| |||||||||||||
| Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы! |
|
Исследование Солнечной Системы - Юпитер
| |||||
 Спутники |
|||||
Европа |
|
Гигант Юпитер
Планетарные характеристики Галилеевы спутники: Европа
Европа (Юпитер II) - наименьшая из четырёх галилеевых спутников. Обнаружена в 1610 году Галилео Галилеем. На протяжении столетий за Европой велись всесторонние наблюдения при помощи телескопов, а начиная с 1970-х годов - и пролетающих вблизи космических аппаратов. По размерам уступая земной Луне, Европа состоит в основном из силикатных пород, а в центре содержит железное ядро. Поверхность состоит изо льда и является одной из самых гладких в Солнечной системе; на ней очень мало кратеров, но много трещин. Легко заметная молодость и гладкость поверхности привели к гипотезе, что под ней находится жидкий океан, в котором не исключено наличие жизни. Вероятно, он не замерзает благодаря приливным силам, периодические изменения которых вызывают деформацию спутника и, как следствие, нагрев его недр. Это же служит причиной эндогенной геологической активности Европы, напоминающей тектонику плит. У спутника есть крайне разрежённая атмосфера, состоящая в основном из кислорода. Первые фотографии Европы из космоса были сделаны космическими станциями «Пионер-10» и «Пионер-11», которые пролетели около Юпитера в 1973 и 1974 годах соответственно. Качество этих снимков было лучше того, что было доступно телескопам того времени, но всё же они были нечёткими по сравнению с изображениями более поздних миссий.
В марте 1979 года Европу с пролётной траектории изучал «Вояджер-1» (максимальное сближение - 732 тыс. км), а в июле - «Вояджер-2» (190 тыс. км). Космические аппараты передали качественные снимки спутника и провели ряд измерений. Гипотеза о существовании на спутнике жидкого океана появились именно благодаря данным «Вояджеров». 2 июня 1994 года группа исследователей из университета Джона Хопкинса и Научного института Космического телескопа под руководством Дойла Халла обнаружила в атмосфере Европы молекулярный кислород. Это открытие было сделано при помощи космического телескопа «Хаббл» с использованием Годдардовского спектрометра высокого разрешения. В 1999-2000 годах галилеевы спутники наблюдала космическая обсерватория «Чандра», в результате чего было обнаружено рентгеновское излучение Европы и Ио. Вероятно, оно появляется при столкновении с их поверхностью быстрых ионов из магнитосферы Юпитера. С декабря 1995 по сентябрь 2003 года систему Юпитера изучал автоматический зонд «Галилео». Из 35 витков аппарата вокруг Юпитера 12 были посвящены изучению Европы (максимальное сближение - 201 км). «Галилео» обследовал спутник довольно детально; были обнаружены новые признаки существования океана. В 2003 году «Галилео» был намеренно уничтожен в атмосфере Юпитера, чтобы в будущем неуправляемый аппарат не упал на Европу и не занёс на спутник земные микроорганизмы.
Космический аппарат «Новые горизонты» в 2007 году, пролетая около Юпитера на пути к Плутону, сделал новые снимки поверхности Европы.
