СПУТНИКИ ЮПИТЕРА

 

Из множества спутников Юпитера, перечисленных в табл. 1, выделяются 4 галилеевых спутника, известных со времен Галилея. В табл. 1, где приведено 16 известных ныне спутников планеты, они занимают с 5-й по 8-ю строку. Это Ио (имя женского рода), Европа, Ганимед и Каллисто. Они выделяются большими размерами (от размеров Луны до размеров Меркурия) и близостью к планете. Известны еще более близкие к Юпитеру спутники: это 3 совсем маленьких тела, открытых за последние годы, и Амальтея, имеющая неправильную форму (ее размеры примерно 130х80 км). Вместе с ними галилеевы спутники образуют так называемую правильную систему, которая отличается компланарностью (расположением орбит спутников в плоскости экватора планеты) и почти круговой формой орбит. Если сравнить их с положением нашей Луны, то Ио находится на 10% дальше, а Каллисто-в 4,9 раза дальше Луны. Но из-за огромной массы Юпитера на один оборот вокруг планеты они затрачивают всего 1,8 и 16,7 сут.

 

Таблица 1

Спутники Юпитера

Название или обозначение	Радиус орбиты, тыс.км	Орбитальн. период, сут	Эксцентриситет орбиты	Наклон. орбиты к экватору планеты, град.	Радиус спутника, км.	Год открытия
XVI (Метис)	127,96	0,295	(0)	(0)	20	1979
XV (Адрастея)	128,98	0,298	(0)	(0)	12х10х8	1979
Амальтея	181,3	0,498	0,003	0,45	135х85х75	1892
Теба	221,4	0,675	0,013	(0,9)	55х45	1979
Ио	421,6	1,769	0,004	0,04	1815	1610
Европа	670,9	3,551	0,009	0,47	1569	1610
Ганимед	1070	7,155	0,002	0,21	2631	1610
Каллисто	1880	16,689	0,007	0,51	2400	1610
Леда	11094	238,7	0,148	26,1	(5)	1974
Гималия	11480	250,6	0,158	27,6	(90)	1904
Лиситея	11720	259,2	0,107	29	(10)	1938
Элара	11737	259,7	0,207	24,8	(40)	1904
Ананке	21200	631	0,17	147	(10)	1951
Карме	22600	692	0,21	164	(15)	1938
Пасифае	23500	735	0,38	145	(20)	1908
Синопе	23700	758	0,28	153	(15)	1914

Знакомство с системой Юпитера начнем именно с галилеевых спутников. Со времени их открытия они оставались одним из самых популярных объектов астрономических наблюдений. Но если бы астрономы тогда знали, какие чудеса таятся на этих небесных телах! Впрочем, начнем с небольшого отступления, касающегося галилеевых спутников.

История науки полна великолепных идей, поражающих своей простотой и изяществом. Одна из них относится к концу XVII в., когда определение скорости света становилось все более актуальной задачей. Идея принадлежала датскому астроному Оле Ремеру. Ремер сообразил, что движение галилеевых спутников Юпитера (других тогда не знали) можно использовать для определения скорости света. Параметры их движения уже тогда были хорошо известны. Взаимное положение спутников и их положение относительно Юпитера, которые легко рассчитать заранее, можно условно рассматривать как положение четырех стрелок неких воображаемых часов. Ход этих часов очень точен; в свое время отсутствие хороших хронометров даже подтолкнуло мореплавателей пользоваться этими небесными часами для нужд навигации.

Но идея, о которой мы рассказываем, красивее. Пусть взаимное положение 'стрелок'-спутников найдено, скажем, на момент противостояния (которые повторяются каждые 400 сут) и далее рассчитано на некоторое время вперед. Вскоре наблюдения покажут, что небесные часы... врут. Их отставание будет расти с каждыми сутками и на 200-е сутки достигнет 16,7 мин. Затем отставание станет уменьшаться и. постепенно исчезнет совсем. Нетрудно догадаться, в чем дело: 'часы-то идут точно, но когда наблюдатель вместе с Землей перемещается на противоположную от Юпитера сторону орбиты, он видит положение 'стрелок', которое соответствует моменту времени на 16,7 мин раньше, чем по его часам. Если он знает радиус земной орбиты, т. е. астрономическую единицу (149,6 млн. км), скорость света в его руках: 16,7 мин - время распространения света на 2 а. е.

К сожалению, астрономическая единица Ремеру была известна неточно, и скорость света им была определена с большой ошибкой. Но идея, несомненно, была очень красивой.

В наше время, наблюдение галилеевых спутников принесло новые проблемы, связанные прежде всего с Ио. Еще средствами наземной астрономии в пространстве вблизи Ио было обнаружено излучение натрия и некоторых других элементов, что не находило объяснения до начала космических исследований Ио.

На рис. 1 приведена схема орбит галилеевых спутников и Амальтеи, а также путь космического аппарата 'Пионер' относительно планеты и спутников. При сближении аппарата с Ио было сделано важное открытие, к которому мы теперь и перейдем.

 

Рис. 1. Схема спутниковой системы Юпитера

Ио. Краткая история исследований космоса полна забавных, а иногда и невеселых происшествий, недоразумений и неожиданных открытий. Постепенно возник некий фольклор, которым специалисты обмениваются при встречах. Часто он связан с неожиданностями в поведении космических аппаратов. Недаром в кругах исследователей космоса родилась полушутливая, полусерьезная формулировка закона Мерфи-Чизехолма: 'Все, что может испортиться, - портится. Все, что не может испортиться, портится тоже'. Одна из сугубо научных статей в журнале 'Сайенс' так и начиналась: 'В соответствии с законом Мерфи...' Но к счастью, бывает и наоборот. Случай, о котором мы расскажем, скорее относится к такому удивительному везению. Трудно сказать, сколько здесь правды, но научная канва этой истории вполне достоверна.

