ПЛАНЕТЫ ЗЕМНОЙ
ГРУППЫ
В.В. Бусарев
ГАИШ
Планеты земной группы — это четыре планеты:
Меркурий, Венера, Земля и Марс, из которых наибольшей
является Земля, и она же имеет наибольшую плотность.
•
Планеты земной группы состоят главным образом из (в порядке уменьшения обилия)
кислорода, кремния, железа, магния, алюминия и др. тяжёлых элементов.
•
Все планеты земной группы имеют похожее внутреннее строение:
─ в центре ядро преимущественно из железа с примесью никеля;
─ мантия, состоящая из силикатов (главными хим. элементами которых являются О, Si, Al,
Fe2+, Fe3+, Mg, Mn, Ca, Na, K и др.);
─ кора, образовавшаяся в результате частичного плавления мантии и состоящая из
силикатных пород, но обогащённая несовместимыми элементами (это те элементы, которые
не подходят по размеру и / или заряду для участков катионов минералов, в которые они
включены; они концентрируются в расплаве, тогда как совместимые элементы
концентрируются в твердом теле).
Литосферой называется твердая оболочка, включающая кору и верхнюю часть мантии. Из
планет земной группы коры нет у Меркурия, что объясняют её разрушением в результате
метеоритной бомбардировки.
Общие физические характеристики планет
Солнечной системы
Осевой момент инерции
•
•
•
Большое значение для исследований внутренней структуры планет и их
спутников имеют их безразмерные моменты инерции. Моментом
инерции механической системы относительно неподвижной оси («осевой
момент инерции») называется величина Jа, равная сумме произведений
масс всех материальных точек системы (n) на квадраты их расстояний до
этой оси.
Безразмерный момент инерции тела радиуса r и массы m равен отношению
его момента инерции относительно оси вращения к моменту инерции
материальной точки той же массы относительно неподвижной оси
вращения, расположенной на расстоянии r (равному mr2). Эта величина
отражает распределение массы по глубине.
Для тонкостенной сферы безразмерный момент инерции равен 2/3 (~0.67),
для однородного шара — 0.4, и вообще тем меньше, чем большая масса
тела сосредоточена у его центра. Например, у Луны безразмерный момент
инерции близок к 0.4 (равен 0.391), поэтому предполагают, что она
относительно однородна, её плотность с глубиной меняется мало.
Безразмерный момент инерции Земли меньше, чем у однородного шара
(равен 0.335), что является аргументом в пользу существования у неё
плотного ядра.
Физические характеристики планет Солнечной
системы
Безразмерный момент инерции
Меркурий
- наименее
изученная
планета
земной
группы.
Меркурий похож
на Луну
Меркурий
Орбита: e = 0,2056; rп-а = 46 - 70 млн. км;
Vср. орб. = 47,9 км/с:
Периоды: TОбр= 87,97d; TВр= 58,64d;
(TВр / TОбр= 2/3) – резонанс 2 : 3;
Tсут= 175,9d – солнечные сутки; iэо = 0,01º; I/MR2 = 0,324.
Перепад высот ΔH = 9,9 км.
Уск. св. пад.: 0,38 зем. (у Луны - 0,17 зем.)
М =0,82 зем.; ρ =5,43 г/см3; VКр. = 4,2 км/с
Темпер-ра пов. 90–700 К (-183÷187ºC); Атм.
(экзосфера): ~10-15 бар:
31,7% К; 24,9% Na; 9,5% О2; 7,0% Ar; 5,9% He; 3,2% N; 3,6%
CO2; 3,4% H2O; 3,2% H2
Маг. поле: 7x10-3Гс на п. (0,7% земн.), 12º - накл. оси диполя
Съемка
~45%
поверхности
Меркурия выполнена КА «Маринер10» (НАСА) в 1974 г. и продолжена
«Мессенджером» (НАСА) в 2008 г. и
в 2011 г. В 2015 году зонд
«Мессенджер» упал на Меркурий,
предположительно образовав 15-м
кратер.
BepiColombo - ESA/JAXA миссия к
Меркурию (старт состоялся 20
октября 2018).
Полёт продлится 7,2 года. После 9 грав.
маневров прибытие в район Меркурия
ожидается в декабре 2025 г.
к оси вр. (у З. 11º).
Луна
Мозаика снимков Меркурия,
сделанных "Маринером-10" в
(1974 г.)
Характерные черты рельефа:
Равнина Зноя,
уступ (или эскарп) Санта Мария
КА «Messenger»(NASA)
•
•
Запуск – 2004 г.
Три пролета у Меркурия – 20062008 г.
• Выход на орбиту вокруг Меркурия
(высота орбиты над пов. Меркурия –
200÷15000 км) – 2011 г.
→
Магнетосфера М. плохо защищает его
от солнечного ветра.
Напряженность магнитного поля (МП) Меркурия,
измеренная в 2008 г. с помощью КА «Мессенджер»
Другие единицы измерений напряженности МП:
В системе СГС связь гаусса с теслой: 1 G = 10−4 T = 100 μT (микротесла) ;
в геофизике связь гамма с теслой: 1 γ = 1 nT (нанотесла)
Снимки вулканов на Меркурии, полученные "Мессенджером"
Снимки Меркурия, полученные "Мессенджером"
Полная карта поверхности Меркурия составлена в 2009 г.
(по снимкам "Маринера-10" и "Мессенджера")
Поверхность Меркурия («Мессенжер», 2008 г.) с более высоким
разрешением (до ~1 км) с расстояния ~ 18 000 км.
Более гладкие (менее кратерированные → более молодые) лавовые
равнины, состоящие из горных пород базальтового типа (как и вулканич.
породы на Земле и Луне) покрывают ок. 6% пов-ти Меркурия.
Структура вулкана у NP
Меркурия
Данные «Мессенжера» показали, что
вблизи Сев.П. Меркурия
вулканич. равнины очень
распространены. Толщина
лавового покрова достигает 2
км. Обнаружены б. светлые
структурированные вулканич.
депрессии, кот. продолжают
формироваться в наст. время.
Другие открытия сделанные по
данным «Мессенжера»:
1)
На поверхности М. много
радиоактивного К, мало Fe
(обильного в корах др. планет) и
есть сера.
2)
Вблизи полюсов в экзосф. М.
образуется больше Na, чем К.
3)
Имеются признаки
расплавленного ядра М.
4)
Центр магн. поля М. сильно
смещен к Сев.П. (на 20% по
радиусу), где оно в 3,5 р.
cильнее, чем на Юж.П — более
сильные потоки заряж. частиц
направлены на Юж. полушарие.
Разноцветная кратерированная поверхность Меркурия
(«Мессенжер», сентябрь 2011 г.)
Разрешение ~ 420 м.
Окончание миссии «Мессенжер» (управляемое падение аппарата
на поверхность Меркурия 30 апреля 2015 г., что привело к появлению нового ~15-м
кратера на обратной стороне М.)
и ее результаты
55-км вулкан, засыпанный пылью (73 м/пикс)
55-км вулкан, засыпанный пылью (73 м/пикс)
•
1525-км вулканич. бассейн Калорис
(толщина лавового материала - 2-3
км).
Лед у полюсов Меркурия?
•
Радиолокационные
изображения
северного
полюса Меркурия, полученные
в июле 1999 г. в Аресибо.
Наблюдаемые яркие детали
(подобные
по
пар-рам
марсианским
полярным
шапкам) считаются залежами
льда в постоянно затененных
кратерах (размер изобр-я ~450
км в поперечнике, разр. – 3 км).
•
Единственные
места
на
Меркурии,
где
могут
существовать
холодные
условия, – вблизи полюсов. В
отличие от Земли, где 23,5°наклон оси вращения планеты
дает смену сезонов, ось
вращения Меркурия наклонена
к пл. орбиты только на 0.01 °
(но наклонение пл. орбиты к
пл. эклиптики ~ 7°).
Лед у полюсов Меркурия
•
•
•
Меркурий — это ближайшая к Солнцу планета, из-за чего на его
поверхности в дневное время температура превышает 400 градусов
Цельсия. Также из-за такого положения планета испытывает сильное
влияние потока частиц от светила — солнечного ветра. Это приводит к
экстремально низкой плотности атмосферы, потому что газы
покидают ее под давлением солнечной плазмы.
