Гигантское столкновение. Теория происхождения Луны

Ученые собрали большой объем информации о породах, залегающих в различных районах Луны. Эти данные были получены с помощью метода радиоактивного датирования образцов лунной породы, привезенных на Землю шестью экипажами астронавтов кораблей Apollo, которые высаживались на Луне в разное время с 1969 по 1972 год.

До осуществления лунной программы Apollo несколько высококлассных специалистов уверенно предсказывали, что Луна будет "розеттским камнем"^[17] Солнечной системы. При отсутствии воды в жидком состоянии, которая размывала бы поверхность, атмосферы и активных вулканических процессов на поверхности Луны, по их мнению, должно было быть много первичного материала, сохранившегося со времени образования Луны и планет Солнечной системы. Но, увы, лунные образцы, полученные с помощью кораблей Apollo, "бросили камень" в их теорию.

Когда порода плавится, остывает и снова кристаллизуется, все ее "радиоактивные часы" устанавливаются в нулевое положение (т. е. время обнуляется). Радиоактивные изотопы начинают превращаться в новые дочерние изотопы, которые оказываются во вновь сформированных кристаллах минералов. Породы, полученные с помощью лунной программы Apollo, показали, что практически вся Луна или по меньшей мере ее кора на значительную глубину была в расплавленном состоянии 4,6 миллиарда лет назад. Поэтому максимальный возраст самых древних лунных пород "всего лишь" 4,5 миллиарда лет. Разница между 4,6 и 4,5 миллиарда лет составляет 100 миллионов лет. И, в отличие от минералов в земных породах, в структуре которых в связанном состоянии содержится вода, в лунных породах совершенно нет воды.

Негостеприимная Луна

Днем температура на поверхности Луны повышается до 117 °C, а ночью она падает до -169 °C. Такие резкие перепады температур обусловлены практически полным отсутствием атмосферы, которая служила бы "изоляционным слоем" и сокращала потери тепла ночью. На Луне также нет воды в жидком состоянии. Здесь слишком горячо, слишком холодно и слишком сухо, чтобы могла существовать жизнь, как мы ее себе представляем. Ситуация настолько неблагоприятна, что даже наличие воздуха вряд ли улучшило бы ее.

Чтобы объяснить все эти факты и избавиться от недостатков предыдущих теорий, была выдвинута теория происхождения Луны под названием "Гигантское столкновение"^[18]. Согласно этой теории, Луна состоит из материала, вырванного из мантии Земли гигантским объектом, в три раза массивнее Марса, который нанес юной Земле удар по касательной. Считается, что Луна также содержит часть пород из мантии этого объекта.

От этого мощного удара по юной Земле часть ее вещества испарилась и была выброшена в космическое пространство. А из этого облака образовалась Луна. Все удары, породившие кратеры, которые мы теперь видим на поверхности Луны, происходили гораздо позже, но большинство — свыше 3 миллиардов лет назад.

Согласно этой теории, плотность Луны в целом меньше плотности Земли и примерно совпадает с плотностью мантии Земли (поскольку Луна состоит из материала мантии). По этой же теории, у Луны не должно быть большого железного ядра (либо его вообще нет). Если же у малого объекта (т. е. у Луны) малое ядро, то он должен был остыть и замерзнуть очень давно, и вряд ли вообще когда-либо содержал железо в жидком состоянии. Исходя из этого, Луна не должна генерировать глобальное магнитное поле. Именно об этом и говорят факты, полученные в результате космических экспериментов и измерений. Lunar Prospector, искусственный спутник, запущенный на орбиту вокруг Луны в конце 1990-х годов, обнаружил магнитные поля, но только в отдельных местах Луны. Это просто остатки древних магнитных полей, которые были генерированы неизвестным путем в древние времена.

Сегодня эта теория считается самой лучшей теорией происхождения Луны. К сожалению, пока никто не придумал простого способа ее проверки. Например, не существует особого вида лунной породы, которая могла бы доказать правильность этой теории.

