учебники / Короновский Н.В. «‎Общая геология‎» 3-ие издание

из кратеров конусовидных вулканов, которые «переезжают» с места на место, и везде на поверхности фиксируются светлые и темные сернистые пятна, напоминающие снег. Приливные возмущения со стороны Юпитера приводят к разогреву недр Ио, образованию магматических камер и их опорожнению.

Европа, близкая по своим параметрам Луне, покрыта льдом воды мощностью до 100 км, в котором видны протяженные трещины (рис. 1.10). Судя по тому, что на поверхности Европы почти нет ударных кратеров, она очень молодая и рельеф практически отсутствует.

Рис. 1.10. Ледяная поверхность спутника Юпитера — Европы. Снимок получен 16 декабря 1997 г. космическим аппаратом «Галилей» с высоты 560 км. Разрешающая

способность снимка — 6 м (по материалам NASA)

Ганимед, самый крупный из галилеевых спутников (он больше, чем планета Меркурий), обладает плотностью 1,94 г/см3 и состоит из смеси льда воды и силикатов.

Каллисто по своим размерам и плотности похож на Ганимед и также состоит из льда воды и силикатов. Однако на участках темного цвета на поверхности Каллисто много ударных кратеров, что говорит о древнем возрасте этих участков. Кольцевая структура Вальхалла имеет диаметр 300 км. Не исключено, что это след от удара крупного космического тела.

Все остальные небольшие спутники Юпитера имеют неправильную, угловатую форму, а их размеры колеблются в поперечнике от 16 до 260 км.

Сатурн занимает второе место по размерам среди планет-гигантов, однако его плотность очень мала — 0,69 г/см3. Облачный покров Сатурна похож на таковой у Юпитера не только по составу (частицы льда воды, льда аммиака и гидросульфида аммония), но и по своей структуре, он образует разновысотные пояса и вихри. Сатурн в большей степени газовая планета, чем Юпитер. Атмосфера Сатурна состоит в основном из Н и Не и обладает мощностью в несколько тысяч километров. Ниже, как и на Юпитере, располагается оболочка жидкого молекулярного водорода мощностью 37 тыс. км и металлического водорода, 8 тыс. км. Силикатное (каменное) ядро Сатурна радиусом 10 тыс. км окружено слоем льда до 5 тыс. км.

Наиболее известным элементом Сатурна являются его знаменитые кольца, образующие целую систему, находящуюся в плоскости экватора планеты. Диаметр колец составляет 400 тыс. км, а мощность всего 10 м! Множество колец представляют собой мельчайшие кусочки льда воды, размером от одного сантиметра до нескольких метров. Каждое из колец имеет сложную структуру чередования темных и светлых полос, вложенных друг в друга. После изучения снимков с космических аппаратов, пролетевших вблизи колец Сатурна в сентябре 1979 г. и ноябре 1980 г., была выдвинута гипотеза о том, что в каждой светлой линии кольца находится один из мелких спутников Сатурна, с поверхности которого непрерывно испаряются частицы наподобие «дыма». Этот шлейф составляет темную часть колец. Таких мелких тел может насчитываться больше 1000, столько колец удалось различить на снимках. Кольца Сатурна хорошо отражают радиосигналы, что позволяет предполагать ферромагнитные частицы в «дыму» колец.

В июне 2004 г. космический аппарат «Кассини», запущенный американцами семь лет назад, достиг Сатурна, пролетел сквозь кольца и исследовал Сатурн и самый большой его спутник Титан. На сегодняшний день это самая дорогая межпланетная миссия в истории человечества. Удалось выяснить, что некоторые кольца имеют абсолютно гладкую поверхность, а другие обладают волнистой поверхностью, облик которой постоянно меняется.

У Сатурна насчитывается 17 спутников, из которых Титан самый большой. Средние по размерам (от 420 до 1528 км) спутники обладают шарообразной формой, а малые спутники имеют неправильную, угловатую форму и размеры от 20 до 360 км.

Титан обладает радиусом в 1,5 раза больше радиуса Луны и находится от Сатурна на расстоянии, в три раза большем, чем Луна от Земли. Титан покрыт атмосферой, в составе которой есть метан, азот,

этан и углеводороды, а давление у поверхности не превышает 1,6 атм. Температура плотной атмосферы около –200 °С.

На Титане в начале 2005 г. был высажен зонд «Гюйгенс», передавший потрясающие снимки его поверхности, на которой видны «реки» и «моря», заполненные метаном. Предполагается, что метан может быть продуктом жинедеятельности бактерий. Ввиду низких температур метан может существовать в жидкой и твердой (лед метана и этана) формах.