Наземные радарные сканирования Меркурия, а также данные
нейтронного спектрометра и лазерного альтиметра на борту аппарата
MESSENGER, выходившего на орбиту планеты, указывают на наличие
залежей водяного льда в приполярных кратерах, постоянно
находящихся в тени. Считается, что она попала вместе с астероидами
и кометами, однако не исключено, что существуют местные
механизмы синтеза воды под действием солнечного ветра.
На дневной стороне планеты под действием протонов солнечного
ветра содержащиеся в реголите гидроксильные группы (OH-) могут
отделяться и превращаться в воду. Эти молекулы может ждать разная
судьба:
фотодиссоциация
под
ярким
излучением
Солнца,
улетучивание в космос или осаждение в приполярных регионах.
Результаты
проведенного
в
исследовании
моделирования
показывают, что до десяти процентов накопленного льда может быть
связано с данных механизмом.
Лед у полюсов Меркурия
•Ученым давно известно образование гидроксила при взаимодействии
протонов с оксидами металлов. Считается, что именно этот процесс
ответственен за появление линии поглощения на длине волны 2,8 микрон,
наблюдаемой на поверхности Луны и некоторых астероидов, которые в
значительной мере состоят из оксидов алюминия, кальция, железа и магния.
С течением времени присоединенных гидроксильных групп будет
становиться все больше, а появление новых замедлится, зато увеличится
образование молекулярного водорода и воды. Баланс выхода этих веществ
управляет температурой поверхности, концентрациями и связанными с
соответствующими химическими реакциями энергиями активации.
•Ключевыми условиями для эффективного образования воды являются
высокий поток протонов и высокие температуры. Так как магнитное поле
Меркурия примерно в сто раз слабее земного, то его способность отклонять
заряженные частицы намного ниже. В результате у планеты формируются
интенсивные потоки заряженных частиц, проникающие в толщу грунта
примерно на десять нанометров.
•Моделирование с учетом возможных путей миграции предсказывает
накопление порядка ~1 т воды в приполярных кратерах на протяжении трех
миллионов лет. Это может составлять порядка десятой доли всей
находящейся там воды. Таким образом, несмотря на главенствующую роль
комет и астероидов в появлении воды на Меркурии, местный механизм
синтеза также может оказаться существенным.
Разреженная (экзосфера)атмосфера
Меркурия
• Экзосферу Меркурия составляют атомы, захваченные
из солнечного ветра или выбитые солнечным ветром с
поверхности, — гелий, натрий, кислород, калий, аргон,
водород. Среднее время жизни отдельного атома в
атмосфере — около 200 суток.
•
Присутствуют водяные пары, выделяющиеся в результате ряда
процессов, таких как удары комет о поверхность планеты,
образование воды из водорода солнечного ветра и кислорода,
содержащегося в оксидах пород и минералов, сублимация льда,
который, возможно, находится в постоянно затенённых полярных
кратерах, что, вероятно, подтверждается нахождением множества
связанных с водой ионов, таких как O+, OH− и H2O+.
Меркурий в прошлом был спутником Венеры?
•С XIX века существует гипотеза, что Меркурий в прошлом был спутником
планеты Венеры, а впоследствии был ею «потерян». Отрыв Меркурия от
Венеры и его сближение с Солнцем (был вариант и удаления от Солнца),
хорошо объясняет большой эксцентриситет орбиты Меркурия,
резонансный характер обращения Меркурия вокруг Солнца и малые
вращательные моменты и Меркурия и Венеры. Этим же можно объяснить
и обратное вращение Венеры вокруг своей оси, разогрев поверхности
планеты и возникновение плотной атмосферы. Согласно др. модели на
заре формирования Солнечной системы прото-Меркурий почти по
касательной столкнулся с прото-Венерой, в результате чего значительные
части мантии и коры раннего Меркурия были рассеяны в окружающее
пространство и потом собраны Венерой.
• Численное моделирование орбит. динамики Венеры и Меркурия, в Naval
Observatory (Washington, D.C. USA) в 1975 г. показало, что довольно высока
вероятность того, что Меркурий был спутником Венеры и вырвался из её
грав. поля в возрасте ~500 млн. лет с начала формирования Солнечной
системы.
Модель внутреннего
строения и возможное
происхождение Меркурия
•Металл. ядро ~3/4R, возможно, в част. жид. сост. (есть
м. п.). Оно д. б. остыть, но не остыло из-за с высокого
содержания S.
•Подплавление верх. слоев ядра м. б. вызвано диссип.
энергии приливных возмущений при движении по
эксцентричной орбите.
•Астрономы из США и Японии (2019 г.) предложили
новое объяснение, почему у Меркурия большое ядро по
сравнению с мантией. Ранее предполагалось, что
причиной аномалии стали частые столкновения с
другими космическими телами на ранних этапах
существования Солнечной системы, в результате
которых большая часть мантии была разрушена. Однако
новая модель показывает, что это не так. О разгадке
тайны формирования ядра самой близкой к Солнцу
планеты рассказывается в журнале Progress in Earth and
Planetary Science.
• Было показано, что плотность, масса и содержание железа в ядре скалистой планеты зависит от
удаленности ее орбиты от Солнца. Содержание металла в ядре падает с расстоянием планеты от
родительской звезды. В ранней Солнечной системе, когда Солнце было окружено облаком пыли и
газа, частицы железа притягивались к центру магнитным полем Солнца. Пыль и газ, которые не
попали на Солнце, при остывании слипались. Сгустки, расположенные ближе к Солнцу, подвергались
воздействию более сильного магнитного поля и, таким образом, содержали больше железа, чем те,
которые находились дальше от Солнца. Когда сгустки сливались и охлаждались, образуя
вращающиеся планеты, железо опускалось к ядру.
•Когда эта модель была использована для расчета содержания металлов и плотности у современных
планет, то обнаружили, что предсказанные градиенты соответствуют наблюдаемым. У Меркурия
имеется металлическое ядро, которое составляет около трех четвертей его массы. Ядра Земли и
Венеры составляют лишь около одной трети общей массы планеты, а Марс, самая удаленная из
каменистых планет, имеет небольшое ядро, которое составляет лишь около четверти его массы.
Проект BepiColombo
Миссия состоит из двух орбитальных станций. Межпланетный зонд запущен к
Меркурию в октябре 2018 г. Прибытие в район Меркурия ожидается в декабре 2025 г.
Специалисты рассчитывают, что обе станции смогут проработать в окрестностях
Меркурия как минимум год.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Задачи, поставленные перед
миссией:
Исследование происхождения и
эволюции планеты, близкой к
Солнцу.
Исследование Меркурия как
планеты: его форма, внутреннее
строение, геология, состав
поверхности, кратеры,
Исследование экзосферы Меркурия:
ее состава и динамики,
Исследование магнитосферы
Меркурия: ее структуры и динамики,
Происхождение магнитного поля
Меркурия,
Исследования полярных отложений:
их состава и природы,
Проверка общей теории
относительности Эйнштейна.
•
Первая станция, Mercury Planet Orbiter (MPO),
разработана агентством ЕКА. Россия также
принимала участие в создании этого модуля:
с помощью российского прибора МГНС
(Меркурианский гамма- и нейтронный
спектрометр) учёные попытаются найти в
атмосфере Венеры пары воды и изучить
поверхность Меркурия. Эта станция выйдет
на орбиту высотой от 400 до 1500 км над
поверхностью Меркурия и займется
изучением поверхности планеты. В
частности, планируется
создание мультиволоновой карты
поверхности планеты.
Вторая станция называется Mercury
Magnetospheric Orbiter (MMO). Она
разрабаттана JAXA (Япония). На ММО
установлены пять научных приборов, и
орбита его будет более вытянутой.
Ближайшее расстояние до планеты в случае
ММО будет также равно 400 км, а вот
удаляться зонд будет на целых 12 000 км. Эта
часть BepiColombo будет выполнять
изучение магнитосферы Меркурия.