Будем считать, что это хорошая теория, хотя на самом деле мы можем так никогда и не раскрыть тайну происхождения Луны.

Полярное сияние

Полярное сияние — это одно из самых захватывающих зрелищ на ночном небе, причем его могут увидеть далеко не все. Если вы живете в Северном полушарии, то можете увидеть северное полярное сияние, а если в Южном — южное полярное сияние.

Полярное сияние — это загадочное свечение на темном ночном небе, вид которого может оставаться неизменным в течение минут и даже часов или постоянно меняться. Оно может мерцать, пульсировать или даже вспыхивать в небе. Таким образом, полярное сияние предстает в разных формах. Давайте рассмотрим самые распространенные из них.

Свечение. Самая простая форма полярного сияния, когда кажется, что тонкое облако в некоторой части неба отражает лунный свет или городские огни. Но на самом деле никакого облака нет, а есть только таинственный свет полярного сияния.

Дуга. Напоминает радугу, но в отсутствие солнечного света, благодаря которому она могла бы возникнуть. Чаще всего встречается ровная или пульсирующая зеленая дуга, но иногда можно увидеть красноватую дугу.

Занавес (или драпировка). Эта эффектная форма полярного сияния напоминает колышущийся театральный занавес, это и есть "гвоздь программы" наблюдаемого небесного шоу.

Лучи. Одна или несколько длинных тонких линий в небе, которые кажутся таинственными лучами, ниспадающими с небес.

Корона. Напоминает корону высоко в небе, от которой во всех направлениях расходятся лучи.

Полярное сияние возникает от потоков электронов, порожденных солнечными вспышками. Отклоняясь под действием магнитного поля Земли, они ударяются об атмосферные частицы, вызывая их свечение. Полярные сияния можно постоянно наблюдать в высоких широтах, т. е. в приполярных районах Земли — возле Северного и Южного полюсов. Люди, живущие в этих районах, могут видеть полярное сияние каждую ночь. Но есть и исключения из этого правила. Когда радиация очень мощных солнечных вспышек достигает магнитосферы Земли, районы наблюдения полярных сияний смещаются в сторону экватора. И тогда жители приполярных районов могут лишиться привычного зрелища, но зато его увидят люди, живущие в других местностях (ближе к экватору, т. е. в низких широтах), для которых это в диковинку. Чаще всего это случается через несколько лет после пика солнечной активности.

Вы спросите: а почему полярные сияния наблюдаются именно в полярных районах? Дело в том, что магнитное поле Земли отклоняет частицы, устремляющиеся к экватору, и направляет их к магнитным полюсам Земли.

Изображения и данные ежедневных наблюдений полярных сияний с помощью спутников NASA, NOAA^[19] и Военно-воздушных сил США можно найти на сайте канадского университета Лесбриджа по адресу http://solar.uleth.ca/solar/aurora.html, а прогнозы предстоящих полярных сияний можно посмотреть по адресу solar.uleth.ca/monitor.

Глава 6
Ближайшие соседи Земли: Меркурий, Венера и Марс

В этой главе…

Исследование поверхности, атмосферы и недр планет

Поиск и наблюдение Меркурия, Венеры и Марса

Чем отличается Земля от других планет земной группы

Соседние с Землей планеты земной группы — Меркурий, Венеру и Марс — легко обнаружить невооруженным глазом, а затем исследовать с помощью телескопа. Эти небесные объекты, вызывающие к себе жгучий интерес, открывают только небольшую часть своих тайн, если наблюдать их с Земли. Поэтому большая часть знаний об их физических характеристиках, геологических структурах и вероятной истории, которыми сегодня располагают ученые, основана на изображениях и измерениях, отправленных на Землю межпланетными космическими аппаратами.

К Меркурию был отправлен только один космический аппарат, который пролетел мимо него три раза. К Венере летали несколько космических аппаратов, которые облетели вокруг нее и даже осуществили посадку. К Марсу отправляли большое количество космических аппаратов, спускаемых аппаратов и автоматических транспортных средств ("роверов" или мар-соходов); как правило, их отправляли каждые два года. За счет этого удалось составить очень подробные карты Венеры и Марса, чего нельзя сказать о Меркурии: большие участки его поверхности до сих пор никто не видел.

