Материал: Планеты

3. Планетные оболочки. Дифференциация недр. Химический состав.

Планетные оболочки. Строение П. по вертикали - слоистое, выделяют неск. сферических оболочек, различающихся по хим. составу, фазовому состоянию, плотности и др. физ.-хим. характеристикам. Все П. земной группы имеют твёрдые оболочки, в к-рых сосредоточена почти вся их масса. Три из них - Венера, Земля и Марс - обладают газовыми атмосферами, Меркурий практически лишён атмосферы. Только Земля имеет жидкую оболочку (прерывистую) из воды - гидросферу, а также биосферу - оболочку, состав, структура и энергетика к-рой в существенных чертах обусловлены прошлой и совр. деятельностью живых организмов. Аналогом гидросферы на Марсе явл. криосфера - лёд Н₂О в полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). Одна из загадок Солнечной системы - дефицит воды на Венере. Жидкой воды там нет из-за высокой темп-ры, а количество водяного пара в атмосфере эквивалентно слою жидкости толщиной ≈ 1 см.

Твёрдые оболочки П. находятся в состоянии гидростатич. равновесия, поскольку предел текучести горных пород соответствует весу столба пород высотой ≈10 км (для Земли). Поэтому форма твёрдых оболочек П., имеющих значительно большую толщину, почти сферическая. Из-за различия гравитац. сил различна макс. высота гор на П. (напр., на Земле ок. 10км, а на Марсе, где гравитац. поле слабее земного, ок. 25 км). Форма небольших спутников планет и астероидов может заметно отличаться от сферической.

Характеристики твёрдых оболочек П. относительно хорошо известны лишь у Земли (по данным о прохождении через недра сейсмических волн, возникающих при землетрясениях). Модели внутр. строения др. П. земной группы строятся гл. обр. на основании данных о св-вах вещества земных недр. Как и у Земли, в твёрдых оболочках П. выделяют кору - самую внешнюю тонкую (10- 100 км) твёрдую оболочку, мантию - твёрдую и толстую (1000-3000 км) оболочку, расположенную под корой, и ядро. У Земли ядро подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твёрдое). Жидкое ядро, вероятно, есть также у Меркурия и Венеры, у Марса его, по-видимому, нет. Ядро - наиболее плотная часть планетных недр (12,5г^.см^-3 в центре Земли), кора наименее плотная (для Земли 2,8г^.см^-3), плотность мантии промежуточная. Мантия Земли делится на верхнюю (толщина 850-900 км) и нижнюю (ок. 2000 км), в к-рой темп-ра близка к точке плавления. Темп-ра в центре Земли оценивается в 4000- 5000К.

Наиболее обильные элементы в "твёрдом" теле Земли - Fe (34,6%), О(29,5%), Si (15,2%) и Mg (12,7%). Наиболее распространённые соединения в коре - SiO₂ и Al₂О₃. Ядро, по-видимому, состоит из железа. Т. о., по элементному составу П. земной группы резко отличаются от Солнца и совершенно не соответствуют ср. космич. распространённости элементов (очень мало водорода, а также инертных газов, включая гелий).

П.-гиганты обладают иным хим. составом, Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий в той же пропорции, что и Солнце. Вероятно, др. элементы также содержатся в пропорциях, соответствующих солнечному составу. В недрах Урана и Нептуна тяжёлых элементов, по-видимому, больше.

Недра Юпитера находятся в жидком состоянии, за исключением небольшого каменного ядра. Жидкий водород на глубине ~ 25 000 км, по-видимому, металлизируется. Выше этой границы расположена зона молекулярного водорода, ниже - металлического. Темп-ра в центре Юпитера ≈30000 К. Сатурн по внутр. строению похож на Юпитер. Строение недр Урана и Нептуна иное: доля каменистых материалов в них существенно больше. Тепловая энергия, выделяющаяся из недр Юпитера и Сатурна, возможно, была аккумулирована ещё в эпоху их формирования.

Луна по составу и внутр. строению похожа на П. земной группы. Тяжёлое ядро у неё, видимо, отсутствует. Четыре крупных спутника Юпитера (см. Галилеевы спутники) по характеру внутр. строения неодинаковы. Ганимед и Каллисто имеют большие каменные ядра, толстые водные мантии (жидкие либо твёрдые) и ледяную кору. Европа водной мантии не имеет, но у неё есть ледяная кора. На Ио льда нет, недра этого спутника каменистые, они частично расплавлены, о чём свидетельствуют активные вулканич. явления. Спутник Сатурна Титан - единственный среди спутников, имеющий плотную атмосферу (давление у поверхности ок. 1,5 атм, состоит она в основном из азота). По внутр. строению он, вероятно, схож с Ганимедом и Каллисто. Большинство др. спутников Сатурна скорее всего целиком состоят из льда Н₂О.