Венера
Основные динамическиепараметры
• a = 108,2 млн. км; e = 0,00676; iэо = 177,36º
• VК = 35,0 км/с; Тобр. = 224,7d; Твр. = -243,02d;
• ТСол.сут.= 116,8d
• I/MR2 = 0,33
У Венеры нет спутников
Два столетия назад была выдвинута гипотеза, что в прошлом
спутником Венеры являлся Меркурий который впоследствии был ею
«потерян». В 1976 г. Том ван Фландерн и Р. С. Харрингтон при помощи
численного моделирования показали, что эта гипотеза хорошо объясняет
большие
отклонения
(эксцентриситет)
орбиты
Меркурия,
его
резонансный
характер
обращения
вокруг
Солнца
и
потерю
вращательного момента как у Меркурия, так и у Венеры. Таким же
образом объясняется приобретение Венерой вращения, обратного
основному в Солнечной системе, разогрев поверхности планеты и
возникновение плотной атмосферы.
Основные физические параметры
g = 0,90 зем.; Rэк.= 0,95 зем.;
М = 0,815 зем.; ρ = 5,24 г/см3; ΔH = 15 км (перепад высот);
VКр.= 10,4 км/с;
Температура: Тэфф.= 224 К;
Температура у поверхност:и Тпов.= 737 К (464 ºС);
Р = 92 бар; Н'0= 15,9 км (высота однород. атм.);
Осн. составл. (%): CO2 96.5%, N2 3.5%
Малые составл. (ppm): SO2 - 150; Ar - 70; H2O - 20; CO - 17; He - 12; Ne - 7,
ср. мол. вес - 43,45 г/моль.
Ветры: ~100 м/с на верх. уров. облаков и 0,3 to 5,0 м/с у поверхн.;
Tвр. обл. = 4-5d в направлении вращения планеты − явление "супер-ротации".
У Венеры очень слабое магнитное поле (магнитный момент Венеры не превышает
5—10 % магнитного поля Земли) и практически отсутствуют радиационные пояса.
Явление суперротации
верхних слоев
атмосферы Венеры
• Линейная скорость ветров на верхнем
уровне облаков ниже широты 50° составляет
около 100 ± 10 м/с, и они являются
ретроградными (так же как направление
вращения планеты). С увеличением широты
ветра быстро ослабевают, и на полюсах
исчезают полностью. Такие сильные ветра
около верхней границы облаков делают круг
вокруг планеты быстрее, чем вращается сама
планета (явление суперротации атмосферы).
Это явление пока до конца не изучено, но его
качественная интерпретация следующая.
•Предполагается, что все ветра на Венере, в конечном счёте, обусловлены конвекцией.
Меридиональные (север-юг) движения воздуха гораздо медленнее, чем зональные ветра (вдоль
экватора). На дневной стороне Венеры атмосфера нагревается и устремляется на ночную
сторону мощным и постоянным потоком ветра, направленным вдоль экватора. На Земле
стабилизации такого потока препятствуют континенты и океаны, «разбивающие» его течение. На
Венере океанов нет (хотя и были), а дополнительное усиление скоростным ветрам придают
воздушные течения т.н. термических приливов:
нагретый воздух в районе экваторов поднимается на высоту и устремляется в противоположных
направлениях, к северному и южному полюсам. Соответственно, холодный воздух из
приполярных и умеренных широт движется в нижних слоях в сторону экватора, образуя
циркуляционную ячейку Хадли. Такие ячейки поддерживают сверхскоростные высотные ветры у
экватора, стабилизируя и ускоряя их течение.
Обнаружение атмосферы Венеры
•
•
Впервые наблюдал прохождение Венеры по диску Солнца 4 декабря 1639
года английский астроном Иеремия Хоррокс. Он же это явление
предвычислил.
В наблюдении этого явления 6 июня 1761 года участвовал
М. В. Ломоносов. Оно наблюдалось во всём мире (в 40 пунктах при
участии 112 человек), но только М. В. Ломоносов обратил внимание на то,
что при соприкосновении Венеры с диском Солнца вокруг планеты
возникло «тонкое, как волос, сияние». Такой же светлый ореол
наблюдался и при схождении Венеры с солнечного диска. М. В. Ломоносов
дал правильное научное объяснение этому явлению, считая его
результатом рефракции солнечных лучей в атмосфере Венеры. И, т. о., он
открыл у Венеры атмосферу и изобрел метод изучения атмосфер
ближайших к звезде планет. Этот же метод используется сейчас для
изучения атмосфер экзопланет (транзитный метод).
Почему у Венеры слабое магнитное
поле, хотя она во многом похожа на
Землю?
По одной из современных теорий напряженность
дипольного магнитного поля (м. п.) зависит от
прецессии полярной оси и угловой скорости
вращения. Именно эти параметры на Венере
ничтожно малы, но измерения указывают на ещё
более низкую напряжённость м. п., чем
предсказывает
теория.
Современные
предположения по поводу слабого м. п. состоят в
том, что в гипотетическом расплавленном
железном
ядре
Венеры
отсутствуют
конвективные потоки.
Венера
не
имеет
магнитного
поля. Причина его отсутствия не ясна,
но, вероятно, связана с медленным
вращением планеты или отсутствием
конвекции в мантии.
Магнитное поле Венеры
Венера
имеет
только
индуцированную
магнитосферу, образованную ионизированными
частицами солнечного ветра. Этот процесс можно
представить в виде силовых линий, обтекающих
Венеру. Индуцированная магнитосфера Венеры
имеет ударную волну, магнитослой, магнитопаузу
и хвост магнитосферы с токовым слоем. В
подсолнечной точке ударная волна находится на
высоте 1900 км (0,3Rv, где Rv — радиус Венеры).
Это расстояние измерялось в 2007 году вблизи
минимума солнечной активности. Вблизи её
максимума эта высота может быть в несколько раз
меньше. Магнитопауза расположена на высоте 300
км. Верхняя граница ионосферы (ионопауза)
находится вблизи 250 км.
Между магнитопаузой и ионопаузой существует
магнитный
барьер
—
локальное
усиление
магнитного поля, что не позволяет солнечной
плазме проникать глубоко в атмосферу Венеры, по
крайней мере, вблизи минимума солнечной
активности. Значение магнитного поля в барьере
достигает 40 нТл. Хвост магнитосферы тянется на
расстояние до десяти радиусов планеты. Это
наиболее
активная
часть
венерианской
магнитосферы
—
здесь
происходит
пересоединение силовых линий и ускорение
частиц. Энергия электронов и ионов в хвосте
магнитосферы составляет около 100 эВ и 1000 эВ
соответственно.
Особенности атмосферы Венеры
•
У Венеры самая плотная среди др. землеподобных планет атмосфера, состоящая гл.
образом из СО2. Это объясняется тем, что на Венере нет никакого круговорота
углерода и органической жизни, которая могла бы перерабатывать его в биомассу.
Венера разогрелась в ранний период своей истории из-за неогранич. парникового
эффекта (СО2. прозрачен в видимом диапазоне для падающего солнеч. излуч-я, но
имеет сильные ПП в ИК-обл. и поэтому поглощает б. часть обратного теплового
излуч-я планеты; остальное ИК-излучение блокируется небольшим кол-вом в атм.
паров H2O). Т.о., водные океаны, которые м. б. на В., полностью испарились, оставив
после себя пустынный пейзаж с множеством плитоподобных скал. Есть гипотеза,
согл. кот. водяной пар из-за слабости магнитного поля поднялся так высоко над
поверхностью, что был унесён солнечным ветром в межпланетное пространство.
•
•
Тумано-подобные облака
В.
находятся на высотах ~ 49-80 км
(три слоя, с ~ 10-км толщиной,
состоящие
из
микронных
капелек 80-% серной кислоты со
следами
соляной,
HCl,
и
плавиковой, HF, кислот).
Плотность у поверхности составляет 67 кг/м3, то есть 6,5 % от плотности жидкой воды на Земле.
Атмосферное давление на поверхности Венеры равно давлению на глубине около 910 метров
под водой. Из-за этого углекислый газ фактически является уже не газом, а сверхкритической
жидкостью. Т. о., нижние 5 км тропосферы представляют собой горячий полужидкийполугазообразный океан СО2.