Точному знанию положения космического аппарата у далекой от Земли планеты способствуют не только средства радионавигации, но и передаваемые аппаратом телевизионные изображения, на которых видны спутники на фоне звезд. Получаемые относительные положения небесных тел вводятся в вычислительную машину, которая уточняет координаты аппарата.

Одна из легенд рассказывает, что когда 'Вояджер-1' приближался к Юпитеру, ЭВМ указала руководительнице эксперимента на ошибку во вводимой в ЭВМ магнитной ленте с записью изображения спутника Ио. Причина была непонятной, но в конце концов ученой удалось выяснить, что форма лимба Ио не соответствовала заложенным в ЭВМ представлениям о круглом небесном теле. Сбоку у Ио что-то выступало. Это 'что-то' впоследствии оказалось огромным газовым султаном, который поднимался на высоту около 250-300 км над действующим вулканом.

Следует сказать, что Ио давно удивляет астрономов. Мы уже говорили, что несколько лет назад вдоль орбиты Ио было обнаружено излучение кислорода, паров натрия и серы. Как сохраняется такой тор ('бублик') в пространстве? Вначале ученым показалось, что все объяснили телевизионные снимки Ио: 7-8 действующих вулканов на ее поверхности выбрасывают фонтаны газообразных веществ, поднимающихся на сотни километров. Бледно-оранжевый цвет некоторых участков поверхности Ио вызван, по-видимому, отложениями серы и сконденсированного сернистого газа. Если предположить, что часть продуктов извержений рассеивается в космосе, происхождение газового тора вдоль орбиты Ио находит объяснение.

Но дело в том, что Ио - довольно массивное небесное тело: его масса 8,92х10²⁵ г (это на 20% больше массы Луны), а средняя плотность составляет 3,53 г/см³. Диаметр Ио 3620 км (Луны 3476 км). Расчеты показывают, что ускорение свободного падения на ее поверхности достаточно велико, 181 см/с². Тяжелый сернистый газ, а также пары серы, выброшенные из вулканической кальдеры, из-за низкой температуры быстро конденсируются и в таком виде, как иней и снег, выпадают на поверхность Ио. Этот процесс опережает разрушение молекулы газа ультрафиолетовым излучением Солнца (фотодиссоциацию). В то же время ускорение свободного падения недостаточно, чтобы удержать такую атмосферу, как у Марса, хотя какие-то следы атмосферы Ио имеет.

Выброс газа на высоту несколько сотен километров требует скоростей истечения газа из жерла примерно 1 км/с. Высокой скорости истечения способствует ничтожная плотность атмосферы Ио: от 10 до 100 миллионов раз меньше, чем у поверхности Земли. По земным понятиям - это глубочайший вакуум. Но концентрация молекул не так уж мала, около 10¹¹ см^-3. У всех остальных спутников Юпитера, Сатурна и Урана, как и у планеты Меркурий, плотность атмосферы еще в миллиарды раз ниже. Попросту говоря, атмосферы у них нет. Исключение - спутник Сатурна Титан, о котором речь будет дальше. Отложим немного разгадку, как сера и натрий попадают в космос и образуют тор из нейтральных и ионизованных атомов и обратимся к удивительному механизму извержений на Ио.

Ио недостаточно велика, чтобы радиоактивный распад элементов в ее недрах вызвал сильный разогрев коры, как это происходит на Земле. Энергия для разогрева черпается совсем из другого источника: из приливных воздействий второго галилеева спутника, Европы, самого Юпитера и в небольшой степени третьего спутника - Ганимеда. Подобно тому как в атомах запрещены определенные сочетания состояний электронных оболочек, в системе Юпитера запрещены (хотя и по другим причинам) некоторые конфигурации (взаимные расположения) спутников. Как только Ио приближается к определенной точке относительно Европы и Ганимеда, влияние последних начинает искажать орбиту Ио. За каждый оборот Ио дважды изменяет орбиту, смещаясь радиально на 10 км 'вверх' и 'вниз'. Орбита становится не совсем круговой, хотя эксцентриситет всего 0,004. Ио имеет значительный приливный выступ (отличие от сферичности) и при движении вдоль орбиты испытывает сильную либрацию (покачивание), хотя, подобно другим галилеевым спутникам, находится в синхронном вращении, т. е. всегда обращена одной стороной к Юпитеру. 

Приливные силы изгибают литосферу Ио и разогревают ее подобно тому, как нагревается изгибаемая проволока. Благодаря приливным воздействиям в недрах Ио выделяется огромная энергия - 60-80 млн. МВт. По-видимому, она распределяется неравномерно, больше выделяется в приповерхностных слоях небесного тела. В результате рассеяния этой энергии движение всех трех тел постепенно замедляется, но происходит это чрезвычайно медленно.

Нечасто бывает, чтобы предсказание теории нашло подтверждение всего через 2 месяца, но в случае Ио было именно так. Ее вулканические извержения были предсказаны на основе анализа взаимных возмущений галилеевых спутников. Предсказание было опубликовано незадолго до сближения с Ио 'Вояджера'. Мощность, рассеиваемая в приливных возмущениях Ио, достигает 2 Вт/м² - это в 30 раз больше тепла, чем выделяется через поверхность Земли. Дистанционные измерения температуры поверхности, которая при равновесии с получаемой от Солнца энергией должна составлять примерно 140 К в районе экватора Ио, привели к совсем удивительным результатам. Равнины, покрытые слоем белых отложений, имеют даже более низкую температуру, 130 К. Это понятно: высокое альбедо поверхности уменьшает количество поглощаемой энергии.