Европа обращается вокруг Юпитера по орбите радиусом 670 900 км, делая полный оборот за 3,551 земных суток. Орбита спутника почти круговая (эксцентриситет равен всего 0,009) и слабо наклонена к плоскости экватора планеты (на 0,466°). Как и все галилеевы спутники, Европа всегда повёрнута к Юпитеру одной и той же стороной (находится в приливном захвате). В центре этой стороны Юпитер всегда находится прямо над головой. Через эту точку проведён нулевой меридиан Европы. Однако некоторые данные указывают на то, что приливный захват спутника неполон и его вращение немного асинхронно: Европа вращается быстрее, чем обращается вокруг планеты, или, по крайней мере, так было в прошлом. Это говорит об асимметричном распределении массы в её недрах и о том, что ледяная кора отделена от каменной мантии слоем жидкости. Хотя эксцентриситет орбиты Европы невелик, он даёт начало её геологической активности. Когда Европа приближается к Юпитеру, их приливное взаимодействие усиливается, и спутник слегка вытягивается вдоль направления на планету. Спустя половину периода обращения Европа отдаляется от Юпитера и приливные силы слабеют, позволяя ей вновь стать более круглой. Кроме того, из-за эксцентричности орбиты Европы её приливные горбы периодически смещаются по долготе, а из-за наклона оси её вращения - по широте. Величина приливных деформаций, согласно расчётам, лежит в пределах от 1 м (если спутник полностью твёрдый) до 30 м (если под корой есть океан). Эти регулярные деформации способствуют перемешиванию и нагреву недр Европы. Тепло стимулирует подземные геологические процессы и, вероятно, позволяет подповерхностному океану оставаться жидким. Первоисточник энергии для этого процесса - вращение Юпитера вокруг своей оси. Его энергия превращается в энергию орбитального движения Ио посредством приливов, вызываемых этим спутником на Юпитере, а далее передаётся Европе и Ганимеду при помощи орбитальных резонансов - их периоды обращения относятся как 1:2:4. Если бы не взаимодействие Европы с другими спутниками, её орбита со временем стала бы круглой из-за диссипации приливной энергии, и нагрев недр прекратился бы. Физические характеристики
По размеру Европа немногим меньше земной Луны. Имея диаметр 3122 км, она занимает шестое место по величине среди спутников и пятнадцатое - среди всех объектов Солнечной системы. Это самый маленький из галилеевых спутников. Однако масса Европы больше, чем у всех известных спутников в Солнечной системе, уступающих ей размерами, вместе взятых. Её средняя плотность - 3,013 г/см3 - указывает на то, что она состоит в основном из силикатных пород и, таким образом, схожа по составу с планетами земной группы. По-видимому, Европа (как и другие галилеевы спутники) сформировалась из газопылевого диска, окружавшего Юпитер. Этим объясняется то, что орбиты этих спутников близки к окружностям и радиусы орбит регулярно увеличиваются. Данный диск мог сформироваться вокруг прото-Юпитера путём выведения части газа, составляющего начальную массу прото-Юпитера, в процессе гидродинамического коллапса. Внутренняя часть диска была теплее внешней, и поэтому внутренние спутники содержат меньше воды и других летучих веществ. Если газовый диск был достаточно горячим, то твёрдые частицы из перенасыщенного пара при достижении размеров около 1 см могли довольно быстро оседать к средней плоскости диска. Затем, благодаря механизму гравитационной неустойчивости Голдрайха - Уорда, из тонкого слоя сконденсированного твёрдого вещества в газовом диске начинают образовываться тела размерами в несколько километров. Вероятно, из-за ситуации, подобной картине формирования планет в Солнечной туманности, формирование спутников Юпитера произошло сравнительно быстро. Так как Европа содержит меньше льда, чем остальные крупные спутники Юпитера (кроме Ио), то она была сформирована в эпоху, когда завершилась конденсация льда в вещество спутников. Рассмотрим две крайние модели завершения конденсации льда. В первой модели (аналогичной модели Поллака и Рейнольдса) предполагается, что температура недавно образованной частицы определена балансом между энергией, поглощаемой ею от Солнца, и энергией, излучаемой ею в пространство, и не берётся в расчёт прозрачность диска в ближней инфракрасной области. Во второй модели предполагается, что температура определяется конвективным переносом энергии в пределах диска, а также берётся в расчёт, что диск непрозрачен. Согласно первой модели, конденсация льда завершилась примерно 1-2 млн лет после формирования Юпитера, а для второй модели этот период составил 0,1-0,3 млн лет (в расчёт берётся температура конденсации около 240 К). На заре истории Европы её температура могла превышать 700 К, что могло привести к интенсивному выделению летучих веществ, которые гравитация Европы не могла удержать. Подобный процесс происходит на спутнике и сейчас: водород, образующийся при радиолизе льда, улетает прочь, а кислород задерживается, образуя тонкую атмосферу. В настоящее время, в зависимости от темпа выделения тепла в недрах, несколько десятков километров коры могут находиться в расплавленном состоянии. Внутреннее строение Европы
Европа больше похожа на планеты земной группы, чем другие «ледяные спутники», и в значительной степени состоит из камня. Внешние слои спутника (толщиной предположительно 100 км) состоят из воды - частью в виде ледяной коры толщиной 10-30 км, а частью, как полагают, - в виде подповерхностного жидкого океана. При этом масса водяного льда составляет примерно 20% от общей массы Европы. Объем океана при глубине в 50 км примерно равен объему океана на Земле. Поскольку ускорение свободного падения на поверхности Европы составляет 1,32 м/с2, давление на дне 50-километрового океана близко к давлению на дне 4-километрового океана на Земле. Ниже лежат горные породы, а в центре, предположительно, находится небольшое металлическое ядро. Судя по данным о движении Европы, масса ядра не может превышать 3% от общей массы спутника. Главный признак наличия океана - магнитное поле Европы, обнаруженное «Галилео». Оно слабое и быстро изменяющееся, не превышающее по напряженности 1,2*103 Гс. Магнитное поле всегда направлено против юпитерианского. Магнитные полюса, расположенные вблизи экватора спутника, постоянно смещаются. Изменения мощности и ориентации поля коррелируют с прохождением Европы через определенные области магнитного поля Юпитера. Это означает, что его создают электрические токи, индуцированные в недрах Европы магнитным полем Юпитера. Следовательно, там есть слой с хорошей проводимостью - скорее всего, океан солёной воды. Другой признак существования этого океана - данные о том, что кора Европы когда-то сдвинулась на 80° относительно недр, что было бы маловероятно, если бы они прочно прилегали друг к другу.