Проблема фосфина: вероятный признак
анаэробных микробов в атмосфере Венеры?
•Астрофизики Кардиффского университета (Великобритания) и Массачусетского
технологического университета (США) обнаружили в атмосфере Венеры фосфин PH3,
который может иметь биологическое происхождение. Открытие было сделано с помощью
телескопа
Джеймса
Кларка
Максвелла
на
Гавайях
(крупнейший,
15-м,
астрономический телескоп, предназначенный для работы в субмиллиметровом
диапазоне 0,3‒2 мм, между ИК и микроволновым частями спектра) и Атакамской
большой антенной решетки миллиметрового диапазона в Чили (ALMA). Концентрация
частиц фосфина составила 20 на миллиард.
•Фосфин — это бесцветный очень ядовитый газ. На Земле его производят анаэробные,
то есть не требующие наличия кислорода, микроорганизмы. В 2019 году фосфин
предложен в качестве маркера возможной жизни в атмосферах экзопланет (планет у
других звезд). В то же время, обнаружение фосфина не означает автоматически
открытия жизни на Венере, поскольку газ может образовываться в результате
неизвестных природных процессов, которые пока не найдены.
• Умеренный пояс атмосферы Венеры на высотах 55-80 км самое благоприятное место
для существования примитивной жизни на планете, именно там и было открыто наличие
молекул фосфина. При этом газ подвержен разрушению ультрафиолетовым излучением.
Температура в этом поясе атмосферы вполне благоприятная около +30º С. Существует
вероятность, что на планете 2-3 млрд лет назад были хорошие условия для зарождения
жизни и мы видим результат деятельности сохранившихся до нашего времени бактерий.
Необычные свойства атмосферы Венеры
•
•
•
•
Недавние эксперименты с углекислотой и азотом, двумя основными газами
в атмосфере Венеры, показали, что они начинают вести себя необычным
образом при тех давлениях, которые царят у ее поверхности.
Расчеты показали, высокие давления мешают перемешиванию СО2 и азота
и заставляют СО2, как более тяжелый газ, "тонуть" на дно атмосферы
и накапливаться у поверхности, а азот – "всплывать" в ее менее плотные слои
и скапливаться там. В результате этого возникает, как выражаются
планетологи, своеобразный круговорот гигантских "пузырей " того и другого
газа, постоянно движущихся к поверхности и от поверхности Венеры.
Существование этих пузырей может объяснять то, почему "Вега-2" (последний
сов. зонд, изучавший атм. Венены) фиксировала столь большие разбросы
температур – советский зонд, как предполагают планетологи, мог пролетать
через подобные "пузыри" азота и углекислоты при приземлении на Венеру,
температуры внутри которых будут заметно отличаться из-за разных свойств
этих газов.
Конечно, проверка всех этих теорий пока невозможна, так как для их
подтверждения или опровержения нужно провести замеры в концентрации
СО2 и азота у поверхности Венеры. Как надеются ученые, новые спускаемые
аппараты, над созданием которых сейчас думают в НАСА и в "Роскосмосе",
помогут окончательно разрешить загадку последнего советского зонда
у Венеры.
Поверхность Венеры
• На Венере обнаружены тысячи древних
вулканов,
извергавших
лаву,
сотни
кратеров, горы. Поверхностный слой (кора)
очень
тонок;
ослабленный
высокой
температурой, он слабо препятствует
выходу лавы наружу. Многочисленные
протяженные
лавовые
потоки
—
характерная
особенность
поверхности
Венеры. Два венерианских континента —
Земля Иштар и Земля Афродиты — по
площади не меньше Европы каждый. Но по
протяжённости самыми большими на
Венере
являются
каньоны
Парнгэ,
названные в честь хозяйки леса у ненцев.
Низменности, похожие на океанские
впадины, занимают на Венере 1/6
поверхности. Горы Максвелла на Земле
Иштар возвышаются на 11 км над
средним уровнем поверхности.
Всем районам Венеры (за искл. гор
Максвелла и областей Альфа и Бэта)
даны женские имена, в т. ч. русские:
Земля Лады, равнина Снегурочки и
каньон Бабы-Яги.
Ударные кратеры — сравнительно
редкий элемент поверхности Венеры: на
всей планете их лишь около 1000. Это
признак молодости ее поверхности по
причине частых лавовых излияний.
Ударный кратер на Венере →
←Лавовое русло
по радио-лок. (РЛ) данным.
90 % поверхности
Венеры покрыто
застывшей базальтовой
лавой.
Ударные кратеры и вулканы Венеры
(Magellan, NASA, 1990;
РЛ, разрешение 120-126 м)
Русла и деформационные структуры
(Magellan, NASA, 1990; РЛ, разрешение 120-126 м)
Архивные данные подтвердили наличие на Венере
необычной тектоники плит
•Причина кардинальной разницы между Землей и Венерой пока до конца не известна. Но
отчасти это может быть связано с различиями в строении и динамике недр Венеры и Земли.
Литосфера Земли состоит из обширных плит, плавающих на поверхности расплавленной
мантии, которая, перемешиваясь, постоянно и активно их перемещает, «наращивает» новые
океанические плиты и сталкивает континенты. Существует ли эта тектоника плит на Венере, до
сих пор в точности было не ясно.
•Некоторые данные указывают, что кора соседней планеты слишком толста и массивна, чтобы в
ней существовали такие движения. Однако многие ученые считают, что тектоника на Венере
существует, хотя и в более ослабленном виде. Ее литосферные плиты теснее связаны друг с
другом и перемещаются намного слабее, чем на Земле. Тем не менее, движение существует —
и его удалось продемонстрировать с помощью архивных данных, собранных еще в начале
1990-х космическим аппаратом NASA Magellan.
Космические исследования поверхности
Венеры
С 1967 по 1975 г. СССР запустил к Венере 7 КА серии "Венера", а США - 2 КА серии "Маринер".
Уже в октябре 1967 г. с пом. "Венеры-4" б. установлен осн. состав атм. планеты а также сделана
оценка высокого атм. давления, кот. б. зарегистрированы спуск. ап. "В-8" в 1972 г. (93 бар и 477
ºС). Большим успехом было получение панорам. изобр-й пов-ти В. спуск. ап-ми "В-9" и "В-10" в
окт. 1975 г. Сп. ап-ты "В-13" и "В-14" (1981 г.) совершили посадку на пов. В. в обл. Фебы. С их
пом. б. получены новые пан. изобр., одно из кот. представл. на слайде, а также сделан анализ
состава грунта. С пом. "В-15" и "В-16" (1983 г.) б. осущ. радилокац. обзор пов. В. (с выс. 10002000 км с разр. ~ 1-2 км по местности и 30м по высоте, а также ИК-фурье-спектрометрия в
диапаз. 6-40 мкм. Радилок. обзор пов. В. б. продолжен ам. КА "Магеллан"(НАСА) в 1989-1994 гг. с
разреш. 100-300 м по пов. и 30-50м по выс. По радар. данным б. построены карты повти В.
Поверхность Венеры является молодой по геологическим меркам — менее 800 млн. лет.
Поверхностные породы близки по составу к земным осадочным породам. В составе грунта
преобладает кремнезём (SiO2) – (45,1 – 48,7%), окись алюминия (Al2O3) – (15,8 – 17,9 %), окись
магния MgO – (8,1 – 11,5%) и прочие окислы (CaO, FeO, K2O, MnO и др.).
Геологическая структура поверхности Венеры по данным КА "Венера-15 и
16" (1983-1985 гг., СССР) и "Магеллан" (1990-1994 гг., НАСА)
• -
Есть протяжённые застывшие лавовые потоки, как признак их сверх-вязкости.
Как ни странно, на Венере, в отличие от Марса, не обнаружено значимых признаков
ветровой эрозии; атмосферный перенос пыли и песка имеет ограниченный
характер.
На снимках — изображения, центрированные на значения в. долгот 90º и 180º.
Геологическая структура поверхности Венеры
КА "Венера-15 и 16" (1983-1985 гг., СССР) и "Магеллан" (1990-1994 гг., НАСА)
Изображения, центрированные на северный (слева) и южный (справа)
полюса.