Вместе с тем около 2% поверхности занимают активные горячие пятна. Их насчитывается более 10. Температура в пятнах 310, 400 и даже 600 К, причем размеры пятен колеблются в пределах от 75 до 250 км. 'Вояджер-1' застал 8 активных гигантских извержений, места которых были отождествлены с горячими пятнами. Сблизившийся с Ио через 4 месяца 'Вояджер-2' обнаружил, что 7 из них все еще продолжают извергаться. 'Выключился' только один из наиболее крупных вулканов, получивший название Пеле (в честь бога вулканов). В 1979 г. в точке, которая оказалась вулканической кальдерой Пеле, была зарегистрирована наивысшая температура, 600 К.

Интересно отметить, что центр извержения почему-то темный, а в стороны распространяются оранжевые потоки - продукты извержений. По-видимому, они накапливаются в глубинных резервуарах расплавленных веществ, как это показывает схема на рис. 2. Есть признаки того, что продолжительность существования вулканической кальдеры тем больше, чем из более глубоких резервуаров происходит извержение.

 

Рис. 2. Резервуары жидкой серы и конденсата сернистого газа на Ио

Вулканы Ио делятся на несколько типов. Первые имеют температуру 350-400 К и скорость выброса газовых продуктов около 500 м/с. Высота газового султана достигает 100 км и более, а выпадающие осадки имеют белый цвет. Таких большинство. Вторые отличаются очень высокой температурой кальдеры, имеют скорость выбросов около 1 км/с и высоту султана до 300 км. Главная их особенность - темная кольцевая окантовка на расстояниях нескольких сотен километров от кальдер, К ним относится Пеле и найденные позднее Сурт и Атен. Кольцо газоконденсатной природы вокруг Пеле имеет характерную форму следа подковы диаметром около 1000 км, а отложения на поверхности составили эллипс размерами 950х1400 км. В центре извержения расположено несколько обширных плоскогорий с обрывистыми краями и разделяющей их широкой долиной. Вся поверхность имеет темные оттенки оранжевого и коричневого цветов. Лишь плоскогорье выделяется более светлой окраской.

Среди интересных гипотез имеется предположение о гейзерном характере извержений второго типа, когда происходит внезапный фазовый переход летучих веществ (жидкость - газ). Такой фазовый переход в глубинном резервуаре известен для земных вулканов, например, острова Св. Елены. Для сернистого газа переход должен происходить при температуре 400 К, а для серы примерно при температуре 700 К. Если принять эту гипотезу, малые султаны соответствуют выбросам с небольших глубин, большие - выбросам из глубоких резервуаров.

Состав продуктов извержений (сера, сернистый газ и некоторые сульфиды) присутствует и в вулканических извержениях на Земле, но к основным составляющим извержений не относится. Чтобы судить о реальной мощности вулканизма на Ио, важно знать, много ли вещества выбрасывается в извержениях, для чего можно воспользоваться сведениями о возрасте поверхности. В свою очередь, для оценки (относительной) возраста поверхности небесных тел широко используется метод подсчета количества метеоритных кратеров, приходящихся на единицу поверхности. Метод дает оценку возраста, если, конечно, известна средняя плотность метеоритной бомбардировки (о некоторых трудностях такой оценки мы расскажем в разделе, посвященном Каллисто).

По отсутствию метеоритных кратеров на поверхности Ио было установлено, что поверхность эта очень молодая, около 1 млн. лет. Ее составляют продукты извержений. Из-за низкой температуры конденсации отложения конденсатов, как серы, так и сернистого ангидрида, сохраняются очень долго. Толщина слоя отложений оценивается от 3-4 до 20-30 км. В извержениях выбрасываются также силикатные магмы - возможно, таково происхождение темных пятен на поверхности Ио.

Общее количество вулканических кальдер на поверхности Ио, в том числе горячих, несколько десятков, но действующих, как уже говорилось, гораздо меньше. Общая площадь вулканических кальдер составляет примерно 2% территории спутника. Все они довольно мелкие (по глубине).

Необычный вид имеет вулканический объект, получивший название Патера Ра. Отходящие радиально от него змеевидные потоки простираются на расстояния до 200 км, изменяя оттенки от коричневого до светло-оранжевого и снежно-белого тонов. Природа вулканических потоков остается непонятной, как и еще более загадочные объекты - лавовые озера, к которым мы теперь перейдем. На их примере можно также кое-что узнать о времени жизни крупных извержений.

Самый сильный сигнал был зарегистрирован тепловыми радиометрами  'Вояджеров' от не вполне понятного объекта, который получил имя Локи. На телевизионных снимках с высоким разрешением он предстает как слегка срезанное круглое (кольцевое) образование темного оттенка; в центре его имеется угловатой формы светло-желтый объект размерами примерно в половину всего образования, которое само имеет размер 250 км. По-видимому, темный объект представляет собой озеро расплавленной серы, в центре которого плавает 100-километровый 'айсберг' из твердой серы! Вокруг него на темном фоне видны более мелкие обломки того же светлого материала. Примерно в 300 км севернее центра Локи проходит слегка наклонный разлом (трещина), длиной около 200 км, с таким же темным дном' имеющий в центре примерно такой же 'айсберг'. (Виды Локи на снимках первого и второго аппаратов несколько различаются.) С обеих сторон трещины в небо Ио на высоту 250 км бьют два мощных белых газовых султана, выделяющихся на фоне светло-серой поверхности. Измерения показывают, что жидкий темный материал кальдеры Локи не такой уж темный, он светлее поверхности Луны.