4. Поверхности планет и их спутников

Эндогенные и экзогенные процессы. Две группы процессов формируют поверхности П. и их спутников - эндогенные (внутренние) и экзогенные (внешние). Осн. эндогенные процессы уже упоминались - это тектонические и вулканические. Один из важнейших экзогенных процессов - переработка поверхности в результате падений метеоритных тел, образующих характерные кратеры и измельчающих материал поверхности. К экзогенным процессам относятся также механич. эрозия под действием ветра, осадков, воды, ледников, химическое взаимодействие поверхности с атмосферой и гидросферой. На Земле к перечисленным факторам добавляется воздействие биосферы. Строение поверхности определяется тем, какие процессы главенствуют в различные периоды времени. В Солнечной системе эндогенные процессы наиболее активны сейчас на Земле и на Ио (спутнике Юпитера), поэтому на этих телах мало следов метеоритной эрозии. По-видимому, только на Земле хорошо выражена т. н. тектоника плит - перемещение крупных блоков земной коры. Более тонкая океаническая кора "вклинивается" под толстые континентальные блоки, и в соответствующих областях (зонах поддвигания) образуются цепи вулканов, здесь наиболее часты и сильны землетрясения.

На Земле большой вклад в формирование поверхности вносят атмосферная, водная и ледниковая эрозии. Признаки действия экзогенных процессов этого типа имеются на Марсе, но они выражены много слабее, также как и тектонич. активность. На поверхности всех тел, лишённых плотной атмосферы и обладающих относительно слабой тектонич. активностью, наиболее важный процесс - метеоритная бомбардировка.

Типичные формы рельефа. 1) Континентальные блоки и океанические впадины имеются на Земле, Марсе и Венере. Лишь на Земле они заполнены водой. Это наиболее крупномасштабные элементы рельефа. Ср. перепад высот между континентами и океанич. впадинами ≈5 км. 2) Горные цепи хорошо выражены только на Земле. Это складки тектонич. происхождения.

Рис. 4. Гигантская вулканическая гора Olympus на Марсе. Её высота над окружающей равниной около 25 км, диаметр в основании около 600 км. 

Рис. 5. Метеоритные кратеры на поверхности Меркурия (внизу) и Каллисто (вверху) - одного из спутников Юпитера.

3) Вулканы имеются на Земле, Марсе (рис. 4), Венере, Ио. Из них действующие - только на Земле и Ио. Видимо, Ио - наиболее активное в отношении вулканизма тело в составе Солнечной системы. Были предложены две гипотезы о возможных источниках энергии, обеспечивающих вулканизм на Ио: а) мощные приливы, обусловленные гравитац. полем Юпитера; б) электрич. токи, возникающие при движении Ио в магн. поле Юпитера (см.Галилеевы спутники, Магнитосферы планет).
4) Долины тектонич. происхождения ("разломы") имеются на Земле, Венере и Марсе.
5) Метеоритные кратеры - наиболее распространённая форма рельефа на поверхности Меркурия (рис. 5, внизу), Луны, спутников Марса - Фобоса и Деймоса, спутников Юпитера - Ганимеда, Каллисто (рис. 5, вверху), Европы, спутников Сатурна - Дионы, Мимаса, Тефии, Реи и, вероятно, почти всех тел Солнечной системы, имеющих достаточно разреженную атмосферу и твёрдую поверхность. Размеры кратеров - от долей м до десятков и сотен км. Метеоритные кратеры имеются в большом количестве на поверхности Марса. При помощи радиолокац. методов они обнаружены на Венере (см. Радиолокационная астрономия

Процессы в недрах планет земной группы. Дифференциация. Осн. источниками энергии в недрах П. явл. радиоактивный распад элементов и гравитац. дифференциация. Второй процесс представляет собой постепенное перераспределение вещества по глубине в соответствии с плотностью - тяжёлые фрагменты тонут, лёгкие всплывают. Такое перераспределение на Земле ещё далеко не завершилось. Внутри Земли происходят перемещения, к-рые сопровождаются фазовыми переходами, изменениями хим. состава и т. д. Эти эндогенные (внутренние, глубинные) процессы влияют на земную кору, вызывая перемещения отдельных её участков, деформацию, горообразование. Такого рода явления наз. тектоническими. Им родственны вулканические процессы. Они связаны с тем, что в верхней мантии существуют небольшие области, где темп-ра достаточна для плавления её вещества. Расплавленное вещество (магма), выдавливающееся вверх, прорывается через кору и происходит вулканич. извержение. Существенно, что при этом из недр выбрасываются также газы - водяной пар, углекислый газ и др. Судя по характеру поверхности среди П. земной группы тектонически наиболее активна Земля, за ней следуют Венера и Марс.