Предполагается также, что под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца в верхних слоях атмосферы Титана из углеводородов могут образовываться сложные органические молекулы, которые, опускаясь, достигают его поверхности.

За орбитой Сатурна расположено кольцо из космической пыли, открытое межпланетными станциями в 70-гг. ХХ в. и, по-видимому, сформировавшееся за счет столкновения тел внутри пояса Койпера, находящегося на внешней границе Солнечной системы.

Уран, открытый В. Гершелем в 1781 г., превосходит Землю в четыре раза по размерам и в 14,5 раз по массе. Эта третья планета-гигант вращается в сторону, противоположную той, в которую вращаются большинство остальных планет. Мало этого, ось вращения Урана расположена почти в плоскости орбиты, так что Уран «лежит на боку» и вращается не «в ту сторону». Уран меньше Юпитера, но плотность в среднем у него близка к плотности Юпитера, что заставляет сомневаться в существовании оболочки из металлического водорода, т. к. давление слишком мало. В атмосфере Урана, как и на других планетахгигантах, преобладают водород (84 %) и гелий (14 %), но также присутствуют частицы льда метана (2 %). Уран окружен системой из 11 тонких колец, между которыми расстояние гораздо больше, чем между кольцами Сатурна. Из 26 спутников Урана пять средних по размеру

и21 малый, обладают угловатой формой и похожи на спутники Марса

ималые спутники Юпитера и Сатурна.

Нептун — самая маленькая из планет-гигантов — обладает, тем не менее, самой большой среди них плотностью, что обусловлено существованием силикатного ядра, окруженного оболочками из жидкого водорода, льда воды и мощной водородно-гелиевой атмосферой с облачным покровом, состоящим также из частиц льда воды, льда аммиака, льда метана и гидросульфида аммония. В атмосфере Нептуна, как и на Юпитере, просматриваются крупные вихревые структуры, изменчивые во времени. У Нептуна существует система колец, имеющих на разных участках различную мощность. Из восьми спутников Нептуна один крупный — Тритон и семь малых, на поверхности которых имеются следы водоледяного вулканизма.

И, наконец, Плутон, девятая планета, если считать от Солнца, сильно отличается от планет-гигантов и, наверное, ею не является. У Плутона очень вытянутая эллипсовидная орбита, пересекающая орбиту Нептуна при вращении Плутона вокруг Солнца. Разреженная атмосфера Плутона, состоящая из льдов азота, метана и моноокиси углерода, окружает ледяную поверхность планеты благодаря холоду (–240 °С), господствующему на этой самой дальней планете.

Крупный спутник Харон (диаметр 1172 км) состоит из смеси льда и силикатов с плотностью 1,8 г/см3 и в своем вращении вокруг Плутона на расстоянии 19 405 км всегда обращен к планете одной и той же стороной.

В настоящее время считается, что Плутон с Хароном могут принадлежать так называемому поясу Койпера, расположенному в интервале 35–50 АЕ, прямо за орбитой Нептуна. В этом поясе находится много мелких планет, размером от одного километра до сотен, а открыт был этот пояс астрономом Джеральдом Койпером только в середине ХХ в.

1.2.5. Астероиды, кометы и метеориты

Астероиды — твердые космические тела, мертвые с геологической точки зрения, обладающие размерами, близкими к размерам малых спутников планет, образующие скопления между орбитами Марса и Юпитера на расстоянии от 1,7 до 4 АЕ Многие тысячи астероидов имеют размеры в несколько десятков километров, но есть и крупные: Церера (диаметр 1020 км), Веста (549 км), Паллада (538 км) и Гигея (450 км). Сейчас точно определены параметры орбит 66 тыс. астероидов, и количество вновь открытых астероидов растет в геометрической прогрессии, удваиваясь каждые два года.

При столкновениях между собой астероиды дробятся и порождают метеориты, падающие на поверхность Земли. По-видимому, большая часть астероидов состоит из четырех видов пород, известных нам по составу метеоритов: 1) углистые хондриты, 2) класс S, или обыкновенные хондриты, 3) класс М, или железокаменные, и 4) редкие породы типа говардитов и эвкритов. О форме астероидов мы судим по снимкам с космического аппарата «Галилео», на которых астероиды Гаспра (11×12×19 км), Ида (52 км в поперечнике), Эрос (33×13 км) имеют неправильную, угловатую форму и поверхность, испещренную кратерами. На последнем с помощью космической станции NEAR было обнаружено более 100 тыс. кратеров и около 1 млн каменных глыб размером с большой дом. Плотность распределения кратеров позволяет предположить, что астероид Гаспра был отколот от более крупного тела примерно 200 млн лет назад. Размещение пояса астероидов между Марсом и Юпитером вряд ли является случайным. На этой орбите,

