Сравнительная планетология

Астроном Дмитрий Титов о типах планет Солнечной системы, динамике атмосфер и парниковом эффекте на Марсе и Венере

04.07.2015
4 169
Какой вклад исследования Марса, Венеры и Юпитера могут внести в понимание процессов на Земле? Что общего у механизмов формирования атмосферы на разных планетах? Как парниковый эффект создает комфортные условия для жизни на Земле? На эти и другие вопросы отвечает кандидат физико-математических наук Дмитрий Титов.

В 70-х годах прошлого века началось довольно интенсивное исследование планет Солнечной системы космическими аппаратами. Это были усилия советских «Венер» и «Марсов», усилия американцев по высадке роботов на Марс, Луну, посылка аппаратов в дальнюю Солнечную систему, таких как «Пионер» и «Вояджер», которые сделали первые интересные исследования очень дальних миров. И в это же время начала складываться наука, которая называется сейчас сравнительная планетология. Фактически это подход, который призван найти аналогии или различия на различных планетах и как бы связать их воедино, создать некую общую идею или теорию формирования Солнечной системы, формирования планет, их эволюции.

Многообразие планетАстрофизик Сергей Попов о газовых и ледяных гигантах, системах двойных звезд и одиночных планетах

Сравнительная планетология включает в себя целый комплекс наук — с таким же успехом можно говорить о сравнительной геологии, сравнительной климатологии, — потому что это различные аспекты жизни отдельных небесных тел. В исследованиях планет мы всегда оглядываемся на Землю, и, собственно, задача сравнительной планетологии в конечном итоге — понять, каким образом те исследования, которые мы проводим у Венеры, Марса, Юпитера, проецируются обратно на исследования нашей собственной планеты и какой вклад они могут сделать в наше понимание того, что происходит здесь.

Кроме того, очень интересный аспект: сейчас открывается больше и больше планет у других звезд, их открыто уже более тысячи, и эти планетные системы, или экзопланеты, оказываются совершенно непохожими на то, что мы видим здесь. И поэтому очень важно понять, что мы исследуем не какую-то отдельную планету или систему, а целый комплекс небесных тел, который существует как в нашей Солнечной системе, так и за ее пределами.

Можно привести несколько примеров того, как сравнительная планетология работает в конкретных применениях. Например, мы можем говорить о сравнении внутреннего строения планет в Солнечной системе. Мы знаем, что существуют две большие группы планет. Это внутренние планеты, планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля и Марс, обладающие в основном твердой поверхностью с достаточно тонкой оболочкой, которая может и отсутствовать, как у Меркурия. Внутри эти планеты хорошо дифференцированы, то есть вещество разделено на более тяжелые компоненты, которые составляют ядро, — это в основном железо, и более легкие — силикаты, которые плавают на поверхности.

Вторая группа планет — это планеты-гиганты, газовые шары, типичными представителями являются Юпитер и Сатурн, дальше идут Уран и Нептун, и это планеты, которые в основном состоят из газа солнечного состава с примесью скал и льдов. То есть, изучая эти планеты, мы видим, каким образом в разных областях Солнечной системы происходило формирование небесных тел. Дальше, если говорить о геологии небесных тел, мы также находим очень много аналогичных вещей на разных планетах, так же как и различий.

Если мы сравниваем поверхности Марса и Земли, мы можем говорить, например, о вулканах.

Мы видим на Марсе гигантские вулканы в области Тарсис, такие как Olympus Mons или Arsia Mons, которые называются щитовыми вулканами, и мы имеем аналоги этих вулканов на Земле — например, вулканы Гавайской гряды.

Эти исследования очень помогают нам прежде всего потому, что на Земле мы можем исследовать многие вещи более детально, можем потрогать их руками, туда могут пойти геологи, сделать подробные анализы. Эти анализы и исследования мы можем экстраполировать на другие планеты и получить очень интересные выводы. Если говорить, например, о тектонике, то мы сравниваем Землю, которая имеет тектонику плит — грубо говоря, куски земной коры относительно свободно плавают и уходят друг под друга в областях субдукции. Так происходит замена коры, и фактически мы видим, что кора Земли очень молода. В то же время, когда ученые увидели поверхность Венеры с помощью радаров, они поняли, что там нет плит и что вся кора — это одна большая плита. И, может быть, поэтому Венера пережила глобальную катастрофу где-то порядка 700 миллионов лет назад, когда вся поверхность была взломана или была очень интенсивная вулканическая активность, и она вся была залита молодой лавой, именно поэтому мы ее не видим, мы видим только молодую поверхность на Венере. Это еще один пример.

