследования планет и спутников Солнечной системы. В настоящее время обнаружено более 150 регулярных и нерегулярных спутников планет. Только за последние пять лет открыто 86 нерегулярных спутников (Джевит и др., 2006).

Меркурий и Венера не имеют спутников. У Земли -- один крупный спутник, у Марса -- два небольших. Отсутствие спутников у Меркурия и Венеры объясняется приливным воздействием планет, вращение которых было заторможено приливным воздействием Солнца, в результате чего спутники выпали на поверхность планет. Спутники Марса -- Фобос и Деймос (или их родительские протоспутники), вероятно, были захвачены Марсом. До наступления космической эры было известно, что вокруг Юпитера обращаются 16 спутников. Сейчас в системе Юпитера обнаружено 63 спутника (4 крупных), а в системе Сатурна -- 60 (один крупный спутник с диаметром более 5000 км -- Титан). В системе Урана насчитывается 27 спутников -- главные спутники (Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания, Оберон) имеют диаметр от 500 до 1500 км. Система Нептуна содержит 13 спутников, крупнейший из которых -- Тритон с диаметром 2700 км -- в отличие от всех других крупных спутников обращается вокруг планеты в противоположную сторону по отношению к ее вращению, а по размерам несколько уступает Луне.

Система Плутон -- Харон рассматривается как двойная с диаметрами около 2250 км и 1200 км, соответственно, и с массой спутника, составляющей 15% от массы планеты. После открытия многочисленных тел за орбитой Нептуна (транснептуновых объектов), из которых пять крупнейших сравнимы по размеру с Плутоном и еще около десятка -- с Хароном, статус Плутона как планеты пересмотрен. В результате он стал всего лишь крупным объектом (карликовой планетой -- планетоидом) во внешнем поясе астероидов -- поясе Эджворта--Койпера, названном в честь ирландского астронома Эджворта и голландско-американского астронома Койпера (Kenneth Essex Edgeworth, 1880--1972; Gerard Peter Kuiper, 1905--1973). У самых больших транснептуновых объектов уже обнаружены спутники.

Астрофизическими наблюдениями установлено существование околозвездных газопылевых дисков вокруг молодых звезд солнечного типа -- аналогов протопланетного диска, существовавшего 4,5 млрд лет назад вокруг молодого Солнца. Заметим, что в отечественной и зарубежной литературе для термина "протопланетный диск" часто используются равнозначные понятия: околосолнечный диск, протопланетное (допланетное облако) или же солнечная туманность (solar nebula). По аналогии под термином "протоспутниковый диск" понимаются газопылевые диски вокруг растущих Юпитера и Сатурна.

В конце XX века появились достоверные сообщения об открытии первой внесолнечной планеты (экзопланеты) у звезды 51 в созвездии Пегаса с массой порядка нескольких масс Юпитера на расстоянии от центральной звезды, близком к орбите Меркурия в нашей Солнечной системе. Теперь уже у многих звезд обнаружены планеты (у некоторых звезд по нескольку планет). Общее количество открытых планет превысило две сотни. Большинство внесолнечных планет, начиная с самой первой, были открыты благодаря вызванному планетой (или несколькими планетами) периодическому изменению наблюдаемой скорости звезды, измеряемому по доплеровскому смещению линий в ее спектре. В этом и следующем десятилетии намечены запуски специализированных космических аппаратов для поиска новых экзопланет, включая пока еще не обнаруженные планеты земного типа. Перспективы для открытий в этой области сейчас стремительно расширяются.