). На Земле настоящих метеоритных кратеров обнаружено очень мало, однако имеются кольцевые геологич. структуры ("астроблемы") - слабо выраженные следы древних метеоритных кратеров. Дело в том, что метеоритная бомбардировка формировала наблюдаемые в настоящее время на др. телах многочисленные кратеры в течение примерно 4 млрд. лет. На поверхности тел, лишенных атмосферы и внутр. активности, они сохранились, на Земле были в большинстве своём стёрты.
6) Бассейны - приблизительно круглые низменности, заполненные застывшей лавой. Они имеют диаметр от неск. сот до 1000 км. Наиболее чётко бассейны выражены на Луне, но имеются также на Марсе и Меркурии. Они образовались в результате падения крупных планетезималей (планетных зародышей, астероидальных тел) ок. 4 млрд. лет назад. При таких падениях кора растрескивалась, гигантские кратеры заполнялись лавой. Лунные моря явл. типичным примером бассейнов.
7) Образования, связанные с водной, ледниковой эрозией, с переносом пылевого вещества ветром, наблюдаются кроме Земли только ещё на одной планете - Марсе. На Марсе обнаружены извилистые долины (рис. 6), вероятно, русла древних рек, свидетельствующие о том, что неск. млрд. лет назад Марс имел более плотную атмосферу и гидросферу (в настоящее время там атмосферное давление такое низкое, что вода не может существовать на поверхности в жидкой фазе).

Рис. 6. Извилистая долина Nirgal Vallis.

Рис. 7. Панорамы поверхности Венеры, полученные советскими спускаемыми аппаратами "Венера-9" и "Венера-10" (СССР, 1975г.)

На Марсе имеются области т. н. хаотического рельефа, испещрённые провалами, сформировавшимися, вероятно, в результате сублимации грунтового льда. Сложными образованиями явл. полярные шапки Марса. В них можно выделить сезонную и постоянную части. Сезонная часть представляет собой конденсат CO₂ с небольшой примесью H₂O, к-рый выпадает осенью, а весной сублимирует и "перекачивается" в противоположное полушарие. Постоянная часть полярной шапки состоит из льда H₂O. Для полярных областей Марса типичны отложения из большого количества ледяных слоев, перемежающихся уплотнившимся пылевым материалом.

По механич. структуре поверхностные слои грунта Марса, Меркурия, Луны, Фобоса, Деймоса представляют собой раздробленное вещество, т. н. реголит. Такая структура явл. результатом эрозионных процессов. Частицы реголита имеют различные размеры: от долей миллиметра до микрометра. На поверхности П. земной группы имеются и каменные глыбы метровых размеров (рис. 7). 

5. Атмосферы планет

Химический состав. В табл. 2 представлены данные о хим. составе атмосфер Венеры, Земли, Марса и Юпитера. На Венере и Марсе осн. компонентами атмосферы явл. СО₂ и N₂, на Земле О₂ и N₂. Причины этого различия следующие: 1) на Земле имеется много жидкой воды, к-рая растворяет СО₂ и переводит его в осадочные породы, 2) растительный покров Земли перерабатывает СО₂ в О₂. Наиболее резко от земной атмосферы отличаются атмосферы Юпитера и др. П.-гигантов, к-рые состоят гл. обр. из водорода и гелия. Из спутников П. только Титан имеет плотную атмосферу (её осн. составляющая - азот).

Табл. 2.-Химический состав атмосфер Венеры, Земли, Марса и Юпитера
Газ		Объемное содержание, %
		Венера	Земля	Марс	Юпитер
Водород, H2		< 10-3	<5.10-5	-	86
Кислород O2		< 10-3	21	0,1	-
Озон O3		(?)	10-6 - 10-5	10-5	-
Азот N2		3,5	78,1	2,5	-
Сера S2		≈2.10-5	нет	нет	-
Двуокись углерода CO2		96,5	3.10-2	95	-
Водяной парH2O		≈0,2	≈0,1	0 - 0,2	*
Окись углерода CO		3.10-3	10-4	0,08	-
Метан CH4		< 10-4	1,8.10-4	4.10-4	0,04
Аммиак NH3		< 2.10-4	< 10-5	< 10-5	0,06
Двуокись серы SO2		1,5.10-2	10-4	<10-6	-
Хлористый водород HCl		4.10-5	< 10-5	<10-5	-
Фтористый водород HF		5.10-7	< 10-7	< 10-7	-
Ацетилен C2H2		< 10-6	< 10-5	< 5.10-4	2.10-6
Этан C2H6		< 10-6	< 10-5	< 4.10-4	10-4
Фосфин PH3		-	< 10-5	-	*
Инертные газы:
	He	10-2	5.10-4	-	14
	Ne	1,3.10-3	1,8.10-3	-	-
	Ar	1,5.10-2	0,9	1,5	-
	Kr	6,5.10-5	1,1.10-4	3.10-3	-
	Xe	-	8,7.10-6	8.10-6	-
Средняя молекулярная масса		43,5	28,8	43,5	2,3
* Имеется качественное отождествление.