Крупнейшие
геологические
образования
на Венере:
•
•
•
Горные массивы: Земля
Афродиты, Земля Иштар,
области Альфа и Бета.
Равнины
или
низменности: Гуиневера,
Седны, Снегурочки и др.
Hа изображениях 98%
поверхности
планеты,
полученных
"Магелланом"
удалось
обнаружить около 930
ударных
кратеров
с
диаметром от 2 до 280 км
(распределенных
случайным образом →
что указ. на "молодость"
всей коры В.).
Модели внутреннего строения
•
•
•
Ранее считали, что тектонические
процессы
на
Венере
были,
аналогичны мантийной конвекции
Земли. Венера и Земля похожи по
размеру и по состава. Однако, на
Венере
не
обнаружено
никаких
признаков тектоники плит, и поэтому
В. м. иметь сплошную кору, что делает
ее непохожей на Землю.
Состав равнин Венеры исследовался
несколькими советскими КА. Эти
измерения показывают, что они
состоят из базальтов. Возможно
также, что поверхность может быть
более богата кремнеземом, чем на
Земле. Эти наблюдения позволяют
предположить, что коровый материал
Венеры
выделился
из
мантии.
Толщина коры В. составляет от 25 до
40 км, а в некоторых районах – от 50
до 60 километров.
Отсутствие магнитного поля ставит
под вопрос наличие конвекции в
жидком ядре Венеры или оно
является твердым.
Земля как
планета
Основные параметры
Динамические: а = 149,6 (147.09-152.10) млн. км; е = 0,0167;
VК =29,8 (29,3-30,3) км/с; Tобр.с= 365,26d; Tобр.т= 365,24d;
iэо = 23,44º; Tвр.зв.= 23,94h; Tвр.сол= 24,00h
Физические: М = 5,96х1024 кг; Rэкв.= 6378,1 км; Rпол.= 6356,8 км;
ρ = 5,52 г/см3; g = 9,78 м/с2; VКр.= 11,2 км/с; I/MR2 = 0.331;
перепад высот ΔH = 20 км;
Тэфф.= 254,3 К; рv= 0,367; солнечная постоянная - S0= 1367,6 Вт/м2
Изменение солнечной постоянной
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ
Газ
Объемное содержание, %
(P0= 1,014 бар; высота однородной атмосферы H0 = 8,5 км)
Водород H2
~ 2·10–5
Кислород O2
21
Озон O3~
10–5
Азот N2
78
Углекислый газ CO2
3·10–5
Водяной пар H2O
~ 0,1
Угарный газ CO 1,2·10–4
Метан CH4
1,6·10–4
Аммиак NH3
~ 10–5
Двуокись серы SO2
~ 5·10–9
Гелий He
5·10–4
Неон Ne
1,8·10–3
Аргон Ar
0,9
Криптон Kr
1,1·10–4
Ксенон Xe
8,7·10–6
Ср. мол. вес
29,0 г/моль
Структура земной астмосферы
Тропосфера: 80% массы атм. и 90% H2O; облака, перенос
тепловой энергии турбулентностью и конвекцией с градиентом
Т 6,5º/км. Тропопауза (h = 12-19 км).
Стратосфера: 20% массы атм., Т↑ с гр. 3,4º/км, слой озона
О3 (h = 15-25 км), стратопауза (h = 48-50 км).
Мезосфера: 0,3% массы атм., Т ↓ с гр. 3,8º/км, луч.
перен. эн., фото-хим. проц. с уч. своб. рад. и колеб.возб. мол. выз. свечение. атм., мезопауза (Тмин.атм.≈-90-110ºС).
Термосфера: 0,05% массы атм., Т↑ с гр. 15,9º/км до ≈
1500ºС, термопауза (h = 200-1000 км)
На основании электрических свойств в атмосфере
выделяют нейтросферу и ионосферу.
Кинетическая энергия отдельных частиц на
высотах
200—250
км
соответствует
температуре ~1500 °C. На высоте ~ 20003500 км экзосфера постепенно переходит в
так
называемый
"ближнекосмический
вакуум", кот. Заполнен в основном Н.
В авиации граница между атмосферой Земли
и космосом называется линией Кармана (h ≈
100 км). Она введена, т.к. до высот 60-90 км
ещё м. исп-ть сопротивление и подъёмную
силу воздуха для управляемого аэродинам.
полета. Выше нее начинается сфера чисто
баллист. полета, управлять кот. м. только
используя реактивные силы.
Ионосфера – это
верхняя
часть атмосферы,
состоящая
из мезосферы, мезопаузы
и термосферы,
ионизированная
облучением Солнца
(выше ~60 км).
Слои ионосферы
(D , Е и F).
В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют
гомосферу и гетеросферу. Хорошо перемешанная,
однородная по составу нижняя часть атмосферы – гомосфера
(до высоты ~ 120 км). Выше нее, там где гравитация оказывает
влияние на разделение газов, – гетеросфера.
Защитная роль земной атмосферы и озона – в частности
•
Плотные слои воздуха — тропосфера и стратосфера — защищают нас от
поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на
высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает
ионизирующая радиация – первичные космические лучи, а на высотах более
40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного
спектра. Озоновый слой — основная защита от УФ-излучения.
Озоновый слой - самый
тонкий и легкий слой в
атмосфере, находящийся
на высоте от 15 до 50 км
над поверхностью Земли.
В разных широтах Земли
озоновый слой находится
на разной высоте (в
полярных
областях
ниже), а также имеет
разную толщину.
Благодаря
процессам
диссоциации
кислорода,
атомы кот. затем образуют
озон,
происходит
поглощение ближней (к
видимому свету) части УФ
солнечного спектра. Кроме
того, диссоциация озона
под
воздействием
УФ
излучения
приводит
к
поглощению
наиболее
жёсткой его части.
История образования атмосферы Земли
• Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера
Земли во времени пребывала в трёх различных составах.
Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и
гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так
называемая первичная атмосфера (около четырех миллиардов
лет назад).
• На следующем этапе активная вулканическая деятельность
привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме
водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так
образовалась вторичная атмосфера (около трех миллиардов
лет назад). Эта атмосфера была восстановительной.
• Далее образование атмосферы определось следующими
процессами:
- утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное
пространство;
- химические реакции, происходящие в атмосфере под
влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и
некоторых других явлений.
Постепенно эти факторы привели к образованию
третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим
содержанием водорода и гораздо большим — азота и
углекислого газа (образованы в результате химических
реакций из аммиака и углеводородов).
Каково происхождение атмосферы Земли и океанов?
Соотношение изотопов азота (14N и 15N) в
составе
комет
почти
с
абсолютной
точностью соответствуют их соотношению
в атмосфере Земли, что свидетельствует о
том, что одним из источников ранней
земной
атмосферы
была
кометная
бомбардировка. Отношение изотопов во
веществе стабильно, т.к. они химически
идентичны.
Однако изотопный состав земной воды не
соответствует составу кометного льда:
доля тяжелой разновидности водорода дейтерия (D/H) в земной воде в два раза
ниже, чем в ядрах тех немногих комет, на
которых это было измерено (таких, как
кометы Галлея, Хиякутаки, Хэйла-Боппа).
Поэтому кометная вода, если она была,
должна была смешаться по меньшей мере с
равным количеством древней земной воды,
отличающейся
низким
содержанием
дейтерия. Возможно, что всего лишь
несколько процентов воды на Земле имеет
кометное происхождение.
В то же время отношение (D/H) в земных океанах в
точности соответствует соотношению этих
изотопов в гидроксиле (OH), входящем в
углистые хондриты – которые считаются
фрагментами примитивных астероидов (С, F, G,
D - типов).
Происхождение земной атмосферы и океанов и «Розетта»
Ксенон – тяжелый газ без цвета и запаха, самый тяжелый из стабильных инертных газов. Его доля в составе земной
атмосферы мала – менее одной миллиардной. Т. к. ксенон не вступает в химические реакции, его изотопный состав
является важным индикатором происхождения вещества, из которого сформировалась наша планета. Какие тела принесли
воду и органику на раннюю Землю – астероиды или кометы? Изучение изотопного состава ксенона из кометы ЧурюмоваГерасименко помогло ответить на этот вопрос (Science, 2017).