На рубеже XX и XXI столетий начинается активное изучение астероидного пояса и внешних областей Солнечной системы с помощью целой флотилии космических аппаратов. В рамках проекта "Discovery" американская станция "NEAR-Shoemaker" (Near Earth Asteroid Rendezvous; во время полета зонду было присвоено имя погибшего астронома Ю.Шумейкера), снабженная телевизионной камерой, спектрометрами и магнитометром, была отправлена на встречу с околоземным астероидом 433 Эрос и передала изображения астероида 253 Матильда. Космический аппарат "Галилео" пролетел вблизи астероидов 951 Гаспра и 243 Ида и начал изучение спутников Юпитера. В сентябре 2007 года американская межпланетная станция "Dawn" отправилась в путешествие к крупнейшим астероидам Веста (средний диаметр около 500 км, средняя плотность 3,44 г/см3 и Церера (экваториальный диаметр 975 км, средняя плотность 2,1 г/см3). На КА "Dawn" установлены камеры для получения высококачественных фототелевизионных изображений, картирующий спектрометр видимого и ИК диапазона, детектор гамма-лучей и нейтронов. Имеются данные, что Церера прошла через стадию дифференциации и что ее внешняя оболочка состоит из аммиачного и водяного льда. Планируются полеты КА "Фобос-Грунт" для доставки образца грунта с марсианского спутника Фобос.

Во внешней части Солнечной системы картина мироздания иная -- водяной и другие виды льдов (метановый, аммиачный, углекислый и др.) оказываются главными составляющими внешних планет (Уран, Нептун), спутников планет-гигантов (Европа, Ганимед, Каллисто, Титан, Тритон и др.), ледяных карликовых планет и астероидов, расположенных за орбитой Нептуна, а также комет. Эти летучие компоненты, входящие в состав ледяных тел на периферии Солнечной системы, где низкотемпературный режим существует на протяжении миллиардов лет, сохраняют свидетельства о состоянии Солнечной системы в период ее формирования.

Автоматические станции "Вега-1", "Вега-2" и "Джотто" (Giotto) провели изучение знаменитой кометы Галлея. В 1994 году космический телескоп "Хаббл" передал уникальные изображения падения кометы Шумейкера--Леви на Юпитер, разорванной его гравитационным полем на две дюжины фрагментов. Американский КА "Звездная пыль" (Stardust) пролетел вблизи кометы Вильда-2 и с помощью специальной ловушки, содержащей аэрогель, собрал кометную пыль. Зонд "Deep Impact" был запущен к комете Темпеля-1. Отделившийся от зонда ударник на огромной скорости столкнулся с кометой, что привело к взрывному выбросу ее вещества и новым представлениям о строении ядра, которые предстоит уточнить в дальнейшем (2014) при посадке на ядро кометы Чурюмова--Герасименко посадочного модуля миссии "Rossetta". Зонд "Новые горизонты" (New Horizons) отправился в 2006 году в путешествие к Плутону для обнаружения новых спутников (помимо ранее открытых) и исследования ледяных объектов пояса Койпера, образовавшихся на заре формирования нашей планетной системы.

В области астрономии и сравнительной планетологии получены результаты, которые без преувеличения могут быть отнесены к разряду сенсационных. Непосредственное изучение внешних областей Солнечной системы, и в частности галилеевых спутников Юпитера, было начато космическими аппаратами серий "Пионер" и "Вояджер". Список научных приоритетов проекта "Вояджер", помимо исследования атмосфер, магнитных и гравитационных полей Юпитера и Сатурна, включал изучение галилеевых спутников.

Вот в какой поэтической форме описывает американский планетолог Карл Саган неповторимые красочные детали наблюдений "Вояджера" в своей превосходной книге "Космос" (Саган, 2004): "Удивительные снимки: Амальтея, крошечный спутник красного цвета и продолговатой формы, в самой глубине радиационного пояса <Юпитера>; многоцветная Ио; линии на поверхности Европы; паутинообразные детали на Ганимеде; огромная депрессия на Каллисто, окруженная многочисленными кольцами".

Главные спутники Ио, Европа, Ганимед и Каллисто расположены на расстоянии от 6 до 26 радиусов Юпитера и имеют размеры, близкие к Луне (Ио, Европа) и Меркурию (Ганимед, Каллисто). Эти регулярные спутники Юпитера принято называть галилеевыми спутниками, хотя они были открыты в начале XVII века почти одновременно Симоном Марием и Галилео Галилеем. Галилей (1564--1642), как хорошо известно из истории, был обвинен в ереси. Лишь в 80-х годах XX века католическая церковь в лице папы Иоанна Павла II и специальная комиссия Ватикана признали несправедливость и ошибочность преследования Галилея и "оправдали" гениального ученого. Галилеевы спутники обращаются вокруг планеты в направлении ее вращения почти по круговым орбитам и повернуты к Юпитеру всегда одной стороной.