Район Локи давал основной тепловой поток при пролете и 'Вояджера-1' и 'Вояджера-2' в 1979 г. Но этим дело не ограничилось. Наземные телескопические: наблюдения вскоре также позволили зарегистрировать мощный тепловой поток, который появлялся, когда Ио' входила в тень Юпитера. Потом вспомнили, что такое же явление наблюдалось лет за 15 до того и осталось загадкой. Как часто ученых обманывают обстоятельства, что отмечается в известной поговорке, пришедшей еще от древних греков: 'После того - не значит вследствие того!' Если бы миллионы мегаватт рассеянной энергии излучались всей поверхностью Ио, температура спутника возросла бы всего на 2 К. Здесь же излучал определенно горячий район относительно небольших размеров.

Сопоставление показало также, что источники излучения распределены по поверхности очень неравномерно, появляются и исчезают при вращении спутника,. а появление горячих пятен при затмении Юпитером Солнца объясняется попросту тем, что именно в это время мы видим постоянно обращенную к Юпитеру сторону спутника, где расположен... кратер Локи. Дальнейшие наземные исследования показали, что тепловое излучение Ио в течение всех последующих лет неизменно' резко возрастает, как только становится виден меридиан 300-306њ з. д., т. е. Локи. Его вклад в излучение Ио составляет половину.

В самое последнее время появился новый метод исследований - тепловая поляриметрия. Эти исследования показали, что излучение исходит от гладкой поверхности, расположенной на 13њ с. ш. и 303њ з. д. С учетом ошибки +5њ, указанной авторами, это снова координаты Локи (16-19њ с. ш., 300-306њ з. д.). Ученых чрезвычайно интересует, сколько же лет может непрерывно происходить это извержение?

Разные цветовые оттенки поверхности Ио указывают, что, кроме серы и сконденсированного сернистого газа, там имеются и другие составляющие. Цвет отложений серы также зависит от температуры и может быть белым, желтым, красным, коричневым и даже черным. Широкий выбор цветов могут дать также полисульфиды. Чего определенно нет ни на поверхности Ио, ни в ее вулканических выбросах - это воды, ее снега или инея. А именно вода составляет основную массу вулканических выбросов на Земле. Сейчас воды на Ио, по-видимому, нет совсем. Но всегда ли спутник был безводным или его запасы воды растеряны в извержениях? Этот вопрос еще ждет своего решения, особенно если учесть, что Ганимед и Каллисто на 50-60% состоят из водяного льда и, возможно, жидкой водяной мантии.

Несколько слов о рельефе Ио. Он в основном равнинный. Кроме гор в центре комплекса Пеле, есть еще несколько крупных массивов. Имеются высокие горы у южного полюса, занимающие площадь около 150х80 км. Интересный объект обнаружен на телевизионных снимках: это гора высотой до 2,5 км с диаметром основания около 85 км, конической формы, которую специалисты относят к щитовым вулканам (отличающимся очень текучими лавами) и которые характеризуются совсем другим типом извержений. Здесь было бы уместно перейти к внутреннему устройству Ио, но у специалистов оно вызывает так много споров, что мы ограничимся лишь общей схемой галилеевых спутников, которую рассмотрим несколькими страницами ниже.

Орбита Ио расположена в той части магнитосферы Юпитера, где потоки заряженных частиц особенно плотны - в центре радиационного пояса. Эта часть магнитосферы напоминает 100-кратно увеличенные в размерах радиационные пояса Земли. Плазма здесь сосредоточена в объеме, весьма приближенно имеющем вид диска, который жестко связан с вращающимся магнитным полем планеты. Наряду с протонами и электронами в радиационных поясах Юпитера найдены ионы серы, кислорода и других элементов. Поскольку магнитосфера вращается быстро, часть заряженных частиц выбрасывается из нее центробежными силами и движется в межпланетной среде в виде медленного компонента космических лучей, пульсирующего с периодом вращения Юпитера (9 ч 55,5 мин). На орбите Ио находится тор горячей плазмы с температурой до 5х10⁴ К.

Электрические и магнитные явления очень интенсивны в магнитосфере Юпитера. Среди чудес природы - мощный естественный электрический генератор, составная часть которого - спутник Ио. Только, пожалуй, 'мощный' - не то слово. Между Юпитером и Ио течет ток в 5 млн. А. Мощность этой энергосистемы в 20 раз превышает суммарную мощность всех земных электростанций. Механизм, с помощью которого вырабатывается эта фантастическая мощность, по-видимому, связан с весьма своеобразной структурой так называемых токовых оболочек в плазмосфере Юпитера (рис. 3). Интересно отметить, что такая структура давно была предсказана известным шведским ученым X. Альфвеном для протопланетной туманности. Высказано предположение, что сильные электрические токи у поверхности Ио могут благодаря самостягиванию разряда (пинч-эффекту) концентрироваться на малой площади. Не связаны ли извержения с таким продолжительным прожигающим электрическим разрядом?