Меркурий — металлическая планета

Несмотря на то, что космический аппарат Mariner-10 в 1973 и 1974 годах пролетел мимо Меркурия три раза, удалось картографировать меньше половины его поверхности. Остальная часть либо не попала в "поле зрения" Mariner-10, либо была темной во время его приближения. Чтобы возместить этот недостаток информации, NASA планирует в 2004 году отправить к Меркурию новый космический аппарат.

Вы тоже можете следить за процессом разработки и запуска этого космического аппарата, получившего название MESSENGER (сокращение от слов Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry and Ranging — Поверхность, космическое пространство, геохимия и телеметрия Меркурия), на сайте http://messenger.jhuapl.edu. Здесь можно увидеть также изображения Меркурия, сделанные космическим аппаратом Mariner-10.

Имеющиеся на данный момент знания о Меркурии получены, в основном, с помощью космического аппарата Mariner-10 и радиолокационных наблюдений с Земли, когда в направлении Меркурия передают импульсы радиоволн, а затем изучают их отражение. Поверхность Меркурия, испещренная ударными кратерами, подобна поверхности Луны. Но только на Меркурии есть длинные извилистые горные хребты, пересекающие ударные кратеры и другие геологические структуры. Вероятно, они образовались в результате сжатия коры планеты, когда она остывала после пребывания в расплавленном состоянии. Кроме того, на Меркурии меньше малых кратеров, чем на Луне, по отношению к количеству больших кратеров. Нужно отметить, что у Меркурия нет своего спутника (по крайней мере, он не обнаружен).

На Меркурии, как и на Луне, есть сильно испещренные кратерами возвышенности (или материки). Но, в отличие от Луны, возвышенности Меркурия плавно переходят в равнины. Низменности Меркурия также представляют собой плоские равнины.

Самым крупным следом столкновений Меркурия с другими небесными телами считается бассейн Калорис. Он не полностью картографирован, потому что во время приближения к нему космического аппарата Mariner-10 большая его часть была темной. По оценкам астрономов, ширина этого бассейна составляет примерно 1340 км, что делает его одним из самых крупных в Солнечной системе. Ударные бассейны — это огромные кратеры, подобные тем заполненным лавой структурам на Луне, которые называются морями. На месте, диаметрально противоположном бассейну Калорис (с другой стороны Меркурия), находится странный район разрушенных холмов и долин. Видимо, столкновение, породившее бассейн Калорис, вызвало появление мощных сейсмических волн, которые прошли сквозь тело Меркурия и создали на противоположной его стороне картину катастрофических разрушений.

Плотность Меркурия в 5,4 раза больше плотности воды. Причина такой высокой плотности в том, что у Меркурия огромное железное ядро, которое составляет значительную часть планеты. Толщина внешнего по отношению к ядру слоя — мантии — составляет не больше 610 км. Наличие глобального магнитного поля Меркурия, обнаруженного космическим аппаратом Mariner-10, по мнению многих специалистов, говорит о том, что наружная часть ядра все еще находится в расплавленном состоянии. В то же время простые подсчеты показывают: к настоящему времени ядро должно было достаточно остыть для того, чтобы затвердеть.

На Меркурии есть слабые следы атмосферы, но они слишком незначительны; с этой точки зрения он похож на Луну. Из-за отсутствия атмосферы на поверхности Меркурия наблюдаются очень резкие перепады температур — от -183 °C ночью до +440 °C днем. Возле северного и южного полюсов Меркурия с помощью радара были обнаружены области с высоким коэффициентом отражения. Это может означать наличие на полюсах больших ледовых шапок, находящихся в глубоких кратерах, дно которых никогда не освещается Солнцем. О том, верно ли такое предположение, ученые надеются узнать с помощью космического аппарата MESSENGER.