Проекты "Пионер" и "Вояджер" послужили прообразом новых экспедиций -- космический аппарат "Галилео" приблизился к Юпитеру и перешел на орбиту его спутника в декабре 1995 года, а "Кассини--Гюйгенс" достиг Сатурна и стал его орбитальной станцией в 2004 году. Автоматические станции провели исследования ледяных миров спутников планет-гигантов. Выяснилось, что каждый из спутников этих планет существенно отличается от других.

Достаточно указать на специфические черты геологии спутников, особенности ударного кратерообразования и морфологии поверхности, характеристики тепловых, магнитных и гравитационных полей безводного спутника Ио и водно-ледяных спутников (Ганимед, Каллисто, Европа, Титан, Рея, Япет, Диона, Тефия, Энцелад и др.). Была предсказана и затем обнаружена вулканическая активность Ио и предсказана (но пока не доказана) возможность существования под твердой ледяной корой Европы, Ганимеда и Каллисто жидкого водного слоя (океана) мощностью в десятки и сотни километров. В то время как Каллисто, Ганимед, а также Луна на протяжении многих миллиардов лет остаются геологически пассивными, Ио обладает наиболее интенсивной вулканической активностью среди всех известных тел Солнечной системы.

Сведения, полученные во время пролетов "Галилео", привели к целому ряду неожиданных сообщений о тектонической, вулканической и криовулканической активности спутников, наличии металлических ядер и океанов на ледяных спутниках, что позволяет существенно пересмотреть многие ранние представления о внутреннем строении, тепловой и геологической эволюции спутников Юпитера. Уникальная информация получена и во время пролетов "Кассини" вокруг Сатурна и его спутников, о химическом составе и внутреннем строении которых практически ничего не известно. В 2005 году на Титан опустился спускаемый аппарат "Гюйгенс" с большой научной программой, названный в честь выдающегося голландского физика и астронома Христиана Гюйгенса (1629--1695), открывшего Титан и кольца Сатурна в 1655 году.

Данные "Галилео" и "Кассини--Гюйгенса" и их теоретическая интерпретация подтвердили сведения о наличии азота, углеводородов и других газов в атмосфере Титана, гидрологическом цикле на основе метана на Титане, вулканической активности Ио и возможности существования приповерхностных океанов под ледяной корой Европы, Ганимеда, Каллисто, Титана и Энцелада. Наличие океанов предполагается на Тритоне, Плутоне и ледяных объектах из пояса Койпера. С помощью инструментов "Кассини" в районе южного полюса Энцелада обнаружены водяные фонтаны, извергающиеся на высоту до 500 км из подледного резервуара, толщина которого не превышает десятка метров. Это -- свидетельство существования жидкой воды под поверхностью Энцелада. Паровая фаза гейзеров содержит N2, CO2, углеводороды и другие соединения. Эти данные подтверждают, что Энцелад геологически активен, и помещают этот спутник Сатурна на одно из первых мест среди космических тел Солнечной системы, на которых может существовать жизнь.

Решение проблемы состава и происхождения атмосферы Титана -- одна из важнейших задач миссии "Кассини--Гюйгенс". При обмене энергией и массой между поверхностью и атмосферой метан на Титане играет ту же роль, что и вода на Земле. Одновременное существование азота, сложных соединений углерода, жидкой воды под ледяной поверхностью, а также различных энергетических источников создает предпосылки для возникновения некоторых форм примитивной жизни под ледяным панцирем ряда спутников планет-гигантов, что вызывает повышенный интерес у геологов и биологов.

