Одна из задач современной планетологии и, в частности, такого направления современной планетологии — это исследование процессов потери планетами и другими объектами Солнечной системы их атмосфер. И здесь существует два глобальных механизма потери — это либо испарение, либо истечение самых верхних слоев. И это все зависит от того, где это небесное тело, планета, как далеко расположена от своей звезды. Если позволите, я приведу непрямой аналог того, какое различие между испарением и истечением. Вот мы кипятим молоко, мы хотим его погреть, и если мы стоим около плиты и смотрим, перемешиваем ложкой, то происходит испарение, и вовремя его убираем; если же мы зазевались и, к несчастью, наше молоко убежало, то с точки зрения математики это режим истечения для атмосфер. Когда мы хотим узнать, какая была атмосфера в самом начале эволюции планеты, то есть в начале молодой Солнечной системы, и что с ней происходит сейчас, то мы должны привлекать довольно сложный математический аппарат, описывающий эти потери атмосферы либо за счет испарения, либо за счет истечения. Этот вопрос очень актуален, скажем, для Марса сейчас.
Мы знаем, что есть три планеты земного типа с атмосферой: Венера, наша Земля и Марс. С точки зрения астрономии они родились в одной точке пространства, потому что масштабы не очень сильно различаются. Удивительный итог их эволюции за 4,5 миллиарда лет: Венера, где горячая, очень плотная атмосфера, совершенно непригодная в данный момент для жизни, очень высокое давление; наша Земля, где, собственно, встречается жизнь (мы являемся ее представителями), с очень благоприятным климатом; холодный и, по-видимому, в настоящий момент безжизненный Марс. У них исходно были одинаковые атмосферы, на всех трех планетах были океаны воды и так далее. Что случилось за это время? Огромное, конечно, время — 4 миллиарда лет. Это как раз та область, в которой работали процессы атмосферы. И вот сейчас около Марса летает космический аппарат NASA MAVEN, у которого прямая цель: исследовать те процессы, которые вызвали потерю. И наши модели, которые мы разрабатывали и разрабатываем, какова структура атмосферы Марса, как он теряет атмосферу, сейчас очень благоприятная ситуация, когда мы их можем проверить. И первые результаты миссии MAVEN — эта миссия подтверждает, что есть так называемые фотохимические источники потерь и механизмы потери атмосферы, есть механизмы потери за счет взаимодействия с плазмой солнечного ветра. Но оказалось (и это их первые результаты, это предсказывалось и ранее), что на самом деле губительными для Марса оказались вспышки на Солнце, спорадическая солнечная активность, когда неожиданно происходит выброс плазмы, так называемые корональные выбросы массы Солнца. Приходит это облако плазмы — и планете не повезло: она как раз встречается с этим облаком плазмы.
Эта плазма проникает достаточно глубоко, происходит ионизация, очень сложный целый комплекс процессов, и эта плазма уносит достаточно большую часть атмосферы. Первые результаты миссии MAVEN показали, что спорадические явления на Солнце, солнечная активность в форме корональных выбросов массы, вспышки — все это очень существенно влияет на состояние атмосферы. В частности, для таких небольших планет, как Марс, это приводит к достаточно большим потерям атмосферы, то есть это характерный пример истечения. Существуют различные процессы формирования планетных ветров, когда просто вещество утекает от планеты. И в это же время атмосфера Марса подвержена воздействию ультрафиолетового излучения с Солнца, происходит нагрев атмосферы, формируются надтепловые горячие частички, которые поднимаются в верхние слои атмосферы и могут убегать из атмосферы. А почему же у Венеры и нашей Земли атмосферы сохраняются? То есть они теряются, но их доля потери очень мала. Гравитация играет существенную роль, потому что Марс по массе в 10 раз меньше, чем Земля, и поэтому легче уйти надтепловым частичкам из атмосферы. Для Земли еще, конечно, существенно присутствие магнитного поля, которое защищает нас от солнечного ветра. Процессы потери атмосферы характеризуются как тепловые и нетепловые в зависимости от физических явлений, происходящих в атмосфере. Тепловые — это просто когда атмосфера нагревается, горячие частички поднимаются, движутся вверх, если у них достаточно тепловой энергии, они могут убегать из атмосферы в открытое космическое пространство. Нетепловые — это когда начинается какая-то химия внутри либо взаимодействие с солнечным ветром.