согласно закону планетных расстояний Тициуса—Боде1, должна была бы находиться планета, которой даже дали имя — Фаэтон, но она раздробилась на осколки, являющиеся астероидами. Эта идея была выдвинута еще в 1804 г. немецким астрономом Г. Ольберсом, но она не разделялась его великими современниками В. Гершелем и П. Лапласом. Данное предположение сейчас считается наименее вероятным, а большим признанием пользуется идея О. Ю. Шмидта, заключающаяся в том, что астероиды никогда не принадлежали распавшейся планете, а представляют собой куски материала, образовавшиеся в результате процессов первичной аккреции газово-пылевых частиц. Их дальнейшее слипание оказалось невозможным из-за сильного гравитационного возмущения со стороны огромного Юпитера, и уже сформировавшиеся крупные тела начали распадаться на более мелкие. Важно, что орбиты многих астероидов под влиянием гравитационных сил планет меняют свое положение. Особенно этому подвержены орбиты с большим эксентриситетом, а также обладающие большими углами наклона к плоскости эклиптики. Такие астероиды пересекают орбиту Земли и могут с ней столкнуться. Из геологической истории известны падения крупных космических тел на поверхность Земли, оставивших огромные кратеры — астроблемы («звездные раны»), сопровождавшиеся катастрофическими последствиями для биоты. В настоящее время известно более 100 кратеров с диаметром свыше 80 км. Не исключена возможность столкновения астероида с Землей и в будущем, что будет иметь катастрофические последствия, поэтому ученые озабочены расчетами уточнения орбит астероидов, которые могут пролететь вблизи Земли или пересечься с ее орбитой (а их количество превышает 200).

Вечером 23 марта 1989 г. совсем рядом с нашей планетой «просвистел» каменный астероид с поперечником около 800 м, и это при скорости 70 км в секунду! И несмотря на то, что «рядом» означает расстояние в два раза большее, чем от Земли до Луны, с 1937 г., когда астероид Гермес пролетел примерно на таком же расстоянии, подобных происшествий не наблюдалось. Астрономы предсказывают, что астероид «1989FC» может вернуться, и если он столкнется с Землей, то последствия будут равны одновременному взрыву 1000 водородных бомб. Вероятность столкновения с «бродячим» астероидом выше, чем возможная гибель в автокатострофе. 18 марта 2004 г. астероид диаметром 30 м прошел в 43 тыс. км от Земли. Это самое маленькое расстояние, которое наблюдалось за всю историю астрономических наблюдений.

1 Правило Тициуса—Боде гласит, что расстояния планет от Солнца увеличиваются в геометрической прогрессии: R = 0,4 + 0,3 2n (АЕ), где n = 0 для Венеры, n = 1 для Земли, n = 2 для Марса, n = 4 для Юпитера, а n = 3 как раз соответствует поясу астероидов. Планеты Меркурий, Нептун и Плутон этому правилу не подчиняются.

Рис. 1.12. Положение кометы Галлея при сближении ее с Землей в марте 1986 г. Схема образования у нее плазменного хвоста (направлен от Солнца), пылевого хвоста (мельчайших частичек пыли) и пылевого шлейфа (более крупных частиц железосиликатной пыли, рассеивающихся вдоль кометной орбиты)

Движение комет характеризуется эллиптическими орбитами со значительным эксцентриситетом, что обеспечивает большие периоды обращения, а влияние планет изменяет эти орбиты, и с долгопериодических (период обращения более 200 лет) они переходят на короткопериодические (менее 200 лет) орбиты.

Со временем ледяное ядро кометы уменьшается, становится более рыхлым, и оно может рассыпаться, образуя метеоритный поток. Знаменитый Тунгусский метеорит мог быть ледяным ядром кометы. Кометы блуждают по космическому пространству и могут то покидать Солнечную систему, то, наоборот, проникать в нее из других звездных систем. По своему химическому составу кометы близки к планетам-гигантам и метеоритам типа углистых хондритов, о чем свидетельствует спектр комы комет. В апреле — мае 1997 г. жители Москвы и других городов России могли наблюдать великолепную комету Хейла — Боппа. В 1994 г. произошло столкновение обломков кометы Шумейкер — Леви с Юпитером, и астрономы запечатлели огромную «дыру» в атмосфере Юпитера. В 1986 г. космический аппарат «Джотто», приблизившись к комете Галлея, передал на Землю данные, свидетельствующие о том, что комета содержит сложные органические молекулы, богатые водородом, кислородом, углеродом и азотом.

Существует несколько гипотез происхождения комет, но наибольшей поддержкой пользуется гипотеза их конденсации из первичного протосолнечного газопылевого облака и последующего перемещения комет в пределы облака Оорта под влиянием гравитации Юпитера и

38 Часть I. Происхождение Вселенной, Земли и Солнечной системы

других планет-гигантов. Количество комет в облаке Оорта оценивается в сотни миллиардов.