Новые космические исследования систем Юпитера и Сатурна оживили интерес к фундаментальной проблеме происхождения этих планет и их спутниковых систем, важной частью которых являются регулярные спутники. Они обращаются по почти круговым орбитам, расположенным в экваториальной плоскости планеты, в направлении ее вращения. Эти особенности орбит, наряду с преимущественно газовым составом Юпитера и Сатурна, явно свидетельствуют об их образовании в протоспутниковых газопылевых аккреционных дисках (субнебулах), окружавших Юпитер и Сатурн на стадии аккреции (роста) этих планет, аналогично образованию планет в газопылевом протопланетном диске (солнечной небуле) вокруг молодого Солнца. К регулярным спутникам Юпитера относятся галилеевы спутники и малые спутники, обращающиеся еще ближе к Юпитеру, чем ближайший из галилеевых спутников -- Ио. Размеры регулярных спутников Сатурна изменяются от крупнейшего Титана (крупнее его среди спутников Солнечной системы только Ганимед) до мельчайшего двадцатикилометрового Пана.

Нерегулярные спутники находятся на более удаленных орбитах, сильно вытянутых и наклоненных к экватору планеты; направление их обращения вокруг планеты также произвольное, чаще обратное вращению планеты. Вероятно, они были захвачены гравитационным полем планеты на достаточно ранней стадии эволюции Солнечной системы, когда в межпланетном пространстве было гораздо больше тел, чем сейчас.

Образ газопылевых дисков Юпитера и Сатурна приходится воссоздавать теоретически, на основании данных о массах и плотностях спутников и в предположении генетического родства состава диска и планеты-гиганта. При этом необходимо опираться на существующие космохимические данные о телах Солнечной системы, модели внутреннего строения планет-гигантов и их спутников, а также наблюдения аккреционных дисков у молодых звезд солнечного типа. Для Юпитера система галилеевых спутников напоминает миниатюрный вариант Солнечной системы.

Исследование космохимических процессов конденсации-испарения и динамической эволюции аккреционных дисков Юпитера и Сатурна, а следовательно, и процессов формирования спутников представляет еще более сложную проблему, нежели образование планет. Распределение температуры внутри диска и расположение областей испарения и конденсации льдов и минералов имеет решающее значение для фракционирования петрогенных и летучих элементов. Это находит отражение в вариациях химического состава галилеевых спутников -- от безводного железокаменного материала Ио до скального состава Европы с ее водно-ледяным покровом, и до смешанного каменно-ледяного состава Ганимеда, Каллисто и Титана, сложенных льдами и железокаменным материалом.

Решение проблемы состава и строения спутников также связано с большими трудностями, обусловленными отсутствием информации об их термохимической истории, дегазации и дифференциации, о геохимических отношениях лед/порода и железо/кремний. Средние плотности галилеевых спутников уменьшаются с увеличением расстояния от Юпитера, что указывает на более высокое содержание H2O в составе внешних спутников. Однако этот факт ничего не говорит о валовом химическом составе и средней плотности железокаменных ядер спутников, существенно зависящих от количества железа (в виде металла, окисленного железа и общего содержания железа) и величин отношений Fetot/Si и  Fem/Fetot. Отношение общего содержания железа в ядре и мантии к кремнию (FetotSi) является важнейшим космохимическим индикатором, определяющим степень фракционирования металл/силикат. Однако окислительно-восстановительные условия в диске (H2O/H2, С/О, Fetot/Si, Fem/Fetot) и его химический состав не следуют из динамических соображений, но могут быть оценены по составу крупных спутников. Поэтому состав последних становится одним из наиболее существенных ограничений при построении моделей субнебул Юпитера и Сатурна, P--T-условия и физико-химические процессы в которых могли заметно отличаться от таковых в Солнечной туманности.

Гигантские системы Юпитера и Сатурна, содержащие более 92% массы всей нашей планетной системы, представляют огромные естественные лаборатории для исследований происхождения и эволюции планет (в том числе и Земли, образовавшейся в едином процессе с другими планетами). Значение Юпитера и Сатурна стало еще важнее в свете астрофизических открытий последних лет, когда были обнаружены подобные им крупные планеты у многих звезд (разрешающая способность приборов пока недостаточна для обнаружения планет земного типа, тел меньшей массы, а также околопланетных дисков, где формируются спутники). При значительном сходстве химического состава Юпитера и Сатурна между собой и с составом Солнца и при наличии у планет-гигантов развитых спутниковых систем -- между ними имеются и существенные различия.