Ядра ксенона образуются в различных процессах на поздних стадиях эволюции звезд. Каждое из этих явлений
производит свой набор изотопов. В частности, самые легкие изотопы ксенона 124Xe и 126Xe образуются при взрывах
сверхновых, изотопы промежуточной массы 127Xe, 128Xe, 129Xe, 130Xe, 131Xe и 132Xe – на стадии звездной эволюции,
соответствующей нахождению звезды на ветви красных гигантов, тяжелые изотопы 134Xe и 136Xe – при столкновениях
нейтронных звезд.
Таким образом, изотопные соотношения ксенона дают важные подсказки о происхождении различных тел Солнечной
системы и всей ее в целом. Поэтому ученые стремятся измерить эти отношения в атмосферах Земли, Марса и Юпитера, в
метеоритах, в солнечном ветре и в коме кометы Чурюмова-Герасименко.
Смесь изотопов ксенона в земной атмосфере обогащена тяжелыми изотопами относительно легких, однако это
произошло в результате преимущественного убегания более легких атомов в космос. Если учесть разницу в темпах
убегания различных изотопов ксенона за прошедшие 4,5 млрд. лет, то можно вычислить изначальную смесь изотопов,
которая была на ранней Земле. Эту смесь назвали U-ксеноном. В U-ксеноне изотопные соотношения примерно как в
хондритах и в солнечном ветре, но есть значительный недостаток тяжелых изотопов.
Все это привело специалистов к выводу, что земной ксенон является смесью из разных источников.
Ксенон в составе Солнца и метеоритов был прямо захвачен ими из протосолнечной туманности – протяженного
облака газа и пыли, из которого в дальнейшем сформировались Солнце и планеты. Однако поскольку изотопный состав
ксенона в земной атмосфере отличается от солнечного и хондритового, часть ксенона должна быть принесена на Землю
кометами, у которых также может быть разное происхождение.
КА «Розетта» помог собрать недостающие данные для проверки этой гипотезы, измерив изотопные соотношения
ксенона в коме кометы Чурюмова-Герасименко (масс-спектрометр ионов и нейтральных атомов ROSINA на борту
«Розетты». Поскольку ксенона в веществе комы кометы очень мало, а сама кома очень разрежена, КА пришлось подойти к
ядру на расстояние 5-8 км и в 2016 г. три недели набирать статистику.
Изотопные соотношения ксенона в коме кометы оказались близки к составу U-ксенона, который, как полагают,
присутствовал на ранней Земле. Однако лучше всего состав земного ксенона объясняется гипотезой смешивания. В
частности, авторы исследования подсчитали, что ~22% ксенона попало на Землю с кометами, а остальные ~78% – с
метеоритами и астероидами.
На первый взгляд, этот результат противоречит более ранним исследованиям, которые показали, что воду на Землю
принесли не кометы. Однако воды на Земле много, а ксенона – мало, и поэтому те кометы, что принесли ксенон, могли не
повлиять заметным образом на изотопный состав земных океанов.
В ноябре 2016 г. «Розетта» разбилась о поверхность ядра кометы Чурюмова-Герасименко, но данные, собранные ею,
будут анализироваться еще много лет, помогая восстанавливать сложную историю ранней Солнечной системы.
Магнитное поле Земли - еще один защитный фактор для земной жизни
Точки на З., где м.п. им. ↑
(верт.)
направл.
наз.
м.
полюсами. На З. таких т.т. 2 –
с.м.п. и ю.м.п. Прямая, к.
проход. ч-з м. полюса наз. м.
осью З. На м. экваторе м.п. им.
→ (гориз.) направление.
Ср. напряж-ть м.п. З. H ≈ 0,5 э
(на м. экв. ≈ 0,34 э, а у м.п. ≈
0,66 э, а в р-нах маг. аном. – до
2 э. H м.п. З. ↓, в ср. на 1,7% за
22 посл. года, а на ю. Атл.
океана. - на 10%.
•
•
Известно б. 400 палеоинверсий м.п. З. При этом жизнь сохранилась. Вопрос в том, какой
ценой? Если, как утверждается в некоторых гипотезах, во время перестановки полюсов
магнитосфера Земли на некоторое время исчезнет, то на Землю обрушится поток
космических лучей, представляющих опасность для обитателей суши, и тем большую, если
исчезновение магнитосферы будет сопровождаться истощением озонового слоя.
Обнадёживает то, что во время инверсии магнитного поля Солнца, произошедшего в марте
2001 года, полного исчезновения солнечной магнитосферы зафиксировано не было.
Например, полный цикл обращения магнитного поля Солнца составляет 22 года.
Геодинамо — одна из моделей, претендующая на объяснение магнитного поля планет.
Модель представляет собой жидкий шар, с горячим, твёрдым, тепловыделяющим
металлическим ядром, которое вращается в восточном направлении. Магнитное поле
возникает в результате переноса веществом вмороженных магнитных линий и в результате
конвекции.
Магнитосфера и радиационные пояса Земли
Радиационные пояса Земли – это
внутренние обл. зем. магнитосферы, в
кот. м. п. З. удерживает заряж. частицы
(протоны, электроны, альфа-частицы),
обладающие кинет. энергией от
десятков Кэв до сотен Мэв.
При движении заряженной частицы в м. п.
Земли её мгновенный центр вращения
находится на одной и той же поверхности,
кот. называют магнитной оболочки.
Каспами называются полярные щели в
магнитосфере на севере и на юге.
Захваченные в магнитную ловушку
Земли частицы под действием силы
Лоренца
совершают
сложное
движение,
которое
можно
представить
как
колебательное
движение по спиральной траектории
вдоль силовой линии магнитного
поля из Северного полушария в
Южное и обратно с одновременным
более медленным перемещением
(долготным дрейфом) вокруг Земли.
Когда частица движется по спирали в
сторону увеличения магнитного поля
(приближаясь
к
Земле),
радиус
спирали и ее шаг уменьшаются. в
некоторой
точке
(её
называют
зеркальной) происходит "отражение"
частицы. Она начинает двигаться в
обратном
направлении
—
к
сопряжённой зеркальной точке в др.
полушарии. Напр., вр. нахождения
("жизни") протона в геомагнитной
ловушке может достигать 100 лет (~
3×109 сек), за это время он может
совершить до 1010 колебаний.
Структура магнитосферы Земли
Движение частиц в магнитном поле
Одно колебание вдоль силовой линии из Северного полушария в Южное протон с
энергией ~ 100 Мэв совершает за время ~ 0,3 сек. Время нахождения («жизни»)
такого протона в геомагнитной ловушке может достигать 100 лет (~ 3×109 сек), за
это время он может совершить до 1010 колебаний. В среднем захваченные частицы
большой энергии совершают до нескольких сотен миллионов колебаний из одного
полушария в другое.
Долготный дрейф происходит со значительно меньшей скоростью. В зависимости от
энергии частицы совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких
минут до суток. Положительные ионы дрейфуют в западном направлении, а
электроны – в восточном.
Земная кора — внешняя твёрдая оболочка Земли
(геосфера). Ниже коры находится мантия, которая
отличается составом и физическими свойствами —
она более плотная, содержит в основном тугоплавкие
элементы. Разделяет кору и мантию граница
Мохоровичича, или сокращённо Мохо, на которой
происходит
резкое
увеличение
скоростей
сейсмических волн. С внешней стороны большая
часть коры покрыта гидросферой, а меньшая
находится под воздействием атмосферы.
Океаническая кора состоит главным образом из
базальтов. Согласно теории тектоники плит, она
непрерывно образуется в срединно-океанических
хребтах, расходится от них и поглощается в мантию в
зонах
субдукции.
Поэтому
океаническая
кора
относительно молодая, и самые древние её участки
датируются временем познего Юрского периода.
Толщина океанической коры практически не меняется
со временем, поскольку в основном она определяется
количеством расплава, выделившегося из материала
мантии в зонах срединно-океанических хребтов. До
некоторой степени влияние оказывает толщина
осадочного слоя на дне океанов. В разных
географических областях толщина океанической коры
колеблется в пределах 5-7 километров.