Эти нетепловые процессы характеризуются достаточно большой энергетикой, и они приводят тоже к формированию уже потоков, которые занимают пограничное значение между испарением и истечением, различные процессы, приводящие к потере, то есть фотохимия или взаимодействие с солнечным ветром. Почти для всех тел, которые я упоминал, — для Венеры, Земли, Марса, Титана — существуют математические модели. Благодаря измерениям космическими аппаратами в окрестностях этих тел мы можем совершенствовать наши модели и предсказать, что же произойдет, это в данный момент. Но нам всегда интересно: а что же было раньше, почему такие изменения произошли?
И наши попытки вернуться назад во времени достаточно сильно ограничены с математической и физической точки зрения, потому что мы не всегда знаем, какие условия были тогда, как светило Солнце, и так далее. Но с открытием других экзопланетных систем сейчас мы знаем более 1200 планетных систем у других звезд и другие звезды разных возрастов на разных стадиях, то есть молодые звезды, звезды, сходящие с основной последовательности, светящие достаточно долго. Мы сейчас знаем, что происходит, как формируются планетные системы, как эволюционируют, какова структура таких планетных систем у других звезд. Мы уже можем вернуться по времени и к истории Солнечной системы. Потому что на Земле у нас есть геологические свидетельства только до 4 миллиардов лет назад, что происходило, какая могла быть атмосфера, а самое интересное время — первые полмиллиарда. Мы знаем из общей теории формирования планетных систем, что у нас были первичные атмосферы — это те атмосферы, которые были накоплены протопланетами, планетами на стадии формирования из протопланетного облака. Это в основном водород-гелиевые атмосферы, которые сейчас у больших планет, у планет-гигантов те первичные атмосферы, очень большие планеты их сохранили, они практически мало чего потеряли.
А наши планеты, планеты земного типа — это самые интересные для нас планеты, потому что основная задача и астрономии, и астрофизики, и, наверное, всего естествознания — все-таки разобраться, как возникла наша Вселенная, наша Солнечная система, наша планета Земля, как возникла жизнь и что же будет дальше. И поэтому эти процессы, о которых я говорю, — процессы диссипации, или потери, атмосферы — неожиданно были востребованы именно для анализа ранних стадий формирования планетных атмосфер. И сейчас существует несколько достаточно хорошо физически обоснованных моделей, как менялась атмосфера Земли с самых ранних стадий (я опять возвращаюсь к Земле, она была совсем другой, чем сейчас), как это все во времени менялось, как на это влияло Солнце и что с этой атмосферой произойдет, когда Солнце будет эволюционировать дальше.
Есть разные оценки, но в среднем говорят о 4 миллиардах лет, когда Солнце станет белым карликом, то есть расширится до овала. Атмосфера Солнца расширится почти до орбиты нашей планеты, до орбиты Земли, и тогда, естественно, горячая плазма Солнца практически сдует всю атмосферу с нашей планеты, и она станет чем-то похожим не на Венеру, но на безжизненные планеты, которые мы видим в других планетных системах. И поэтому у нас есть интерес к тому, что же будет с Марсом, какая там атмосфера, почему так все случилось, потому что рано или поздно человечеству придется задуматься о том, что надо будет переселяться на какие-то другие объекты. Эти процессы потери атмосферы, та математика, которая заложена в исследования таких объектов, будут работать и для решения таких глобальных, где-то философских проблем современного естествознания и, в частности, исследования планетных атмосфер.