Крупнейшая планета Солнечной системы -- Юпитер -- располагается в пять раз дальше от Солнца, чем Земля. Масса Юпитера составляет 318 земных масс, а его радиус (71400 км) почти в одиннадцать раз превышает земной. Юпитер содержит 2/3 массы планетного вещества Солнечной системы. В отличие от планет земного типа, состоящих из железокаменного материала и обогащенных железом, Юпитер, имеющий среднюю плотность 1,326 г/см3, состоит из легких газов (водорода и гелия), сжатых до плотности жидкой фазы собственным гравитационным полем, и обладает небольшим железокаменным ядром с массой порядка 10--20 земных масс.

Масса Сатурна примерно в три раза меньше массы Юпитера, а примесь тяжелой (породообразующей) компоненты, согласно моделям внутреннего строения этих планет, несколько больше, чем у Юпитера. Вероятная причина этих различий заключается в том, что Сатурн формировался в более удаленной от Солнца и более холодной зоне протопланетного диска, чем Юпитер, а время его роста было более продолжительным. В системе спутников Сатурна, включая его кольца, нет монотонного изменения химического состава от каменного (точнее железокаменного) у внутренних спутников к смешанному из породы и льда у внешних, как это имеет место у галилеевых спутников Юпитера. Все внутренние спутники Сатурна состоят преимущественно из скальной породы и водяного льда, что свидетельствует об иных условиях их образования.

В диске Юпитера образовались 4 крупных (галилеевых) спутника с размерами порядка размеров Луны и Меркурия, тогда как в системе Сатурна такой крупный спутник только один -- Титан, а суммарная масса остальных спутников составляет лишь несколько процентов от его массы. Титан по массе и средней плотности занимает промежуточную позицию между Ганимедом и Каллисто. Однако нельзя считать Титан аналогом этих двух галилеевых спутников Юпитера, так как Титан единственный из всех спутников Солнечной системы обладает атмосферой. Величайшим достижением космической науки в 2004--2005 годах стал успешный полет к Сатурну орбитального аппарата "Кассини" с посадкой зонда "Гюйгенс" на Титан. Были подтверждены наблюдения КА "Вояджер" о системе Сатурна и получена новая информация об азотно-метановом составе атмосферы Титана. Согласно последним данным с борта "Кассини", на поверхности Титана существуют метановые озера. Наличие атмосферы Титана, в полтора раза более плотной, чем земная, свидетельствует о его отличиях от Ганимеда и Каллисто (лишенных атмосфер), по крайней мере в отношении содержания летучих веществ. Помимо азота и метана в атмосфере Титана обнаружено несколько углеводородных (по предположению -- предбиологических) соединений. Благодаря своей уникальности Титан стал первоочередным объектом исследований "Кассини".

Существенный прогресс в наших знаниях о системах Юпитера и Сатурна в 70--80 годах XX века был подытожен в переведенных на русский язык коллективных монографиях (Моррисон, Бернс, 1978; Бернс, 1980, 1990; Моррисон и др., 1990). Сборник "Спутники Юпитера" под ред. Д. Моррисона (Satellites of Jupiter / Ed. D.Morrisson. Tucson: Univ. of Arizona Press, 1982), вышедший в трех томах (том 1 вышел в свет в 1985 г., том 2 и 3 -- в 1986 г.) на русском языке под редакцией В.Л.Барсукова и М.Я.Марова, состоит из 24 статей 47 авторов и, как отмечают в своем предисловии редакторы русского перевода, "является наиболее полной и единственной на сегодняшний день обстоятельной монографией по крайне актуальному разделу планетной астрофизики".

Однако после серии оригинальных работ и обзоров, появившихся в результате исследования спутников аппаратами "Пионер" и "Вояджер" и посвященных различным аспектам их происхождения и геологической эволюции, последовало определенное снижение интереса к этим вопросам. Оно было связано как с недостатком данных, так и с частичной утратой чрезмерного доверия к предыдущим результатам. Физические параметры и многие детали поверхности и внутреннего строения спутников были мало исследованы и не позволяли дать более или менее ясное представление об атмосферах и морфологии поверхности спутников, степени их дифференциации, существовании металлических ядер и внутренних океанов.