 

Рис. 3. 'Природный ускоритель' заряженных частиц (Ио)

Ио активно взаимодействует с магнитосферой и самим тором, перемешивая частицы средних и низких энергий и поглощая частицы высоких энергий. По-видимому, Ио 'работает' как одна из частей гигантского. природного ускорителя заряженных частиц. Электрические процессы в магнитосфере на уровне орбиты Ио связаны с радиоизлучением, приходящим с Юпитера в декаметровом диапазоне. Еще в 1964 г. было доказано, что оно определенно зависит от положения Ио: вероятность регистрации радиоизлучения наибольшая, когда Ио оказывается на максимальном угловом расстоянии, от Юпитера, если смотреть с Земли. В меньшей степени такую же зависимость показывают Европа и Ганимед. Космическими аппаратами было зарегистрировано и более длинноволновое излучение - в диапазоне от 0,3 до 30 км. Оно также, по-видимому, генерируется в плазменном торе на орбите Ио.

Тор вращается со скоростью, почти равной скорости магнитосферы, поэтому частицы в нем движутся намного быстрее, чем Ио. Их относительная скорость достигает 57 км/с, что вызывает интенсивную бомбардировку поверхности спутника и ежесекундно выбивает из нее примерно 1-2 т сернистого газа, который поступает в тор уже в виде однократно и двукратно ионизованных атомов серы и ионизованного кислорода. Измерения показали, что из тора исходит интенсивное излучение сильно ионизованных паров серы на длинах волн 953 и 672 нм и что температура плазмы в торе достигает 50- 100 тыс. К. Это означает, что в тор накачивается огромная энергия порядка 500 тыс. МВт, причем механизм поступления этой энергии в газовое кольцо остается неизвестным. На орбите находится также облако паров щелочного металла натрия, тоже очень большой протяженности - почти в диаметр Юпитера. Сравнительно низко над спутником обнаружены облака нейтральных натрия, калия, кислорода и серы. Структура тора и облаков до конца еще не исследована.

 

Европа. Приливная энергия, рассеиваемая в недрах следующего спутника, Европы, значительно меньше. Первые сообщения после сближения с Юпитером космических аппаратов не указывали на какие-либо признаки извержений. Но в дальнейшем были опубликованы сведения о наблюдавшемся султане над лимбом спутника, имеющем в своем составе пары воды, аммиак и 'попутные продукты'. Тем не менее газовые извержения, столь типичные для Ио, на Европе, по-видимому, очень редки.

То, что предстает на снимках Европы, - это сплошная ледяная оболочка спутника. Вид ее необычен. 100 лет назад была высказана нашумевшая идея о каналах на Марсе. Эти линии оказались всего лишь обманом зрения в условиях плохо различимых деталей на другой планете. Но вот на поверхности оранжево-коричневой Европы обнаружена вполне реальная густая сеть искривленных пересекающихся линий. Вид поверхности Европы напоминает снимки Северного ледовитого океана, сделанные с орбиты искусственного спутника Земли. Ученые вначале осторожно отнеслись к напрашивающейся аналогии. Но спектральные измерения не оставляли места для сомнений: природа поверхности - водяной лед и снег.

Крупномасштабные снимки принесли немало загадок. На одном из участков поверхности Европы видно много витков правильной циклоиды с шагом в несколько километров. Происхождение ее остается непонятным.

Размеры и средняя плотность небесного тела позволяют сделать предварительные выводы о доле льда в общей массе спутника. При диаметре 3138 км и средней плотности 3,04 г/см³ Европа должна быть обогащена водой по сравнению с Ио и Луной. Поэтому первые выводы говорили о толщине ледяной оболочки 100 км. Дальнейшие оценки, однако, привели к более скромным цифрам. В недрах Европы также выделяется энергия приливных взаимодействий, которая как минимум поддерживает в жидком виде толстую мантию, а попросту говоря, глубочайший подледный океан. Благодаря небольшой, но заметной эксцентричности орбиты и гравитационному взаимодействию с другими спутниками рассеиваемая энергия довольно велика, поэтому океан может быть теплым. Глубина океана составляет несколько десятков километров, а ледяной панцирь должен иметь толщину всего несколько километров. Эта оболочка хрупка и под действием перемещающегося приливного выступа иногда лопается, образуя доступ жидкой воды к безатмосферной поверхности спутника.

По-видимому, глобальная сеть линий - это трещины в толстой ледяной коре, вызываемые тектоническими процессами. Эти разломы не сопровождаются какими-либо движениями коры, а сами трещины заполняются быстро затвердевающим оранжевым раствором. Ширина разломов от десятков километров до 100 км, а их протяженность достигает 3000 км и более. Изливающаяся вода мгновенно закипает и одновременно замерзает, а испарившаяся часть выпадает на поверхность в виде снега и инея в радиусе нескольких сотен километров от источника. Само кипение уносит очень много тепла; в условиях Европы слой льда в полметра образуется за несколько минут. Такая схема подтверждается высокой яркостью поверхности (обнаженный свежий иней и лед) и, как уже говорилось, спектральными измерениями, указывающими на водяной лед почти без примесей.

Как и в случае Ио, фундаментальным оказывается вопрос о возрасте поверхности. К сожалению, доступные пока космические снимки Европы имеют плохое разрешение, в основном около 20 км. На них. практически отсутствуют метеоритные кратеры, эти 'засечки' возраста. Добавим, что Европа - очень гладкий спутник (иногда говорят, 'как бильярдный шар'). Наибольшие перепады высот не превышают 50 м. Все это можно понимать по-разному: либо как очень молодой рельеф, либо как существование какого-то механизма сглаживания рельефа. В пользу второго говорит высокая температура (жидкий океан воды) и способность льда в таких условиях к пластическим перемещениям (ледники).

