Поверхности галилеевых спутников Юпитера
После пролетов около Юпитера космических аппаратов «Вояджер» мы узнали много нового и интересного о галилеевых спутниках Юпитера. Стало, наконец, возможным увидеть их поверхности. Были открыты три новых небольших спутника, два из которых, названные Адрастея и Метис, находятся ближе всего к планете и, следовательно, считавшийся ближайшим к Юпитеру спутник Амальтея переместился на третье место, а с пятого по восьмое места занимают галилеевы спутники.
По своим размерам и расположению галилеевы спутники можно уподобить модели внутренней области Солнечной системы, где находятся планеты земной группы. Однако эти тела, обладающие уникальными свойствами поверхностей, сильно отличаются от земных планет по целому ряду характеристик.
Наиболее удивительным оказался первый из семейства галилеевых спутников — Ио, на котором обнаружено много действующих вулканов. На протяжении нескольких часов пролета двух аппаратов «Вояджер» наблюдалось несколько извержений с мощными вулканическими выбросами, причем шесть из семи вулканов, зарегистрированных первым аппаратом, продолжали действовать четыре месяца спустя, во время пролета второго аппарата. Крупнейшее извержение со следами изливающихся потоков лавы и вулканических отложений, по форме напоминающих отпечаток коровьего копыта. Три крупных извержения отчетливо выделяются на краях диска Ио. Высота мощного выброса справа составляет почти 300 км, и легко подсчитать, что для этого необходима скорость на выходе из вулканического жерла около 1 км/с! Это во много раз превышает скорость и высоту выбросов при извержении вулканов на Земле, хотя при наблюдении из космоса такие события выглядят пожалуй, не менее впечатляющими. Объясняется это в первую очередь тем, что, в отличие от Земли, у Ио очень разреженная атмосфера, поэтому продукты извержения ускоряются за счет расширения газа в вакуум. При этом очаг извержения может быть расположен на очень небольшой глубине.
Что представляют собой продукты извержения, о которыми непосредственно связаны структура и цвет поверхности? Спектры отражения Ио, в которых не обнаруживается признаков воды или водяного льда, содержат вместе с тем четкие признаки серы и ее соединений (это проявляется прежде всего как сильное уменьшение отражения в синем и ультрафиолетовом участках спектра). В пользу серы говорят и эмиссионные спектры, излучаемые веществом в окрестностях орбиты Ио, и естественно предположить, что спутник является источником этого вещества, поставляемого мощными вулканическими выбросами. Хорошо известно, что сера — в виде диоксида (ангидрида) SO2 и сероводорода H2S является одним из главных продуктов вулканических извержений и у нас на Земле. С учетом этих и ряда других соображений все исследователи сходятся в мнении о том, что именно сера играла и продолжает играть определяющую роль в геологии Ио и эволюции поверхности этого спутника.
Большое количество серы могло накопиться за геологическую эпоху в поверхностном слое, поверх силикатной коры. Толщина этого слоя оценивается от 3—4 до 20—30 км. Поднимаясь из глубины,, жидкая магма из-за большей, чем у серы, плотности вряд ли достигает поверхности (подобно большинству извержений подводных вулканов на Земле), а взаимодействуя с отложениями серы и сернистого ангидрида, приводит к их испарению. Расширяющийся газ вырывается в космос, увлекая за собой потоки жидкой серы. При охлаждении сера и сернистый ангидрид конденсируются на поверхности, создавая яркую окраску: красный и красновато-желтый цвета принадлежат сере (в частности, ее пурпурной модификации Sa, образующейся при замораживании сильно нагретых паров серы), белые пятна — это снег из сернистого ангидрида, а черные пятна — вулканический пепел. В более глубоких слоях могут отлагаться соединения типа сульфидов магматогенного происхождения.
Независимо от того, насколько реалистична такая модель, одно остается бесспорным: среди объектов Солнечной системы (по крайней мере тех, поверхности которых нам уже удалось увидеть) Ио оказалась рекордсменом по вулканической активности, что еще совсем недавно вряд ли кто-нибудь мог предположить. Это пока единственный (кроме, конечно, нашей Земли) пример широко развитого современного вулканизма, к тому же, вероятно, продолжающегося непрерывно и превосходящего по своей интенсивности вулканическую деятельность на Земле.