Континентальная кора или материковая земная кора земная кора материков, которая состоит из
осадочного, гранитного и базальтового пластов.
Средняя толщина 35-45 км, максимальная — до 75 км
(под горными массивами).
Состав верхней континентальной коры Земли. Около
половины массы земной коры приходится на
кислород, более 25% — на кремний. Всего 18
элементов (O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, H, Ti, C, Cl, P, S,
N, Mn, F, Ba) составляют 99,8% массы земной коры.
Земная кора
Бόльшую часть поверхности Земли (более 2/3)
занимает Мировой океан, оставшаяся треть
приходится на сушу. В океанах Земли
сосредоточено 97% всех запасов воды (около
1021 кг). Часть воды находится в виде льда и
снега в полярных шапках, а также в
атмосфере. Средняя глубина Мирового океана
— 3 900 м, максимальная глубина — 11000 м
(Марианская впадина в Тихом океане.
Горы (до ~9000 м) занимают св. 1/3 поверхности
суши (самая высокая вершина г. Джомолунгма,
h = 8848 м, Гималаи). Пустыни покрывают
около 20% поверхности суши, саванны и
редколесья — около 20%, леса — ок. 30%,
ледники — св. 10%. Значительная часть
северных территорий представляют собой
вечную мерзлоту.
Что такое "тектоника плит"?
•
•
•
Это современное научное представление о строении и движении
литосферы, согласно кот. земная кора состоит из относительно целостных
литосферных блоков, кот. находятся в постоянном движении друг
относительно друга. При этом в зонах расширения (срединно-океанических
хребтах и континентальных рифтах) в результате спрединга (англ. seafloor
spreading — растекание) морского дна образуется новая океаническая кора,
а старая поглощается в зонах субдукции (наползания). Теория тектоники
плит (ТП) объясняет землетрясения, вулканическую активность и процессы
горообразования, в основном приуроченные к границам плит.
Впервые идея о движении блоков коры была высказана в теории дрейфа
континентов, предложенной Альфредом Вегенером в 20-х годах. Эта теория
была первоначально отвергнута. Возрождение идеи о движениях в твердой
оболочке Земли
(«мобилизм») произошло в 1960-х годах, когда в
результате исследований рельефа и геологии океанического дна б.
получены данные, свидетельствующие о процессах спрединга и субдукции
океанической коры. Объединение этих представлений со старой теорией
дрейфа материков породило теорию ТП, кот. вскоре стала общепринятой.
ТП сыграла в науках о Земле роль, сравнимую с гелиоцентризмом
в астрономии, или открытием ДНК в генетике. До принятия теории ТП науки
о Земле носили описательный характер. Они достигли высокого уровня в
описании природных явлений, но редко могли объяснить их причины. В
разных разделах геологии м. доминировать противоположные концепции.
Но ТП связала различные науки о Земле и дала им предсказательную силу.
Эпицентры
землетрясений
и зоны сжатия и
растяжения
земной коры
•
Из анализа перемещений континентов
было
сделано
эмпирическое
наблюдение, что континенты каждые
400—600 млн. лет собираются в
огромный материк, содержащий в
себе почти всю континентальную
кору — суперконтинент (Пангею).
Совр. континенты образовались 200
— 150 млн. лет назад, в результате
раскола
суперконтинента.
Сейчас
континенты находятся на этапе почти
максимального
разъединения.
Атлантический океан расширяется,
а Тихий океан сокращается.
Вулканизм на планетах Солнечной
системе и его причины
Причины вулканических процессов в следующем. В
верхней мантии существуют небольшие области,
где температура достаточна для плавления ее
вещества. Расплавленное вещество (магма),
выдавливающееся вверх, прорывается через кору,
и происходит вулканическое извержение. Судя по
характеру поверхности, среди планет земной
группы тектонически наиболее активна Земля, за
ней следуют Венера и Марс. При этом важно, что
выделяемая Землей тепловая энергия никогда не
приводила ее в полностью расплавленное
состояние.
Внутреннее строение Земли
0- 40 км — кора; 40- 400 км - верхняя мантия;
400- 650 км — переходная область;
650-2700 км — нижняя мантия; 2700-2890 км D'' — слой;
2890-5150 км — внешнее (жидкое) ядро;
5150-6378 км — внутреннее (твердое) ядро.
Возраст земной поверхности Земли
Наименование
крупнейших кратеров
Диаметр
(км)
Возраст
(млн.лет)
Acraman, Австралия
160
570
Chicxulub, Мексика
170
64,98 ± 0,05
Попигай (Popigai), Россия
100
35 ± 5
Sudbury,Онтарио, Канада
200
1850 ± 3
Vredefort, Южная Африка
140
1970 ± 100
Возраст горных пород устанавливается по содержанию
изотопов урана и тория. В естественной смеси урана
содержится 99,28 % изотопа урана 238U, 0,714 % 235U,
0,006 % 234U. Период полураспада 238U Т1/2 = 4,5х109
лет. Конечным продуктом распадов этих элементов
являются изотопы свинца и гелий. Чем больше
продуктов
распада
и
чем
меньше
самого
радиоактивного вещества содержится в породе, тем
больше возраст изучаемых горных пород. Изучая
радиоизотопный состав коры Земли, обнаружили,
что возраст земной коры – ок. 4,55±0,07 млрд. лет.
Возраст земной поверхности оценивают на основе
изучения
крупнейших
ударных
структур
—
астроблем. Уже известно более 200 астроблем, из них
20 - в России.
Астроблема Шванг (D=1,2 км, Южная Африка,
возраст 220000 лет)
→
Важнейшие процессы на Земле – круговороты
различных веществ и в первую очередь – воды
Круговороты различных веществ на
Земле на примере азота и углерода
Круговорот разных элементов и соединений на Земле
Спутник Земли Луна
•Расстояние от Земли — 363104 – 405696 км (а = 384399 км)
•Сидерич. период обращ./вращ. — 27,32 дня (спин-орбитальный резонанс 1:1);
• Синодич. период обращ./вращ. — 29,53 дня; наклон оси вращения к пл. орбиты — 1,5424°;
•Vорб. = 1,023 км/с; i (наклонение орбиты отн. эклиптики) — 5,145°;
•Rэкв. = 1738,14 км; Rпол. = 1735,97 км; ρ = 3,3464 г/см³
•Ср. геом. альбедо — 0,12; температура на экваторе: min. —100 К (−173 °C), max. — 390 К (117°C).
Экзосфера: следы водорода, гелия, неона и аргона.
Изображения видимой и обратной сторон
•Расстояние от Земли
Ориентация плоскости орбиты и оси
вращения Луны
Солнечные и лунные затмения
Приливы и отливы на Земле
Топография Луны
Поверхность Луны
Наиболее характерные
особенности:
− темные морские и более светлые
континентальные образования;
− ударные кратеры разных
размеров
Следы древнего магматизма
на Луне ~4,0 − 3,5 млрд. лет
назад − извилистые русла
Повышенное
содержание
Th в
морских базальтовых областях Луны
(по космическим данным) − признак
глубинного происхождения вещества
Распределение Th на Луне (0-12 ppm)
Состав поверхности Луны
•В лунных морях по
сравнению с материками
примерно вдвое больше
железа и почти в семь раз
− титана, но вдвое
меньше алюминия.
•Кроме того, в лунных
морях много черного
минерала ильменита
FeTiO3, который придает
им темный цвет.
•В лунных породах мало
воды. Луна также
обеднена железом и
летучими компонентами
(Галимов, 2018).
Возраст поверхности Луны
Недавно был измерен возраст двух образцов базальтовых лав, доставленных на
Землю китайской миссией "Чанъэ-5". Относительно молодой возраст этих лав
(около 1,96 млрд лет) показывает, что активный вулканизм на Луне сохранялся в
течение длительного времени после ее образования. За счет чего поддерживалась
магматическая активность, пока неизвестно. Нет никаких доказательств глубинного
происхождения таких лав, так как в мантии Луны отсутствуют высокие
концентрации выделяющих тепло элементов.