Чтобы получить более однозначный ответ, была сделана попытка определить, насколько загрязнена снежная поверхность Европы серой. Как уже говорилось, сера выбрасывается с Ио, встраивается в виде ионов в магнитосферу Юпитера и постоянно бомбардирует поверхность Европы. Плотность этого потока известна, поэтому содержание серы дает оценку возраста. Измерения, выполненные с борта искусственного спутника Земли, дали следующие результаты: серы намного меньше, чем ожидалось, а средняя скорость выпадения осадков на поверхность за счет извержения воды составляет не менее 10 см за 1 млн. лет. Отсюда сразу же следует вывод, что через трещины, не считая испарения льда с поверхности спутника, выбрасывается не менее 100 кг воды в секунду (конечно, для спутника в целом).

Дно подледного океана должно быть сложено из силикатных пород, составляющих основную часть массы спутника. Если в силикатной подводной коре Европы имеются места повышенного тепловыделения (подводные вулканы), в результате термохимического синтеза могут возникать сложные химические соединения. Правда, существование таких очагов сомнительно, так как масса Европы уступает массе спокойной в вулканическом отношении Луны. Но ведь и вулканизм Ио был сюрпризом.

Интерес к подледному океану Европы был стимулирован предположением о возможном существовании в нем жизни, пусть в самых простейших формах. По своему объему океан Европы должен быть близок к земному, если его глубина составляет 50-60 км. При ускорении свободного падения на поверхности 132 см/с² давление на его дне такое же, как на 4-километровой глубине земного океана. Известно, что жизнь на Земле появилась именно в океанах, но для океанов Европы имеется труднопреодолимое ограничение: отсутствие источников энергии, каким на Земле является солнечный свет. Жизнь и фотосинтез неразделимы. Правда, есть одно исключение: соединения серы, образующиеся при весьма высоких температурах подводных извержений' используются некоторыми микроорганизмами в хемосинтезе (химическом синтезе под воздействием тепла).

Есть и другие, столь же гипотетические идеи; например, поглощение света микроорганизмами в короткий период существования новых трещин в ледяном панцире планеты. Читатель, вероятно, сможет предложить еще какую-нибудь идею. Но вернемся к началу нашего рассказа: существование ледяной оболочки Европы доказано и сомнений не вызывает. Что же касается океана и связанных с ним предположений, то пока это только умозрительные гипотезы.

Ганимед, Каллисто и другие. Массы и средние плотности галилеевых спутников приведены в табл. 2. Средние плотности монотонно уменьшаются от Ио к Каллисто, что указывает на увеличение доли льда.

Таблица 2 

Массы и плотности галилеевых спутников

Параметр	Ио	Европа	Ганимед	Каллисто
Масса, г	8,92х1025	4,87х1025	14,90х1025	10,75х1025
Средняя плотность, г/см3	3,55	3,04	1,93	1,83

Ганимед - самый большой спутник в системе Юпитера и вообще в Солнечной системе. По своему диаметру (5260 км) он даже превосходит Меркурий. Средняя плотность Ганимеда низка, всего 1,93 г/см³. Одно его полушарие - 'морское', другое - 'материковое', если эти характеристики годятся для ледяных тел. Внешне Ганимед напоминает Луну, но значительно больше нее. Темная древняя поверхность коричневого цвета на самом деле в 4-5 раз светлее темных районов Луны. На ней ярко выделяются светлые молодые ударные кратеры, имеющие отражающую способность (альбедо) до 100%. Они, как правило, окружены столь же светлым ореолом лучей из выброшенного и обнаженного материала.

Две наиболее крупные темные области на поверхности Ганимеда получили имена Галилей и Симон Мариус. (Последний независимо от Галилея открыл четыре крупнейших спутника Юпитера, практически одновременно с Галилеем.)

Возраст поверхности Ганимеда оказался очень большим. Остановимся немного подробнее на методе оценки возраста по количеству метеоритных кратеров на единице поверхности небесного тела. В эпоху формирования планет и спутников процесс метеоритной бомбардировки шел наиболее интенсивно. Пик ее приходится на время 3,9 млрд. лет назад, после чего она быстро пошла на убыль. Количество метеоритных кратеров, которые сохранились до наших дней, зависит от многих факторов, прежде всего от скорости их разрушения. Так, на Земле они сохраняются сравнительно недолго, а на Меркурии, например, имеются кратеры, восходящие к периоду его образования. Удобный объект для таких оценок- Луна, где имеются обширные равнины лавового характера с известным ныне временем образования. Кратеры на них дают сведения и о том, как изменялась плотность метеоритной бомбардировки со временем.

В настоящее время большие кратеры образуются очень редко. Применительно к галилеевым спутникам Ганимеду и Каллисто есть к тому же простой способ отличить молодой кратер от старого: недавно образовавшиеся имеют в основном светлые дно и лучи вокруг кратера, обнажающие чистую ледяную поверхность. Для определения возраста необходимо знать также, каковы характеристики тел, образующих метеориты, и их количество в данном районе Солнечной системы.

Основным источником метеоритных соударений являются астероиды и кометы (или их обломки). В результате очень редких столкновений астероидов образуется некоторое количество обломков разных размеров. Мелкие, естественно, встречаются чаще; их называют метеороидамп. Микрометеороиды легко регистрируются на космических аппаратах. Предполагается, что по их количеству можно судить и о существовании более крупных метеороидов.