Мы говорили о поражающих воображение нескольких грандиозных вулканах на Марсе, Венере. Но на маленькой по сравнению с земными планетами Ио (по своим размерам она почти такая же, как Луна) обнаружено свыше ста вулканических кальдер, поперечником до 200 и более километров, т. е. в 10—100 раз превосходящих земные! Вокруг многих видны потоки вытекающей или застывшей лавы протяженностью в несколько сотен километров и шириной в десятки километров, что также во много раз превосходит привычные земные масштабы. Правда, сами вулканы сравнительно невысокие, больших перепадов высот на поверхности Ио, где преобладают межвулканические равнины, нет. Только в полярных областях встречаются отдельные горы высотой до 10 км. В целом же рельеф сглаженный, и одновременно не обнаруживается выходов скальных пород. Все это, казалось бы, благоприятствует гипотезе, согласно которой у Ио очень тонкий верхний слой затвердевшей коры, под которой находится расплавленная сера.
Вместе с тем встречающиеся на межвулканических равнинах отдельные холмы заметной величины и глубокие впадины нельзя объяснить в рамках такой модели, исходя из условия изостатического выравнивания. Поэтому скорее следует говорить об отдельных областях расплава, подповерхностных «серных морях». Сама же температура поверхности в районе экватора составляет —140 °С, а в полярных областях еще градусов на 50 ниже. Лишь в локальных участках, ассоциируемых с вулканической деятельностью, обнаружена температура + 10°С. При столь низкой температуре пары серы, вырываясь на поверхность, очень быстро охлаждаются, что и объясняет образование ее красной модификации в вулканических отложениях, помимо двух наиболее распространенных в земных условиях аллотропических модификаций лимонно-желтого и медово-желтого цвета.
Наличие вулканической активности и отсутствие на поверхности ударных кратеров крупнее 1—2 км свидетельствует о том, что поверхность Ио очень молодая, ее возраст очевидно не превышает миллиона лет. Эти, а также полярные районы о тектоническими трещинами и грабенами, очевидно, представляют собой относительно старые участки коры, в наименьшей степени модифицированные современным вулканизмом. Тем не менее и они содержат указания на его определяющую роль в эволюции поверхности в глобальном масштабе и одновременно свидетельствуют о слабой степени эрозии, - что служит дополнительным .подтверждением предела ранее сделанной оценки возраста.
Другие галилеевы спутники не проявляют столь бурной, как Ио, геологической активности. Однако поверхность каждого из них является по-своему феноменальной, обладающей каким-либо уникальным свойством. Известная наибольшей отражательной способностью Европа оказалась небесным телом с поразительно гладкой поверхностью, самой гладкой из известных в Солнечной системе. Максимальные вариации рельефа оцениваются не в километры, а в десятки метров — и это в глобальном масштабе, для тела, диаметр которого всего лишь на 350 км меньше, чем у Луны! Именно такую высоту (порядка 50 м) имеют различающиеся на поверхности цепи холмиков и пригорков, в то время как отдельные детали рельефа на поверхностях Ганимеда и Каллисто достигают по крайней мере в десять раз большей высоты. Совершенно не видно на поверхности Европы кратеров, во всяком случае кратеров крупнее 5 км в диаметре, что приводит к представлениям о ее сравнительно недавнем формировании, или о периодически происходящих процессах «обновления». Еще одним феноменом этого спутника оказалось наличие большого количества линейных структур — пересекающихся под разными углами полос, буквально изрезавших его поверхность и протянувшихся в разных направлениях на сотни и тысячи километров, иногда охватывающих половину окружности (около 5000 км). Ширина этих полос в среднем несколько десятков километров, но местами доходит до 200—300 км, а глубина обычно не превышает нескольких сотен метров.
Что обусловило их образование? Чтобы это понять, Прежде всего напомним, что из анализа спектров отражения галилеевых спутников было высказано предположение о наличии на поверхности Европы и Ганимеда водяногo льда. Измерения с космических аппаратов подтвердили правильность этого предположения. Была также определена поверхностная температура, которая в района терминатора составила 93 К (—180 °С) и всего на 30— 40 К больше в полдень. При такой температуре поверхность, конечно, является полностью замерзшей.
