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.

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.

Рекомендуем по этой теме:
10899
Бозон Хиггса

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.

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.

Рекомендуем по этой теме:
12304
FAQ: Атмосфера Венеры

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.