Кажется очевидным, что их концентрация должна быть высокой в поясе астероидов и уменьшаться по мере удаления от него в обе стороны. Чтобы оценить реальное распределение метеороидов в пространстве и создаваемую ими опасность для космических средств, на одном из первых дальних космических аппаратов, 'Пионер-Сатурне', имелся датчик, который регистрировал удары микрометеороидов. Сведения о числе таких соударений аппарат транслировал на Землю.

На первой ветви трассы от Земли до Юпитера все шло, как и ожидалось: по мере приближения к поясу астероидов частота соударений возросла в 5-6 раз. Удивительно, однако, что частота соударений продолжала увеличиваться и после прохождения пояса астероидов, вплоть до самого Юпитера. Здесь аппарат круто повернул и стал подниматься над плоскостью эклиптики. Частота соударений продолжала расти. Дальнейшее движение к Сатурну сопровождалось неуклонным ростом частоты соударений, вплоть до самой планеты, где она оказалась в 30 раз выше, чем вблизи Земли.

Как понять эти странные результаты? Во-первых, можно предположить, что второй пояс астероидов действительно существует и микрометеороиды приходят оттуда. Во-вторых, что орбиты микроскопических небесных тел образуют что-то вроде 'клубка' орбит комет, а афелий их почему-то находится за орбитой Сатурна. Наконец, хорошо бы иметь подробный ряд независимых измерений, чтобы подтвердить постоянство зависимости, полученной космическим аппаратом 'Пионер-Сатурн'.

Здесь же для нас существенно другое: что интенсивность метеоритной бомбардировки в разных частях Солнечной системы могла подчиняться различным закономерностям и что оценка возраста поверхности небесных тел по количеству ударных кратеров дает не совсем однозначные результаты. С другой стороны, насыщенный кратерный рельеф, как материки Луны или поверхность Каллисто, никак не мог образоваться в сравнительно недавние времена.

Исходя из количества метеоритных кратеров, возраст наиболее старых участков поверхности Ганимеда оценивается в 3-3,5 млрд. лет. Очень большие размеры и сравнительно невысокая средняя плотность, лишь вдвое большая плотности воды, указывают на значительную толщину ледяной коры этого небесного тела. Согласно расчетам, на водяной лед приходится около 50% его массы. На снимках Ганимеда, выполненных с высоким разрешением, хорошо видны странные изломанные, ни на что не похожие ряды многочисленных субпараллельных долин и хребтов, образующих причудливую структуру на поверхности спутника (снимок внизу на последней странице обложки). Их природа остается пока загадочной.

Эти образования концентрируются главным образом в светлых областях. Ширина их от нескольких километров до десятков километров, а высота хребтов (или глубина долин) составляет всего несколько сотен метров; они простираются на многие тысячи километров, пересекаясь и изменяя иногда направление в точках пересечений и даже пересекая ударные кратеры. В районах этих полос меньше ударных кратеров, что указывает на более молодой их возраст. Высказано предположение, что полосы возникли под действием растяжений ледяной коры Ганимеда, что можно понять как ее локальную тектонику. Более того, подробный анализ указывает на древние явления, напоминающие глобальную тектонику плит на Земле, например, вращение больших блоков поверхности.

Наряду со светлыми системами лучей у некоторых кратеров на Ганимеде имеются темные лучи. Возможно, они образовались из темного материала поверхности. В темных же районах в южном полушарии обнаружены необычные кратеры-фантомы, которые выделяются только оттенком, но не имеют выраженного рельефа. Наряду с ними имеется относительно 'свежий' метеоритный кратер диаметром 175 км, окруженный сильно разрушенным рельефом. Последний образовался, по-видимому, уже при разрушении застывшей на большую глубину коры.

Оттенки поверхности Ганимеда и следующего спутника - Каллисто - связаны с цветом выпадавших на их поверхность ледяных и силикатных обломков в эпоху последних стадий образования планет и спутников. Природа же гигантских 'морей' на поверхности Ганимеда может иметь и другое происхождение. Исследование поверхности этих тел позволяет сделать еще одно удивительное заключение: по-видимому, на ранних стадиях своей эволюции планеты-гиганты излучали в космос огромные потоки энергии. Спутники Юпитера, расположенные несравненно ближе к центральной планете, чем к Солнцу, на единицу площади получали больше энергии, чем Меркурий от Солнца. Следы этих событий и сейчас можно увидеть на поверхности Ганимеда.

Расчеты подтверждают такую возможность. До 10% полной солнечной радиации - такова мощность, которую Юпитер мог излучать в космос на ранней стадии своей эволюции. В лучах Юпитера плавились льды на поверхности спутников, частично включая Ганимед. Вместе с тем излучавшиеся Юпитером потоки тепла были недостаточны, чтобы вызвать плавление поверхности Каллисто, удаленного от планеты почти на 2 млн. км. Его поверхность представляет собой насыщенный метеоритными кратерами рельеф, сохранившийся со времени образования этих спутников, с возрастом около 3,5 млрд. лет.

На ней запечатлелись следы колоссального столкновения с относительно большим телом: трещины вокруг одного из метеоритных кратеров образуют более десяти концентрических колец диаметром до 2600 км. Образование получило название Валгалла. Его масштабы напоминают гигантский бассейн Моря Зноя на Меркурии. Два мира - мир глубокого холода Каллисто и раскаленный Меркурий - роднят одинаковые по происхождению и сходные по масштабам и очертаниям кольцевые структуры на Каллисто и валы Моря Зноя на Меркурии. Интересно, что центральный кратер Валгаллы невелик и выражен очень слабо.