Метеориты — твердые тела космического происхождения, достигающие поверхности планет и при ударе образующие кратеры различного размера. Источником метеоритов является в основном пояс астероидов. Когда метеорит входит с большой скоростью в атмосферу Земли, его поверхностные слои, разогреваясь, могут расплавиться и метеорит «сгорит», не достигнув Земли. Однако некоторые метеориты падают на Землю, и благодаря огромной скорости их внутренние части не претерпевают изменений, т. к. зона прогрева очень мала. Размеры метеоритов колеблются от нескольких микрон до нескольких метров, вес их бывает десятки тонн. 11 июня 2004 г. в Новой Зеландии метеорит размером с грейпфрут пробил крышу дома и «приземлился» на диване, где и был подобран хозяйкой.

Все метеориты по своему химическому составу подразделяются на три класса: 1) каменные, наиболее распространенные, 2) железокаменные и 3) железные.

Каменные метеориты являются наиболее распространенными (64,9 % всех находок). Среди них различают хондриты и ахондриты. Хондриты получили свое название благодаря наличию мелких сферических силикатных обособлений — хондр, занимающих более 50 % объема породы. Чаще всего хондры состоят из оливина, пироксена, плагиоклаза и стекла (рис. 1.13). Химический состав хондритов позволяет предполагать, что они произошли из первичного, протопланетного, вещества Солнечной системы, отражая его состав времени формирования планет, их аккреции. Это подтверждается сходством отношений основных химических элементов и элементов примесей для хондритов и в спектре Солнца. Содержание SiO2 в хондритах — меньше 45 % — сближает их с земными ультраосновными породами. Хондриты подразделяются по общему содержанию железа на ряд типов, среди которых наибольший интерес представляют углистые хондриты, содержащие больше всего железа, находящегося в силикатах. Кроме того, в углистых хондритах присутствует много (до 10 %) органического вещества, которое имеет, однако, не биогенное происхождение. Кроме минералов типа оливина, ортопироксена, плагиоклаза, типичных и для земных пород, в хондритах присутствуют минералы, встречающиеся только в метеоритах.

Ахондриты не содержат хондр и по составу близки к земным магматическим ультраосновным породам. Ахондриты подразделяются на богатые Са (до 25 %) и бедные Са (до 3 %).

Железные метеориты по распространенности занимают второе место и представляют собой твердый раствор никеля в железе. Содержание никеля колеблется в широких пределах, и на этом основано разде-

Рис. 1.13. Кварцевая хондра (диаметр около 2 мм)

в кварц-железо-энстатиновой матрице метеорита St. Mark (Кинг, 1979)

ление метеоритов на различные типы. Самыми распространенными являются октаэдриты с содержанием никеля от 6 до 14 %. Они характеризуются так называемой видманштеттеновой структурой, состоящей из пластин камасита (никелистое железо, Ni ~ 6 %), расположенных параллельно граням октаэдра и заполняющих между ними пространство тэнитом (никелистое железо, Ni ~ 30 %). Судя по тому что в железных метеоритах хорошо выражены деформации ударного типа, метеориты испытывали столкновения и сильные удары (рис. 1.14).

Железокаменные метеориты по распространенности занимают третье место и состоят они как из никелистого железа, так и из силикатного каменного материала, представленного в основном оливином, ортопироксеном и плагиоклазом. Этот силикатный материал вкраплен, как в губку, в никелистое железо, или, наоборот, никелистое железо вкраплено в силикатную основу. Все это свидетельсвует о том, что вещество железокаменных метеоритов прошло дифференциацию.

Возраст метеоритов, определенный радиоизотопными уран-свин- цовым и рубидий-стронциевым методами, — 4,4–4,7 109 лет. Такие цифры соответствуют принятому возрасту формирования Солнечной системы, что свидетельствует в пользу одновременного образования планет и тех тел, из которых впоследствии возникли метеориты. После того как обломок отделяется от родительского тела и превращается в метеорит, он облучается космическими лучами, следовательно, космический возраст собственно метеорита намного меньше возраста родительской породы.

Рис. 1.14. Образование метеоритов. 1 — газопылевое облако; 2 — аккреция в тела размером в несколько метров (планетезимали); 3 — аккреция планетезималей в тела размером 10–200 км; 4 — плавление и дифференциация; 5 — базальты; 6 — силикаты; 7 — железо; 8 — дробление при ударе. Обломки: 9 — железокаменные;

10 — каменные; 11 — железные; 12 — крупный метеорит; 13 — дробление; 14 — более мелкий метеорит