Если говорить об атмосфере планет, то механизмы, которые ответственны, например, за формирование температурной структуры в атмосфере, очень похожи на разных планетах. Возьмите Землю или, скажем, Юпитер — всюду мы видим верхние атмосферы, которые называются термосферами, мы видим, что там работают механизмы радиационного переноса тепла и переноса энергии за счет молекулярной диффузии, мы видим, как в зависимости от состава этих планет меняется характер температуры. Например, на Земле термосфера достигает исключительно высоких температур — порядка тысячи градусов Кельвина, в то время как на Марсе и Венере эти области даже названы криосферами, потому что там температуры не выше 200 градусов Кельвина. Оказалось, это происходит из-за того, что основным компонентом в составе Венеры и Марса является двуокись углерода — очень сильный выхолаживающий агент, выхолаживающий газ, который имеет очень сильные полосы излучения и поглощения в инфракрасном диапазоне, и через них термосфера сбрасывает в космос свою энергию. В то время как в атмосфере Земли этот газ содержится в ничтожных количествах, и такого не происходит, и термосфера разогревается до такой температуры.

FAQ: Атмосфера Венеры5 фактов о температуре и давлении на поверхности второй внутренней планеты Солнечной системы

Дальше, например, потеря вещества планетами. В настоящий момент мы имеем очень точные измерения потоков уходящих газов от Венеры, Земли и Марса. Такие измерения производятся на космических аппаратах, и, когда мы их сравниваем, мы видим, что, оказывается, Земля теряет на порядок больше вещества, чем Венера и Марс. И это вызвало большое удивление ученых, так как раньше считалось, что Земля, которая предохранена магнитным полем, должна терять меньше вещества при взаимодействии с солнечным ветром. На самом деле измерения показывают, что Земля теряет больше вещества, больше газов уходит в результате плазменных процессов из верхней атмосферы нашей планеты.

Другой пример — это динамика атмосфер. Земля и Венера — планеты практически одинакового размера, они получают практически одинаковое количество солнечной энергии. Единственная вещь, которая у них разная, — это скорость вращения вокруг собственной оси. И мы видим кардинальные различия в динамике атмосфер. На Земле мы все привыкли к смене циклонов и антициклонов, то есть к смене погоды — это так называемый волновой режим циркуляции. В то время как Венера совершенно не производит этих циклонов и антициклонов, а вся атмосфера планеты вращается с огромной скоростью, практически как единое целое вокруг твердого тела и со скоростями, достигающими порядка 150 метров в секунду в верхней границе облаков. Эта разница происходит именно из-за того, что Венера обращается очень медленно вокруг собственной оси, плюс, конечно, существуют некоторые различия между Землей и Венерой в том, каким образом и на каких высотах поглощается солнечная энергия планетой.

Интересное сравнение можно сделать, если сравнивать температуры на поверхности планет — так называемый парниковый эффект. Это разница температуры поверхности между реально существующей планетой с атмосферой и гипотетической планетой, откуда атмосфера убрана. Например, для Венеры эта разница составляет порядка 500 градусов. На Земле парниковый эффект также существует, но он гораздо меньше — около 30–40 градусов. На Марсе, который обладает атмосферой в сотню раз более слабой, чем у Земли, этот парниковый эффект составляет всего-навсего 5 градусов.

Сравнивая парниковый эффект, мы видим, каким образом работают различные газы при различных температурах и плотностях атмосферы.

Основной парниковый газ в атмосфере Венеры — это двуокись углерода, он присутствует там в огромных количествах, именно это разогревает поверхность. На Земле он присутствует в достаточно маленьких количествах, но все же он работает и создает парниковый эффект около 30–40 градусов. И, как вы знаете, мы боремся сейчас с тем, чтобы предохранить нашу атмосферу от выброса в нее антропогенного CO2. Но не надо забывать, что в принципе эти 30–40 градусов парника, которые создаются такими газами, как двуокись углерода и водяной пар, создают нам комфортные условия. Без них все бы на Земле давно замерзло.

Можно сказать, что сейчас сравнительная планетология и вообще планетная наука переживает некий бум. Я бы сравнил это с эпохой Великих географических открытий в XV–XVII веках, когда люди действительно вырвались за пределы Европы, начали познавать, что существуют какие-то новые страны за горизонтом. В такой же ситуации находится и планетная наука. Мы сейчас более-менее освоили такие планеты, как Луна, Марс, Венера, мы уже собираемся лететь к Юпитеру — там уже были космические аппараты, мы уже видим в телескопы планеты у других звезд. И я надеюсь, что эта эволюция будет продвигаться вперед, мы будем больше и больше знать о планетах не только нашей Солнечной системы, но и других звездных систем.