Характеристики поверхности Европы прямо или косвенно свидетельствуют о существовании жидкого океана под ледяной корой. Большинство учёных предполагают, что он сформировался благодаря генерируемому приливами теплу. Нагревание вследствие радиоактивного распада, которое почти такое же, как и на Земле (на кг породы), не может достаточно сильно разогреть недра Европы, потому что спутник куда меньше. Поверхностная температура Европы в среднем около 110 К (-160 °C) на экваторе и всего 50 К (-220 °C) на полюсах, что придает поверхностному льду высокую прочность. Низкая теплопроводность льда предохраняет океан от замерзания и испарения. По-видимому, температура в ледяной коре нарастает вблизи нижней кромки до 0°С и выше. Первым намёком на существование подповерхностного океана стали результаты теоретического изучения приливного разогрева (следствия эксцентриситета орбиты Европы и орбитального резонанса с остальными галилеевыми лунами). Когда космические аппараты «Вояджер» и «Галилео» получили снимки Европы (а второй ещё и измерил её магнитное поле), исследователи получили новые признаки наличия этого океана. Наиболее яркий пример - «хаотические области», часто встречающиеся на поверхности Европы, которые некоторые учёные интерпретируют как места, где подповерхностный океан когда-то растопил ледяную корку. Но эта интерпретация весьма спорная. Большинство планетологов, изучающих Европу, склоняются к модели «толстого льда», в которой океан редко (если это вообще случалось) непосредственно выходил на современную поверхность. Оценки толщины ледяной оболочки варьируют от нескольких километров до десятков километров.
Лучшим доказательством модели «толстого льда» является изучение крупных кратеров Европы. Крупнейшие из них окружены концентрическими кольцами и имеют плоское дно. Вероятно, покрывающий его лёд относительно свежий - он появился после удара, пробившего ледяную кору. На основании этого и расчётного количества тепла, произведённого приливами, можно рассчитать, что толщина коры из твёрдого льда составляет примерно 10-30 км, включая податливый слой из «тёплого льда». Тогда глубина жидкого подповерхностного океана может достигать около 100 км, а его объём - 3*1018 м3, что вдвое больше объёма мирового океана Земли. Модель «тонкого льда» предполагает, что толщина ледяной оболочки Европы может составлять всего несколько километров. Однако большинство учёных пришли к заключению, что данная модель рассматривает только самые верхние слои коры Европы, упругие и подвижные из-за воздействия приливов Юпитера, а не ледяную кору в целом. Одним из примеров является анализ на выгиб, в котором кора спутника моделируется как плоскость или сфера, утяжелённая и согнутая под влиянием большой нагрузки. Данная модель предполагает, что толщина внешней упругой ледяной корки может составлять всего 200 м, а это означает постоянные контакты подповерхностной жидкости с поверхностью через открытые борозды, что вызывает формирование хаотических областей. В конце 2008 года возникла гипотеза, что основная причина нагрева недр Европы, поддерживающего её океан жидким, - не вытянутость её орбиты, а наклон её оси. В результате него под действием приливного действия Юпитера возникают волны Россби, которые движутся очень медленно (по несколько километров в день), но могут нести значительную кинетическую энергию. Наклон оси Европы мал и точно неизвестен, но есть основания думать, что он достигает 0,1°. В таком случае энергия этих волн достигает 7,3*1017 Дж, что в 2000 раз больше, чем у основных приливных деформаций. Диссипация этой энергии может быть основным источником тепла для океана Европы. КА «Галилео» обнаружил, что у Европы имеется слабый магнитный момент, который вызван изменениями внешнего магнитного поля (поскольку поле Юпитера в разных частях орбиты спутника различно). Индукция магнитного поля Европы на её магнитном экваторе - приблизительно 120 нТл. Это в 6 раз меньше, чем у Ганимеда, и в 6 раз больше, чем у Каллисто. Согласно расчётам, жидкий слой на этих спутниках начинается глубже и имеет температуру