•Для оценки возраста поверхности Луны традиционно используется метод подсчета
кратеров, основанный на предположении о том, что в ранний период образование
кратеров происходило с определенной постоянной скоростью, при этом края более
молодых кратеров пересекают границы более древних. Поэтому на качественном уровне
чем больше кратеров на поверхности, тем она старше, чем меньше — тем моложе Но
это относительный метод определения возраста, который требует калибровки. Чтобы
установить абсолютный возраст горных пород, нужно иметь образцы с поверхности.
•Кроме того, в лунных морях застывшая базальтовая лава частично перекрывает
ударные кратеры. Возраст всех образцов вулканических пород, доставленных с Луны
миссиями "Аполлон", более 3,1 млрд лет. Поэтому при планировании миссии “Чанъэ-5”
была выбрана предположительно одна из самых молодых структур на поверхности Луны
— Океан Бурь. Данные измерений указывали и на наличие здесь самых больших
концентраций теплопроизводящих элементов, таких как калий, торий и уран.
•После доставки “Чанъэ-5” образцов из Океана Бурь на Землю, был определен их
минеральный и химический состав, а также возраст, который оказался неожиданно
молодым — 1963 ±57 млн лет. Итак, учитывая разницу в возрасте образцов, собранных
“Аполлонами” (> 3,1 млрд лет) и самых молодых ударных кратеров c возрастом менее 1
млрд лет, образцы "Чанъэ-5" заполняют пробел в 2 млрд лет.
Вода (лед) на Луне
•До недавнего времени Луна считалась безводным телом.
•По словам проф. Колумбийского университета А. Кроттса (США),
представление об отсутствии на Луне воды возникло потому, что америк.
ученые считали испорченными образцы грунта, доставленные в ходе миссии
Apollo. Тогда NASA удалось доставить на Землю около 300 килограммов
лунного грунта, но контейнеры с ним были закрыты негерметично. Из-за этого
найденную в них воду приняли за земную. Тогда же установили, что лунные
каналы, считавшиеся раньше следами рек, на самом деле были образованы
потоками магмы, что закрепило мнение о Луне как о безводной пустыне.
•Такое мнение продержалось практически до 1994 г., когда КА "Клементина"
(NASA) получил данные радиозондирования о наличии воды под поверхностью
Луны. Эти данные были подтверждены КА "Lunar Prospector» (NASA, 1998) по
характеристикам нейтронного излучения с поверхности Луны. Также есть
признаки и результаты моделирования о наличии льда у лунных полюсов.
•Но надежные сведения о наличии на Луне воды имелись гораздо раньше
полетов "Клементины" и "Lunar Prospector". Они были получены советскими
учеными при анализе лунного грунта, собранного КА "Луна-24". После
совершения мягкой посадки на поверхности Луны в 1976 г., этот КА провел
бурение грунта приблизительно на 2 метра в глубину. Полученный грунт,
массой около 300 граммов, был доставлен на Землю. В статье,
опубликованной в журнале Геохимия в 1978 году было показано, что доля воды
в образце составляла 0,1 процента. Но статья не была принята во внимание.
Виды Луны и Земли c КК Apollo
Виды Луны и Земли c КК Apollo
Сейсмология Луны
•
•
•
•
•
Оставленные на Луне экспедициями Apollo 12, Apollo 14,
Apollo
15 и Apollo
16 четыре сейсмографа показали
наличие сейсмической активности. Исходя из последних расчётов,
лунное ядро состоит главным образом из раскалённого железа. Из-за
отсутствия воды колебания лунной поверхности продолжительны по
времени, могут длиться более часа.
Лунотрясения можно разделить на четыре группы:
приливные,
случаются
дважды
в
месяц,
вызваны
воздействием приливных сил Солнца и Земли;
тектонические — нерегулярные, вызваны подвижками в грунте Луны;
метеоритные — из-за падения метеоритов;
термальные — их причиной служит резкий нагрев лунной
поверхности с восходом Солнца.
Наибольшую опасность для возможных обитаемых станций
представляют тектонические лунотрясения. Сейсмографами НАСА за
5 лет исследований было зарегистрировано 28 подобных
лунотрясений. Некоторые из них достигают 5,5 баллов по шкале
Рихтера и длятся более 10 минут. Для сравнения: на Земле подобные
землетрясения длятся не более двух минут.
Внутреннее строение Луны
•Луна — дифференцированное тело,
она имеет геохимически различную
кору (~ 50 км) мантию и ядро.
Оболочка внутреннего ядра богата
железом, она имеет радиус 240 км,
жидкое внешнее ядро состоит в
основном
из
жидкого
железа,
возможно, с радиусом примерно
300—330 км (?). Согласно модели,
внутреннее лунное ядро состоит из
железа, с небольшим количеством
примесей серы и никеля.
Космические полеты и экспедиции к Луне
•
•
•
•
•
Луна — единственное небесное тело, на котором побывал человек, и первое
небесное тело, образцы которого были доставлены на Землю (США доставили
380 килограммов, СССР — 324 грамма).
Впервые Луны достиг советский
КА «Луна-2» 13 сентября 1959 года.
Впервые удалось заглянуть на
обратную сторону Луны в 1959
году, когда советская станция
«Луна-3» пролетела над ней и
сфотографировала невидимую с
Земли часть её поверхности.
В августе 1976 года советская
станция «Луна-24» доставила на
Землю образцы лунного грунта.
СССР проводил исследования на
поверхности Луны с помощью
двух
радиоуправляемых
самоходных аппаратов, «Луноход1» (ноябрь 1970 г.) и «Луноход-2»
(январь
1973).
«Луноход-1»
проработал
10,5
месяцев,
«Луноход-2» — 4,5 месяцев (или 5
лунных дней и 4 ночи), за которые
прошёл 42,1 км.
•Американская программа пилотируемого
полёта на Луну называлась «Аполлон» (6
экспедиций). Первая посадка произошла 20
июля 1969 г.; последняя — в декабре 1972 г.
Первым человеком, ступившим 21 июля 1969
года на поверхность Луны, стал американец
Нил Армстронг.
Базз Олдрин на Луне («Апаллон-11», июль
1969 года; фото НАСА).
•
−
Вероятное
происхождение
Луны
Первоначальные гипотезы:
Луна отделилась от Земли в виде сгустка магмы под
действием центробежных сил;
− Луна, как самостоятельное тело, была захвачена гравитационным
полем Земли;
− одновременное формирование Земли и Луны из единого массива
мелких обломков породы. Но анализ грунта, доставленного КК
Apollo, показал, что лунный грунт по составу отличается от
средне-земного, но соответствует литосфере Земли.
• В 1984 г. на Гавайской конференции по планетологии была
выдвинута
коллективная
теория
возникновения
Луны,
получившая название теории гигантского столкновения: Луна
возникла 4,6 млрд. лет назад после столкновения Земли с
гипотетическим небесным телом размером с Марс (получившим
название Тейа). Удар пришёлся не по центру, а почти по
касательной. В результате бόльшая часть вещества ударившегося
объекта и часть вещества земной мантии были выброшены на
околоземную орбиту. Из этих обломков собралась прото-Луна и
стала обращаться по орбите с радиусом ок. 60 000 км (сейчас ~
384 тыс. км). Земля в результате удара получила резкий прирост
скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон
оси вращения. Хотя у этой теории тоже есть недостатки, в
настоящее время она считается основной.
Мегаимпакт или образование Земли и Луны из общего
газо-пылевого субдиска как двойной планеты?
•
Земля образовалась из Солнечной туманности около 4,54 миллиардов
лет назад и вскоре после этого приобрела свой единственный
естественный спутник — Луну. Жизнь появилась на Земле около 3,5
млрд. лет назад. С тех пор биосфера Земли значительно изменила
атмосферу и др. абиотические факторы (условия неорганической
среды, влияющие на организмы), обусловив количественный рост
аэробных организмов (кот., в отличии от анаэробов, нуждаются в
свободном молекулярном кислороде) и формирование защищающего
поверхность озонового слоя.
Последние 4,36 млрд лет орбита Луны
удаляется от Земли