В результате полетов "Галилео" возник новый приток свежей геолого-геофизической и астрономической информации, что неизбежно привело и к новому всплеску интереса к системам планет-гигантов. Появились новые модели в области происхождения, эволюции и внутреннего строения спутниковой системы Юпитера, нашедшие частичное отражение в недавно опубликованной коллективной монографии (Bagenal et al., 2004). Исследование спутников Сатурна КА "Кассини--Гюйгенс" еще не завершено. Первые результаты пока не вполне осознаны, а их обсуждение и обобщение продолжается.

Пока еще невозможно построить точные модели внутреннего строения спутников Юпитера и Сатурна и дать окончательную картину их происхождения. Но это же можно сказать о Земле и планетах земной группы. Остается еще много загадочного в происхождении Солнечной системы и истории ее развития, что заставляет более осторожно относиться к собственным выводам и подвергать их, может быть, еще более строгой критике, нежели это делали наши предшественники. В то же время новейшие космические и астрофизические открытия приводят к взрывному накоплению материала, и можно полагать, что мы стоим уже на более прочной основе, чем несколько десятилетий назад. Все это послужило стимулом для работы над данным изданием.

Настоящая монография состоит из двух взаимно дополняющих друг друга частей. Первая часть состоит из четырех глав, посвященных проблемам эволюции внешней части Солнечной системы и содержащих обзор астрофизических и космохимических данных. Приводятся современные представления об эволюции аккреционных газопылевых дисков, описание оригинальных математических моделей, характеризующих внутреннюю структуру допланетного околосолнечного диска и протоспутниковых дисков Юпитера и Сатурна на стадии образования регулярных спутников планет-гигантов. Выбор начальных и граничных условий моделей проведен с учетом всего комплекса космохимических и астрофизических данных, полученных за последнее десятилетие.

Вторая часть состоит из десяти глав и, помимо современного обзора, содержит оригинальный материал по определению важнейших геохимических параметров спутников. Ее основная цель -- моделирование степени дифференциации спутников на оболочки, их химического состава и внутренней структуры. В основу моделей положены геолого-геофизические данные, полученные в результате исследования спутников космическими аппаратами, геохимические ограничения на состав обыкновенных и углистых хондритов, а также термодинамические данные по уравнениям состояния воды, льдов высокого давления, минералов и метеоритного вещества. Обсуждается происхождение атмосферы Титана, вулканическая активность Ио и возможность существования океанов под ледяной корой Европы, Ганимеда, Каллисто, Титана и Энцелада.

Исследование проблемы формирования, химической дифференциации, деталей внутреннего строения и тепловой эволюции крупных спутников Юпитера и Сатурна, а также выяснение природы вариаций их химического состава и сопоставление с составом других тел Солнечной системы, в том числе с составом Земли, Луны, Марса и вещества метеоритов, является главной целью настоящей работы.

За прошедшую четверть века, со времени первых космических полетов к окраинным частям Солнечной системы, появились многочисленные новые данные, позволяющие продвинуться в понимании систем Юпитера и Сатурна. Здесь пути и подходы астрофизики, геофизики, геохимии и космохимии пересекаются. Иными словами, если придерживаться аналогии с теоремой неполноты Гёделя, то для построения удовлетворительной модели космического объекта необходимо выйти за пределы знания какой-либо отдельной дисциплины, вводя новые факты, сведения, аргументы и доказательства из смежных наук.

Отсюда следует важный принцип, которого мы будем придерживаться в нашем исследовании. Это -- построение современных моделей происхождения, состава и внутреннего строения спутников, объединенных общим физико-химическим подходом и согласованных с данными космохимии, геохимии и геофизики. В основу моделей положены все имеющиеся данные и ограничения, включая новейшие, полученные с помощью последних наблюдений и космических экспериментов. Мы надеемся, что построенные модели позволят установить определенные закономерности в формировании, строении и эволюции крупных спутников.