По своим размерам Каллисто (4800 км) очень немного уступает Ганимеду; средняя его плотность 1,83 г/см³. Водяной лед составляет 60% массы спутника. Ледяная кора Каллисто имеет очень большую толщину.

На Каллисто полностью отсутствуют протяженные равнины, покрытые продуктами извержений (как 'морские' области Ганимеда или Луны). Кратеры Каллисто отличаются от кратеров тел силикатной природы (как наша Луна) небольшой глубиной и слабо выраженными валами. Предполагается, что пластичность ледяной коры за очень большое время сглаживает рельеф ударных кратеров. Температура поверхности Каллисто, (на экваторе в полдень) достигает 140-150 К и быстро падает после захода Солнца. Любопытный факт установлен в радиоастрономических наблюдениях галилеевых спутников: радиояркостная (определенная с помощью радиосредств) температура составила 180 К для Каллисто и 165 К для Ганимеда. Причина расхождений с вполне надежными инфракрасными определениями, приведенными раньше, остается неизвестной.

На рис. 4 показана предполагаемая схема внутреннего строения галилеевых спутников. Под тонкой корой Ио находится разогретая и, вероятно, размягченная силикатная мантия. Не исключено, что спутник имеет очень маленькое ядро из более тяжелых каменных пород и льдов, не превышающее 2-3% его массы. Поверхность покрыта отложениями серы, сернистого газа (в виде инея) и другими составляющими. Толщина отложений может достигать 20 км.

Рис. 4. Внутреннее строение спутников Юпитера

Внешняя оболочка Европы - водно-ледяная. Толщина покрова из льда-около 10 км, глубина океана- около 50 км. Силикатная мантия может быть нагретой. но далеко не до температур плавления. Если там и есть ядро из более тяжелых пород, его масса не может быть более 1-3% массы спутника.

Слой ледяной коры у Ганимеда и Каллисто должен быть толщиной около 75 км, причем в случае Каллисто должна быть значительная примесь каменных пород. Мантия силикатного состава доходит до центра спутников. Поверхность обоих тел покрыта бесчисленным количеством ударных кратеров, большинство из которых очень старые. Более молодые кратеры в некоторых точках обнажают незагрязненную ледяную поверхность.

Проблемы спутников Юпитера, этой 'минипланетной системы' в планетной системе, на редкость увлекательны. Здесь можно проследить многие закономерности, присущие Солнечной системе в целом, хотя есть и существенные отличия. Эта отрасль астрономии ныне быстро развивается.

Ио, Европа, Ганимед и Каллисто легко различаются с Земли даже в бинокль. Но поверхность этих спутников на снимках космических аппаратов ученые увидели впервые. Можно также представить себе вид Юпитера с галилеевых спутников, который должен выглядеть необычайно величественно. Например, с Ио Юпитер виден диском, по диаметру в 36 раз большим привычной нам Луны. Остается добавить, что необычность оттенков и их сочетаний эмоционально производит впечатление незнакомой и привлекательной красоты далеких миров.

Впрочем, возможно, что широко публиковавшиеся цветные фотографии семейства Юпитера имеют преувеличенно яркие тона. Точно так же, как насыщенность цвета экрана телевизора регулируется по желанию телезрителя, переданные из космоса снимки допускают произвольное усиление цветных оттенков изображения. В одной из недавно опубликованных работ известный специалист-планетолог провел сравнение реальных телевизионных сюжетов и опубликованных в печати материалов. По его данным, истинный цвет Ио - бледно-желтый и серый, а Патера Локи имеет светло-соломенный оттенок. Равным образом и другие объекты стали гораздо бледнее.

Два ближайших к Юпитеру спутника, небольшие тела Метис и Адрастея, имеют неправильную форму. Их орбиты проходят по внешнему краю удивительного образования - кольца Юпитера. По-видимому, они играют важную роль в формировании его внешней границы.

Третий спутник, Амальтея, также неправильной формы, имеет размеры 135х85х75 км, причем его большая ось, как и у других близких спутников, постоянно направлена на центр Юпитера. Окраска Амальтеи - оранжевая, альбедо около 0,05. Подробных снимков Амальтеи пока нет. На ее поверхности видно какое-то белое образование. В одной из работ, посвященных происхождению галилеевых спутников, указывается, что в отдаленном прошлом диаметр Ио, вероятно, был намного больше нынешнего, так как спутник постоянно теряет массу в извержениях. Более того, высказывается также предположение, что существовал еще один гигантский спутник, процесс разрушения и потеря массы которого происходили особенно быстро. То немногое, что осталось от него, - нынешняя Амальтея.

Еще один небольшой спутник, Теба, размерами около 50 км, движется по орбите, лежащей между орбитами Ио и Амальтеи.

Вторая группа спутников находится значительно дальше от Юпитера, чем галилеевы спутники, на расстоянии около 12 млн. км. Период их обращения близок к 250 сут. В эту группу входят 5 спутников. Все они очень малы и, кроме особенностей движения и названий, о них мало что известно. Наконец, есть третья группа из четырех спутников, отличающихся обратным направлением движения. Их расстояние от Юпитера около 23 млн. км, а период обращения около двух земных лет.

Далее...

 

 

Более подробно об этих явлениях см.:  Сурдин В. Г. Приливные явления во Вселенной.  - М., Знание, 1986

Как известно, крупные части земной коры (большие блоки) находятся в движении. Не исключено, что подобный процесс проявлялся и в ранней истории Ганимеда.

Приборы, измеряющие тепловое излучение