Такая смесь, называемая шугой, хорошо известна у нас на Земле. Она образуется перед началом ледостава за счет переохлаждения воды на горных и порожистых реках, а также в нижних бьефах гидроузлов, забивая водозаборники, фильтры и препятствуя их нормальной работе.
Оба слоя — шуга и ледяной покров — составляют своеобразную верхнюю оболочку Европы, максимальная толщина которой оценивается примерно в 100 км. Предполагают, что ее частично расплавленное состояние обусловлено механизмом генерации внутреннего тепла. Под шугой, возможно, скрыты значительные вариации высот на поверхности, представляющей собой твердое силикатное вещество, подобно тому как земные океаны полностью нивелируют рельеф дна. Только на Европе шугу скорее следует уподобить собственно коре, а не гидросфере.
Нитевидные полосы на поверхности — это не что иное, как трещины в верхнем отвердевшем слое льда, возникающие под действием внутренних напряжений, создаваемых расширением и сжатием шуги. При образовании трещин может происходить оседание льда, его смещения, поднятие шуги на поверхность и ее замерзание. Заполнение трещин свежим рыхлым (а значит, и менее плотным) льдом легко объясняет возникновение белых полос на фоне грязноватой поверхности льда, а темные полосы, возможно, образуются там, где вместе со льдом на поверхность выходит темное вещество с большей глубины. Сопровождающие эти процессы смещения крупных массивов льда типа движений ледников (глетчеров) должны приводить к стиранию неоднородностей рельефа поверхности, в частности к исчезновению больших кратеров ударного происхождения, что и объясняет факт их отсутствия. Видимо, временная шкала этих процессов составляет от единиц до нескольких десятков миллионов лет, если принять во внимание число сохранившихся на отдельных участках поверхности кратеров небольших размеров.
Еще старше поверхность Ганимеда, наибольшего среди галилеевых спутников, превышающего по своим размерам почти на 500 км Меркурий. Внешне этот спутник больше всего похож на Луну, однако при наблюдении с близкого расстояния обнаруживаются очень большие отличия. Самым примечательным свойством его поверхности оказалось наличие многочисленных ветвящихся «пучков» длинных параллельных борозд (желобов) и вытянутых хребтов, сосредоточенных в светлых областях. С ними соседствует много темных областей, сильно изрытых кратерами, сравнительно неглубокими, диаметром от единиц до нескольких десятков километров. В то же время на поверхности светлых областей кратеров значительно меньше (хотя и больше, чем, например, на лунных морях). Особенно выделяется крупная темная область на противоположной к Юпитеру стороне Ганимеда, протяженностью свыше 3000 км. Она, вероятно, представляет собой пример наиболее древней коры, не закрытой более поздними отложениями, как это случилось со светлыми областями. В некоторых темных областях угадываются остатки старых больших котловин. С образованием одной из громадных древних котловин связаны хорошо различимые расходящиеся концентрические кольца, возникшие при ударе.
Аналогичные кольцевые структуры еще более отчетливо видны в нескольких местах на Каллисто, поверхность которого во многом похожа на поверхность Ганимеда в темных областях. Такие области можно рассматривать как своего рода «окна» в самый ранний период эволюции галилеевых спутников. Обусловлено это тем, что степень их насыщенности кратерами поперечником в несколько десятков километров примерно аналогична степени насыщенности, наблюдаемой на древних плоскогорьях земной группы планет и Луны. Формирование же этих плоскогорий относят, как мы видели, к завершающему периоду интенсивной бомбардировки планет около 4 млрд. лет назад. Конечно, следует оговорить, что такое сопоставление допустимо при условии примерно одинакового хода этих процессов во внутренних и внешних областях Солнечной системы.
Подобно Европе, поверхность Ганимеда покрыта льдом. Помимо сравнительно высокого альбедо и спектров отражения в ближней инфракрасной области, убедительным свидетельством существования поверхностного льда служат кратеры, образующиеся при ударе метеоритов.