существенно ниже нуля (при этом вода остаётся в жидком состоянии благодаря высокому давлению). Существование переменного магнитного поля требует слоя высокоэлектропроводного материала под поверхностью спутника, что и служит лишним подтверждением большого подповерхностного океана из солёной воды в жидком состоянии. Спектральный анализ тёмных линий и пятен на поверхности показал наличие солей и силикатов, в частности, сульфата магния («английская соль»). Красноватый оттенок позволяет предположить наличие также соединений железа (оксиды) и серы. По-видимому, они содержатся в океане Европы и исторгаются на поверхность через расщелины, после чего застывают. Кроме того, обнаружены следы перекиси водорода и сильных кислот (например, есть возможность того, что на спутнике имеется гидрат серной кислоты). Все это позволяет предположить, что соленый океан Европы содержит множество растворенных веществ. Судя по всему, Европа не является «мертвым» небесным телом: сам факт наличия силикатных вкраплений на поверхности свидетельствует о мощных процессах, которые приводят к выносу каменного материала с глубины 50-километрового океана сквозь трещины в многокилометровой ледяной коре наружу.
В марте 2013 года учёные из Калифорнийского технологического института выдвинули гипотезу, что подлёдный океан Европы не изолирован от окружающей среды и обменивается газами и минералами с залежами льда на поверхности, что говорит об относительно богатом химическом составе вод спутника. Это также может означать, что в океане может накапливаться энергия, что серьёзно увеличивает шансы на зарождение в нём жизни. К такому выводу ученые пришли, изучив инфракрасный спектр Европы (в интервале длин волн 1,4-2,4 мкм) с помощью спектроскопа OSIRIS гавайской обсерватории Кека. Разрешение полученных спектрограмм примерно в 40 раз выше, чем у спектрограмм, полученных инфракрасным спектрометром NIMS зонда «Галилео» в конце 1990-х годов. Это открытие означает, что контактные исследования океана Европы могут быть технологически намного упрощены - вместо бурения ледяной коры вглубь на десятки километров достаточно (как и в случае со спутником Сатурна Энцеладом) просто взять пробу с той части поверхности, которая контактирует с океаном.
Над южной полярной областью Европы зафиксированы признаки выбросов водяного пара. Вероятно, это результат действия гейзеров, бьющих из трещин её ледяной коры. Согласно расчётам, пар вылетает из них со скоростью примерно 700 м/с на высоту до 200 км, после чего падает обратно. Активность гейзеров максимальна во время наибольшего отдаления Европы от Юпитера. Открытие сделано по наблюдениям телескопа «Хаббл», сделанным в декабре 2012 года. На снимках, сделанных в другое время, признаков гейзеров нет: по-видимому, они действуют редко. С каких глубин происходят выбросы, неизвестно; возможно, что они не имеют отношения к недрам Европы и возникают от трения пластов льда друг о друга. Кроме Европы, подобные гейзеры известны на Энцеладе. Но, в отличие от гейзеров Энцелада, гейзеры Европы выбрасывают чистый водяной пар без примеси льда и пыли. Зафиксированная мощность гейзеров Европы достигала 5 тонн в секунду, что в 25 раз больше, чем на Энцеладе.
В начале апреля 2013 года учёные Калифорнийского технологического института сообщили, что на Европе найдены большие запасы перекиси водорода - потенциального источника энергии для бактерий-экстремофилов, которые теоретически могут обитать в подлёдном океане спутника. Согласно результатам исследований, проведённых с помощью телескопа Keck II гавайской обсерватории имени Кека, на ведущем полушарии Европы концентрация перекиси водорода достигала 0,12 % (в 20 раз меньше, чем в аптечной перекиси). Однако на противоположном полушарии перекиси почти нет. Учёные считают, что вещества-окислители (в том числе перекись водорода) могут играть важную роль в обеспечении энергией живых организмов. На Земле доступность таких веществ в немалой степени способствовала появлению сложной многоклеточной жизни. Материал:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|