Монография подготовлена коллективом авторов из ГЕОХИ и ИФЗ РАН, имеющих многолетний опыт исследования систем Юпитера и Сатурна. Авторы отдают должное целой плеяде блестящих ученых, которые начали изучение этой проблемы и в своих превосходных работах сделали первый, наиболее принципиальный и трудный шаг в направлении ее последующего развития и решения. Оценивая ретроспективно их деятельность, следует признать, что в ее основе лежали не только современные по тем временам знания и методы, но и смелые, или даже провидческие, гипотезы и воззрения, успех и справедливость которых, подтвержденные космическими экспериментами, удивляют до сих пор. Особенно впечатляющим является предсказание возможности существования океанов на ледяных спутниках -- ведь до этого наличие жидкой воды (колыбели жизни) считалось лишь привилегией Земли. Однако решение остающихся спорных вопросов далеко не тривиально и требует более строгих доказательств. Мы полагаем, что настоящее издание внесет вклад в развитие представлений в области проблемы происхождения и внутреннего строения крупных спутников Юпитера и Сатурна.

Благодарности

Авторы выражают искреннюю благодарность академику Э.М.Галимову за неизменную поддержку, постоянное внимание и обсуждение различных проблем геохимии и космохимии на различных этапах выполнения настоящей работы. Мы хотим выразить особую признательность своим друзьям и коллегам А.Т.Базилевскому, А.В.Витязеву, А.О.Глико, В.Н.Жаркову, А.П.Жидиковой, И.Н.Зиглиной, М.Ю.Золотову, А.В.Иванову, А.А.Кадику, Е.Б.Лебедеву, М.Я.Марову, М.В.Мироненко, М.А.Назарову, Г.В.Печерниковой, Б.Н.Рыженко, Е.Л.Рускол, В.С.Урусову, О.И.Яковлеву за многолетнее сотрудничество и конструктивное обсуждение различных аспектов геохимии, космохимии, геофизики и сравнительной планетологии.

Авторы благодарны своим зарубежным коллегам J.Anderson, H.Annersten, A.Coradini, D.Gautier, F.Hersant, L.Hood, A.Khan, P.Lognonne, A.Prentice, J.Ruiz, S.K.Saxena, S.R.Taylor за многочисленные дискуссии, способствовавшие написанию этой книги.

Исследования в процессе выполнения работы проводились при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты N03--05--64413, 04--05--64867, 06--05--64308, 07--05--07047), а также программ Президиума РАН "Проблемы зарождения биосферы Земли и ее эволюции" и "Физика и механика сильно сжатого вещества и проблемы внутреннего строения Земли и планет".


 Об авторах

Олег Львович КУСКОВ

Доктор химических наук, профессор, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией термодинамики и математического моделирования природных процессов Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН. Область научных интересов: эволюция вещества Солнечной системы, внутреннее строение планет земной группы, Луны и спутников планет-гигантов, термодинамика геологических процессов. Автор и соавтор 275 научных работ, в том числе монографии "Термодинамика и геохимия ядра и мантии Земли" (1982).


Вера Алексеевна ДОРОФЕЕВА

Доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН. Специалист в области моделирования космохимических и геохимических процессов. Автор и соавтор около 100 научных работ, в том числе монографии "Эволюция ранней Солнечной системы. Космохимические и физические аспекты" (М.: URSS, 2004).



Виктор Александрович КРОНРОД

Доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН. Специалист в области математического моделирования внутреннего строения Земли, Луны и спутников планет-гигантов, автор и соавтор около 100 научных работ.




Андрей Борисович МАКАЛКИН

Ведущий научный сотрудник Института физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН, специалист в области происхождения Солнечной системы, образования и ранней эволюции Земли и планет. Автор и соавтор около 90 научных работ, в том числе монографии "Эволюция ранней Солнечной системы. Космохимические и физические аспекты" (М.: URSS, 2004). Ответственный секретарь журнала "Астрономический вестник. Исследования Солнечной системы" РАН.


 Опечатки

Глава 1, стр. 40, раздел 1.4. "Кометы...", конец 3 абзаца

Написано: ... 1-3 масс Земли.

Следует читать: ... 10-30 масс Земли.

Тот же абзац, 3 строка

Написано: ... на расстоянии 75 000-150 000...

Следует читать: ... до расстояний 75 000-150 000...

 
© URSS 2016.

Информация о Продавце