Венера: не слишком приятное место для жизни и визита

На Венере никогда не бывает ясных дней, потому что она постоянно покрыта толстым (15-километровым) слоем облаков из концентрированной серной кислоты. И здесь нет никакого спасения от жары. Венера — самая горячая планета в Солнечной системе; температура на ее поверхности, достигающая +464 °C, остается практически постоянной от экватора до полюсов, днем и ночью.

Но страшная жара — это еще не все. Атмосферное давление на Венере в 93 раза выше земного! На Венере нет воды, поэтому вы можете жаловаться на жару, но никак не на влажность, — атмосфера здесь горячая и сухая, как в пустыне. Погода на Венере тоже не радует: на всей территории планеты постоянно льют дожди из серной кислоты. Утешает только одно: этот дождь испаряется еще до того, как достигает поверхности.

Почти все прекрасные изображения поверхности Венеры, которые можно найти на Web-сайтах NASA (а также на других сайтах), — увы, не фотографии. Это подробные карты, составленные с помощью радиолокационных приборов космического аппарата Magellan. Существует очень мало фотографий поверхности Венеры, поскольку ее полностью скрывает плотный слой облаков. Поэтому поверхность Венеры нельзя рассмотреть в телескоп с Земли и сфотографировать с искусственного спутника, движущегося по орбите вокруг нее. Верхний слой облаков находится на высоте примерно 65 км, т. е. намного ниже той высоты, на которой может находиться спутник.

Карты Венеры, полученные с помощью радиолокационных приборов искусственного спутника, изображения ее поверхности, сделанные с помощью спускаемых аппаратов, а также изображения других объектов Солнечной системы, можно посмотреть на Web-сайте Views of the Solar System (Виды Солнечной системы) по адресуwww.solarviews.com/eng/homepage.htm (щелкните на элементе Venus, а потом — на Venus Photo/Animation Gallery).

С помощью спускаемых аппаратов советских автоматических межпланетных станций (АМС) "Венера-13" и "Венера-14" в 1982 году были получены цветные панорамы поверхности планеты. А в 1983 году с помощью АМС "Венера-15" и "Венера-16" удалось осуществить радиолокационное картографирование поверхности северного полушария. Впервые были получены радиолокационные изображения северной приполярной области Венеры. На изображениях видны кратеры, возвышенности, крупные разломы, горные хребты и детали рельефа размером 1–2 км.

На поверхности Венеры все кажется оранжево-коричневым из-за толстого слоя облаков, фильтрующего солнечные лучи. Большая часть поверхности Венеры (около 85 %) — это плоские равнины и вулканические низменности с бороздами (извилистые каньоны, оставленные потоками лавы). На этой территории находится самая длинная (из известных в настоящее время) борозда в Солнечной системе — Балтийская долина, которая протянулась по поверхности Венеры почти на 6800 км. На Венере есть также испещренные кратерами возвышенности и деформированные плоскогорья.

На Венере не так много кратеров, как можно было ожидать, исходя из их количества на Луне (кстати, насколько известно, у Венеры нет собственного спутника) и на Меркурии. Нет также и малых кратеров. Больших кратеров тоже не так много, потому что поверхность Венеры была затоплена лавой или полностью "обновлена" вулканическими процессами (о которых мы говорили в главе 5), после того как ее бомбардировка ударными объектами практически закончилась. Это затопление или обновление практически полностью стерло следы всех (или почти всех) прежних кратеров. И со времени уничтожения следов старых кратеров Венера испытала всего несколько ударов крупных небесных объектов, а мелкие объекты не могут создать много кратеров на Венере. Причина в том, что объекты, способные создать кратеры диаметром до 3 км, задерживаются и уничтожаются аэродинамическими силами в толстом слое венерианской атмосферы.

На Венере обнаружены огромные вулканы и горные хребты, но ничего похожего на горы Земли, порожденные движением плит. На Венере нет вулканических цепей (таких как "тихоокеанское огненное кольцо"), возникающих по краям плит. На Венере нет тектоники плит и дрейфа континентов, как на Земле.