Самым старшим в семействе, обладающим наибольшей степенью насыщенности ударными кратерами не только среди галилеевых спутников, но вообще среди известных нам небесных тел, оказался спутник Каллисто. Плотность кратеров в ряде областей Каллисто, уступающем Ганимеду по своим размерам, видимо, достигла величины, близкой к предельной, о чем можно судить по мозаичному изображению его диска, составленному из девяти фотоснимков, переданных «Вояджером-2». Число только крупных кратеров достигает нескольких сотен, вокруг нескольких из них наблюдаются яркие лучи.
Два наиболее светлых участка в целом довольно темной поверхности Каллисто — это громадные котловины типа лунных морей, с концентрическими кольцами, получившие название «бычий глаз». Размер наибольшей котловины на рис. 53 превышает 600 км, число колец не менее 15, а диаметр самого внешнего кольца около 2600 км. Эти образования также изрыты кратерами, однако плотность их убывает к центру котловины.
Фактура поверхности у левого края снимка образована огромным числом буквально примыкающих друг к другу кратеров, а по направлению к правому краю значительная часть кратеров была разрушена.смещением и напластованием поверхностного материала при образовании котловины. Вместе с тем при этом не осталось сколь-нибудь заметного углубления на месте самой котловины, а также валов и хребтов на ее периферии, подобных тем, которые образовались на поверхностях Луны, Меркурия, Марса. Вместо них сохранились концентрические кольца, представляющие собой следы ударных волн, возникших при падении крупного метеорита.
Подобные конфигурации не сохранились на небесных телах с силикатной корой. Эти обстоятельства явно указывают на то, что поверхность Каллисто сложена легкоплавким веществом, быстро заполнившим углубление и «заморозившим» процесс распространения колебаний. Да и в целом поверхность Каллисто достаточно гладкая, глубина кратеров небольшая. Все это позволяет предположить, что верхний слой Каллисто, подобно Ганимеду и Европе, также сложен в основном льдом. Слабые признаки ледяного поглощения в спектрах Каллисто, как и очень низкое альбедо этого спутника (лишь вдвое большее, чем у Луны), можно объяснить тем, что поверхность слагает «грязный» лед, возможно, с примесями силикатного вещества, и к тому же покрытый слоем метеорной пыли. В конечном счете первопричиной всего этого, очевидно, является отсутствие активных эндогенных процессов, что сохранило поверхность Каллисто по существу в «первозданном» виде, с момента завершения заключительного этапа интенсивной бомбардировки около 4 млрд. лет назад, за исключением котловин, образовавшихся позднее.
Ближайшим собратом Каллисто с этой точки зрения является Амальтея. Открытая американским астрономом Э. Барнардом в 1892 г., т. е. почти три столетия спустя после открытия галилеевых спутников Юпитера, она выглядит как астероид с наибольшим и наименьшим размерами 270х 150 километров, что почти на порядок превышает размеры Фобоса. Однако по сравнению с галилеевыми спутниками это тело очень маленькое, хотя оно и оказалось примерно втрое больше, чем предполагали по наземным наблюдениям. Объясняется это тем, что обнаружение Амальтеи, обращающейся по орбите на среднем расстоянии менее 200 тыс. км от яркого диска Юпитера, представляет для астрономов чрезвычайно трудную задачу. Ее поверхность преимущественно красного и частично черного цвета, в целом очень темная (альбедо от 4 до 6%), сильно кратерированная. Ни по цвету, ни по отражательной способности она не похожа на поверхности галилеевых спутников. При сравнительно небольших размерах Амальтея обладает очень крупными кратерами правильной чашеобразной формы. Крупнейшие кратеры, названные Пан (диаметр 90 км, глубина 8—10 км) и Гея (диаметр 75 км, глубина 10—20 км), по-видимому, следует отнести к самым большим чашеобразным кратерам в Солнечной системе.
Интересно, что Амальтея в сильной степени испытывает на себе воздействие мощной магнитосферы Юпитера. Это проявляется в том, что ее поверхность неожиданно оказалась теплее, чем предполагали, исходя из расчетов радиационного баланса. Таким дополнительным источником ее нагрева могут служить энергичные заряженные частицы и выделение джоулева тепла. Вряд ли приходится сомневаться в том, что, подобно спутникам Марса, это тело представляет собой захваченный астероид; значительно менее вероятно, что это реликт стадии формирования системы Юпитера.
|
|
Читайте в рубрике «Планета Юпитер»: |