Полная версия

Главная arrow Прочие arrow АСТРОНОМИЯ. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Внутреннее строение и магнитное поле.

Анализируя движение планет, можно определить их массы. Это было сделано уже давно. Масса Меркурия составляет 0,33022 • 1024 кг (5,5 % массы Земли). Диаметр планеты составляет 4879,4 км. Отклонений от шарообразной формы Меркурия не обнаружено. В результате можно вычислить его среднюю плотность, разделив массу на объем шара Меркурия

Средняя плотность планеты оказалась одной из самых высоких среди всех планет Солнечной системы — 5,43 г/см3. Это означает, что Меркурий должен обладать большим металлическим ядром.

Проанализировав влияние гравитационного поля Меркурия на траекторию полета запущенного в 1973 г. американского космического зонда «Маринер-10», который в 1974—1975 гг., двигаясь по гелиоцентрической орбите, трижды сближался с планетой, специалисты создали модель внутреннего строения Меркурия. Для этого привлекались теоретические и экспериментальные данные о поведении вещества при высоких давлениях и температурах. Судя по всему, радиус железноникелевого ядра Меркурия составляет примерно 75—80 % радиуса планеты. Согласно модели, масса ядра составляет около 62 % массы всей планеты, а его объем занимает около половины объема. Над ядром расположена силикатная оболочка (мантия) толщиной около 600 км. Большая ее часть находится в расплавленном состоянии. Над ней лежит сравнительно тонкая кора планеты.

Такое распределение вещества внутри планет объясняется процессом дифференциации под влиянием силы тяжести. Согласно стандартной теории формирования планет, в начальном конгломерате, составляющем протопланету, присутствовали различные частицы — тяжелые (железо и никель), и более легкие (силикаты). Сила тяготения приводит к постепенному просачиванию тяжелых частиц к центру масс будущей планеты и вытеснению к поверхности легких частиц. Этому процессу помогала так называемая «поздняя тяжелая бомбардировка»

4,2—3,8 млрд лет назад, когда молодые планеты претерпевали множественные столкновения с крупными (размером до десятков и сотен километров) небесными телами. В результате этих ударов огромная кинетическая энергия тел-ударников (импакторов) превращалась в тепло, что должно было приводить к формированию океанов раскаленной жидкой магмы, в которых оседание более тяжелых частиц происходило достаточно эффективно. Дополнительное тепло, приводящее к плавлению, давал распад радиоактивных элементов, присутствовавших в начальном материале, из которого формировалась планета.

В результате процесса дифференциации, а также нарастающего к центру давления, плотность планеты оказывается неоднородной: в недрах концентрируется плотное металлическое ядро, а наиболее легкие породы, вытесняемые вверх, формируют наружные слои. Поскольку по многим параметрам поверхностные породы Меркурия похожи на лунные породы, плотность которых хорошо известна и составляет 3,0—3,3 г/см3, чтобы получить среднюю плотность Меркурия в 5,43 г/см3, у него должно быть массивное и плотное (железноникелевое) ядро, и сомнений в его существовании сегодня нет.

«Маринер-10» зафиксировал магнитное поле Меркурия напряженностью менее 1 % земного — 35 • 10~4 Гс у экватора и 70 • 10~4 Гс у полюсов с обратной (по отношению к ситуации на Земле) полярностью. Согласно классической теории, магнитное поле планет порождается электрическими токами в расплавленном металлическом (в общем случае, электропроводящем) ядре. Однако расчеты показывают, что у небольшой планеты недра должны были остыть и металлическое ядро должно было затвердеть уже 2—3 млрд лет назад. Если это так, то существование нынешнего магнитного поля у Меркурия выглядит загадочным.

Впрочем, существуют гипотезы, которые могут объяснить эту загадку. Одна из гипотез предполагает присутствие в железно-никелевом ядре Меркурия значительного количества серы, которая могла снизить температуру затвердевания сплава и надолго сохранить его в жидком состоянии. Есть версия, допускающая увеличенное количество радиоактивных элементов, выделяющих тепло в недрах планеты. Однако эти гипотезы требуют специального объяснения того , почему именно у Меркурия оказалось повышенное по сравнению с другими планетами содержание серы или радиоактивных элементов. Еще одна гипотеза допускает периодическое подплавление внешней части ядра и внутренней части мантии на определенных участках орбиты планеты (например, вблизи перигелия) за счет разогрева, вызванного приливным влиянием со стороны Солнца.