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Европейского космического агенства, Max-Planck-Institute for Solar System Research, научный руководитель проекта JUICE, лауреат EGU D. Bates Medal
Узнал сам? Поделись с друзьями!
  • Алекс Титов

    Странное утверждение про якобы сходство Венеры и Земли. Это утверждается, не имея точных данных о составе и структуре внутренностей планет и их точной истории развития. Напоминает игру наперсточника, только в науке- то утверждают что » слабая гравитация Марса не способна удержать приличную атмосферу», то с легкостью принимается, что Венера при чуть меньшем размере имеет давление у поверхности порядка ста земных атмосфер и гравитация вроде ни при чем. Жоглирование фактами превращает науку в мошенничество.

  • Artem Blinov (Artay)

    Это не жонглирование фактами.
    1) Известны газы, составляющие атмосферы планет (улетают в основном легкие).
    2) Известны массы планет (Марс ~ 0.1 от массы Земли, Венера ~ 0.8 от массы Земли).
    3) Советский аппарат побывал на поверхности Венеры.

    Размер в данном случае значения не имеет, все решает масса.

  • Anatoly Mospan

    По непонятной причине учёные не придают значения решающему вкладу в плотность атмосфер планет наличие относительно крупных и близких спутников. Из 8 планет С.системы только у трёх каменных планет слабая атмосфера. Маленький Меркурий не способен удерживать газы возле себя при таком близком Солнце. Остаются Земля и Марс. Марс мог изначально обладать такой же атмосферой как и Венера, но мощные приливные силы от очень близкого Фобоса интенсивно дегазировали его атмосферу.
    С Землёй то же самое, ведь Луна раньше была значительно ближе к Земле, подготовив тем самым её к зарождению жизни. Можно смело утверждать, что мы обязаны Луне замечательной жизнью на нашей прекрасной планете!

  • В_Южный

    Не согласен с автором, что Венера совершенно не производит циклонов-антициклонов в своей атмосфере. В последние годы на ней открыты мощнейшие пАрные вихри в районе полюсов. То же касается коры Венеры. Предположение (именно так!) о том, что Венера — планета того же возраста, что Земля и другие планеты, а нынешний вид, физика поверхности обусловлены неким «взломом коры и залитием лавой» поверхности — весьма неубедительно и ничем не доказывается. Наблюдения показывают, что кора Венеры формируется сейчас. Логичнее предположить, что Венера — очень молодая планета, 500-800млн.лет, аналог земного катархея 4 — 4.5 млрд лет назад. От тех времён и на Земле остались (в виде отдельных блоков коры) изменённые базальтовые породы — архейские зеленокаменные пояса. И зачатки плит на Венере есть — выделяется несколько типов коры разного возраста. Континентальной коры, плит — пока нет; до них Венере развиваться ещё сотни млн. лет.

  • Vladimir

    Ну во первых вот вам, абсолютно не научная точка зрения, Юпитер изрыгнул Венеру (что согласуется с наклоном оси собственного вращения планеты), Сказка про остров буян. Гвидон — ныне Луна Земли, Венера — Лебедь белая.
    Раз всё это на памяти людской то ни о каких миллионах лет речи быть не может. Потому и горячая, потому и углекислый газ. Парниковый эффект — бред, на Земле всё лишнее поглощает океан.
    Да и гравитация Венеры больше Земной, примерно в 1,22 раза.
    Самый простой способ остудить данную планету, это взорвать её, или столкнуть с другим телом, дабы она лопнула. Избыток гравитации при меньшем размере объёма говорит о повышенном внутреннем давлении недр. По этому, если удастся проломить кору Венеры и ударной волной дестабилизировать её нутро, то планета, практически мгновенно (от 5 мин до 6 часов) расширится (как Земля, как Марс), при этом запустится процесс перекристаллизации вещества планеты в сторону увеличения количества материи, при снижении нуклонного содержания элементов. Как показывают результаты подобных процессов на Земле (с раздвижением континентов и образованием (намерзанием) Марианской впадины) и на Марсе (одно полушарие меньше другого на 3 км) — Диаметр планеты вырастает примерно в 1,414 раза, а площадь поверхности в двое, с одновременным охлаждением мантии и увеличением толщи коры с 3,2 -4км до 36 км у Земли и с 3 км до 8-10 км у Марса.
    для Венеры это приведет к увеличению её диаметра и гравитации, при падении температуры и давления атмосферы за счет увеличения площади планетоида, а учитывая, что Земля при этом поменяла направление вращения, возможное приобретение Венерой реального осевого вращения.

    Опубликовано материалов
    03586
    Готовятся к публикации
    +28
    Самое читаемое за неделю
  • 1
    ПостНаука
    5 101
  • 2
    Татьяна Тимофеева
    2 575
  • 3
    Роман Бевзенко
    1 493
  • 4
    Сергей Афонцев
    1 477
  • 5
    ПостНаука
    747
  • Новое

  • 5 101
  • 747
  • 2 575
  • 1 477
  • 1 493