Марс — планера загадок

Для Марса были составлены очень точные топографические карты. Новейшую карту всей планеты можно найти на Web-сайте NASA (ltpwww.gsfc.nasa.gov/tharsis/global_paper.html). Поскольку карты топографические, на них отражены высоты форм рельефа. Они сделаны с помощью лазерного альтиметра (высотомера), установленного на искусственном спутнике Mars Global Surveyor (MGS), вращающемся по орбите вокруг Марса. На борту MGS установлен фотоаппарат, и самые последние сделанные им фотографии можно посмотреть на сайте Malin Space Systems (www.msss.com) — компании, разработавшей этот фотоаппарат и осуществляющей управление им.

Куда исчезла вся вода?

Топографическая карта Марса показывает, что большая часть северного полушария расположена намного ниже, чем территория южного полушария. Вполне возможно, что эти огромные северные низменности — бывшее дно древнего моря. Но даже если это не так, существуют убедительные доказательства того, что когда-то на Марсе была вода в жидком состоянии.

В настоящее время поверхность Марса холодная и сухая, а на полюсах есть большие шапки льда. По некоторым оценкам, этого льда достаточно для того, чтобы, в случае их таяния, всю планету затопило море глубиной примерно 30 м. Но этот лед не растает, потому что на Марсе слишком холодно. Атмосфера состоит в основном из углекислого газа, а зимой часть этого газа замерзает на поверхности планеты, оставляя тонкие слои сухого льда. На том полюсе, где зима, тонкий слой сухого льда часто покрывает шапку льда из замерзшей воды. Сухие русла рек с островами обтекаемой формы, и галька, которая выглядит так, как будто ее обточили водяные потоки, — вот всего несколько свидетельств в пользу того, что в прошлом на Марсе существовала вода в жидком состоянии. Изображения гальки были получены с помощью космического аппарата Mars Pathfinder (которые совершил посадку на Марс в 1997 году) и его автоматического транспортного средства, первого марсохода Sojourner.

Магнитометр, установленный на MGS, обнаружил длинные параллельные полосы противоположно направленных магнитных полей, "застывших" в каменистой коре Марса. В настоящее время у Марса нет глобального магнитного поля, но данное открытие может означать, что когда-то у него было такое поле и оно периодически меняло свое направление на противоположное, — точно так же, как магнитное поле Земли (см. главу 5). Это может также означать, что в коре Марса происходили процессы, аналогичные расширению океанского дна на Земле, которые и привели к возникновению подобного магнитного "узора". Но расплавленное железное ядро Марса должно было затвердеть очень давно, поэтому в настоящее время оно уже не генерирует магнитное поле и тепловой поток из глубин планеты к ее поверхности настолько незначителен, что сегодня на ней, вероятно, уже нет вулканических процессов.

Вулканические процессы, которые в давние времена происходили на Марсе, привели к возникновению гигантских вулканов, таких как Гора Олимп (Olympus Mons), имеющий ширину около 600 км и высоту около 24 км! Это значит, что он в пять раз шире и почти в три раза выше крупнейшего вулкана Земли, Мауна-Лоа. На Марсе также много каньонов; в их числе такой огромный каньон, как Долина Маринер, длина которого составляет примерно 4000 км. Есть и ударные кратеры. Они имеют более размытую форму, чем лунные, потому что подвергались более сильному воздействию эрозии, вероятно, за счет действия воды, когда-то вызывавшей сильные наводнения на Марсе.

У Марса только два естественных спутника — Фобос и Деймос. Но они очень малы и поэтому их нельзя увидеть в любительский телескоп.

Есть ли жизнь на Марсе?

Относительно Марса существует множество заблуждений. Есть также гипотезы, которые могут оказаться правильными, но они пока еще не доказаны. Эти гипотезы связаны с возможностью существования жизни на Марсе. Но большинство из них так же неправдоподобны, как анекдот об астронавте будущего, который вернулся с этой планеты. На вопрос корреспондента "Ну что, есть на Марсе жизнь?" он отвечает: "В течение недели — не особенно, но зато в субботу вечером…"