Вторая космическая станция «Мессенджер», отправленная к Меркурию в 2004 г., спустя 30 лет после «Маринера-10», во время первого пролета мимо планеты в январе 2008 г., подтвердила существование магнитного поля Меркурия. Второй пролет в октябре того же года показал, что параметры слабой магнитосферы планеты существенно изменились за прошедшие 10 месяцев, что указывает на большую динамичность магнитной оболочки, видимо, под влиянием близкого Солнца. В 2008 г. обработка данных, полученных системой наземных радаров США, подтвердила версию о существовании расплавленного ядра.

Сильно кратерированная поверхность Меркурия — результат поздней тяжелой бомбардировки (Фото

Рис. 4.1. Сильно кратерированная поверхность Меркурия — результат поздней тяжелой бомбардировки (Фото: «Messenger», NASA)

Во время пребывания «Мессенджера» на орбите искусственного спутника Меркурия с 18 марта 2011 г. по 30 апреля 2015 г. (в этот день космический зонд был спущен с орбиты и упал на поверхность планеты) был выполнен цикл дистанционных исследований магнитного поля. Наиболее интересные данные были получены бортовыми магнитометрами на завершающем этапе миссии, когда космический аппарат находился на небольшой высоте над Меркурием. Удалось измерить не только магнитное поле, но и так называемые «магнитное эхо» — остаточную намагниченность в породах, сохранившуюся с тех времен, когда они находились в расплавленном состоянии.

Анализ полученных данных позволил утверждать, что Меркурий обладал магнитным полем практически с самого начала своего формирования как планеты. Начальное магнитное поле, согласно оценкам, было примерно в 100 раз сильнее современного и было близко по напряженности к нынешнему значению магнитного поля Земли.

Оказалось, что современное магнитное поле Меркурия несимметрично: ось магнитного диполя примерно на 10 градусов наклонена к оси вращения планеты и смещена почти на 500 км к северу от центра Меркурия. Причина этого феномена пока остается неизвестной.

Следы магнитного поля обнаружены в горных породах «гладких равнин» — областях застывшей магмы возрастом 3,7—3,9 млрд лет.

Судя по всему, кора Меркурия формировалась в основном благодаря древнему эффузивному вулканизму — медленно изливающимся на поверхность протяженным потокам лавы (в отличие от известного на Земле эксплозивного вулканизма, для которого характерны извержения — выбросы пепла, газа и обломков породы). Анализ распределения возраста импактных кратеров позволил сделать вывод о том, что эффузивные излияния лавы прекратились на Меркурии очень давно — примерно 3,5 млрд лет назад.

Гладкая равнина на Меркурии — застывшая магма (Фото

Рис. 4.2. Гладкая равнина на Меркурии — застывшая магма (Фото: «Messenger», NASA)

Существует гипотеза, объясняющая этот феномен. В соответствии с ней, небольшой (по сравнению с другими планетами земной группы) Меркурий обладает сравнительно тонкой мантией, в которой происходит радиоактивный разогрев планеты. Относительно небольшая толщина мантии привела к тому, что Меркурий сравнительно быстро начал остывать и сжиматься, при этом сжимающаяся кора сравнительно давно перекрыла каналы, по которым лава поднималась из глубины на поверхность.

Есть еще одна проблема, связанная с образованием планеты. Дело в том, что согласно классической модели, планеты земной группы сформировались из сгустков пылевой материи в огромном газово-пылевом облаке — планетезималей, своеобразных зародышей планет. Остатки вещества этих сгустков сохранились в виде каменных астероидов и метеороидов. Однако в процессе гравитационной дифференциации вещества планетезималей, объединившихся в теле будущей планеты, не могло образоваться столь крупное железно-никелевое ядро Меркурия — в астероидах для этого недостаточна концентрация железа!

Для объяснения непропорционально (по отношению к известному составу выпадающих на Землю метеоритов) высокого содержания железа на Меркурии по сравнению с небольшим содержанием силикатов в тонкой коре планеты, была предложена популярная ныне гипотеза. В соответствии с ней уже сформировавшаяся в ходе дифференциации каменная кора Меркурия была сброшена в космос мощным касательным ударом крупного астероида.

Другая гипотеза говорит о том, что вблизи Солнца, где формировался Меркурий, соотношение железных и каменных частиц было сдвинуто в сторону первых, и избыток железа отразился на строении планеты. Заметим, что вторая гипотеза противоречит идее о том, что Меркурий раньше был существенно дальше от Солнца, возможно, являясь в прошлом спутником Венеры.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>