Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Одновременно с тем, что можно называть собственно теплом, Солнце испускает непрерывный поток заряженных частиц, называемый солнечным ветром. Он распространяется по Солнечной системе со скоростью 300–1200 км/с, обрушиваясь на планеты и формируя четко различимые хвосты комет. Кроме того, во внешних слоях Солнца происходят локальные взрывы, для обозначения которых использует термин солнечные вспышки. В ходе них в направлении планет выбрасывается дополнительная порция высокоэнергетических частиц. Наконец, периодически некоторая часть солнечного вещества выбрасывается наружу в рамках явления под названием корональный выброс массы. Корональным такой выброс вещества называют потому, что происходит он во внешнем слое солнечной атмосферы — солнечной короне. Корональные выбросы могут вызывать на Земле геомагнитные бури, создающие помехи в работе электрических приборов и GPS-систем. Однако на Землю бурная активность Солнца практически не оказывает влияния, так как нашу планету защищает ее магнитное поле.

Если вы отправитесь в Гренландию на севере или в Новую Зеландию на юге, при определенном везении вы сможете наблюдать северное или южное полярное сияние. Когда испускаемый Солнцем поток заряженных частиц достигает Земли, магнитное поле нашей планеты перехватывает его и перенаправляет к полюсам. При взаимодействии частиц с атомами кислорода и азота в верхних слоях атмосферы Земли они испускают зеленый и синий свет, который и создает полярное сияние.

Не будь у Земли магнитного поля, солнечные частицы беспрепятственно бы достигали ее поверхности. Чтобы понять, что ни к чему хорошему это бы не привело, достаточно взглянуть на наших ближайших соседей. Магнитного поля нет ни у Венеры, ни у Марса. Несмотря на то что по своему строению они очень похожи на Землю, из-за небольших отличий в процессе формирования они лишились своих защитных магнитных полей.

Магнитное поле нашей планеты создается расплавленным железным внешним ядром, которое остается горячим благодаря радиоактивным элементам и остаточному теплу, выделявшемуся при столкновениях в процессе формирования Земли. При движении этого электропроводящего металла появляется ток, который создает магнитное поле, превращая планету в гигантский стержневой магнит. Движение расплавленного ядра обусловлено вращением нашей планеты и потоками тепла, циркулирующими между ядром и поверхностью. Вторые возникают в результате тектонической активности плит Земли. При перемещении гигантских плит коры горячая мантия обнажается и плавит старую кору. При этом высвобождается энергия, которая заставляет охлаждаться внешний слой. Из-за разницы температур ядра и поверхности возникают мощные конвекционные потоки, циркуляция которых напоминает циркуляцию тепла в гигантской батарее отопления: теплая жидкость поднимается вверх, а более холодная опускается вниз, где снова нагревается. Это постоянное движение в недрах Земли придает импульс расплавленному ядру и нашему магнитному полю.

В отличие от Земли, где эта система работает исключительно эффективно, ни Венера, ни Марс не смогли обзавестись ничем подобным. На этих планетах не наблюдается никакой тектонической активности. Из-за скрывающих поверхность толстых облаков и слишком высокой температуры продолжительные исследования с помощью спускаемых аппаратов на Венере затруднены, что делает изучение эволюции этой планеты непростой задачей. По современным представлениям, отсутствие тектонической активности на Венере связано с чрезмерно высокой температурой поверхности. В условиях высоких температур кора планеты превратилась в кашеобразную смесь, которая быстро заполняет трещины, препятствуя образованию плит. В отсутствие воды на адски горячей поверхности мантия Венеры лишилась еще одного фактора подвижности. К тому же планета вращается настолько медленно, что венерианский день длится дольше венерианского года: чтобы совершить один оборот вокруг оси, Венере требуется 243 дня, тогда как ее период обращения вокруг Солнца составляет 225 дней. Это означает, что фактически планета вращается в направлении, противоположном направлению вращения Земли.

Из-за небольшой скорости вращения планеты и отсутствия мощных конвекционных потоков, создаваемых тектонической активностью плит, ядро Венеры также вращается медленнее, чем нужно для образования магнитного поля. Этой скрытой облаками планете остается довольствоваться лишь очень слабым полем на самом верху. Под действием ультрафиолетового излучения Солнца атомы в верхней части венерианской атмосферы теряют электроны, в результате чего образуется слой электрически заряженных частиц, называемый ионосферой планеты. Даже в отсутствие создаваемого ядром магнитного поля эти частицы способны отводить заряженные частицы солнечного ветра, создавая слабый ток и слабое магнитное поле. Поэтому на Венере можно наблюдать свечение, похожее на северное или южное сияние на Земле. Правда, оно в 40 раз слабее.

На Марсе все наоборот: там слишком холодно. Часть марсианской коры сильно намагничена, что указывает на то, что в прошлом у планеты должно было быть магнитное поле. Это поле намагнитило горные породы, а потом исчезло. Все дело в быстром охлаждении Красной планеты. Из-за скромного размера у Марса большая площадь поверхности по сравнению с его объемом. Как раскинутая на сушилке для белья простыня, эта обширная поверхность пропускает через себя тепло из недр планеты намного быстрее, чем это происходит на Земле. Когда ядро Марса остыло, конвекционный поток между мантией и ядром иссяк. Вся тектоническая активность замерла, а магнитное поле исчезло полностью.

Окончательно судьбу магнитного поля планеты, скорее всего, определило столкновение с крупным небесным телом, произошедшее более 4 млрд лет назад. Удар, который пришлось пережить планете всего через несколько сотен миллионов лет после рождения, был такой силы, что его следствием стала выраженная дихотомия двух полушарий марсианской коры. Поверхность северного полушария планеты в среднем на 5,5 км ниже поверхности южного полушария, а кора на 26 км тоньше. При столь масштабном столкновении на оказавшейся под ударом северной стороне должно было выделиться огромное количество тепла. Вызванный этим перепад температур мог нарушить конвекцию в мантии планеты и ослабить магнитное поле. В результате резкого повышения температуры в месте удара горные породы в прилегающей к нему области должны были размагнититься, что объясняет, почему признаки магнетизма наблюдаются главным образом в южной части планеты.

Независимо от подробностей их эволюции, ни у Венеры, ни у Марса сейчас нет магнитного поля, которое бы закрывало всю поверхность этих планет. Благодаря данным двух космических зондов мы не понаслышке знаем, к каким печальным последствиям приводит отсутствие щита в виде магнитного поля.

19 декабря 2006 г. на Солнце произошел относительно небольшой корональный выброс. Четыре дня спустя брызги солнечного вещества добрались до Венеры. Свидетелем этого стал космический аппарат Европейского космического агентства «Венера-экспресс», запущенный на орбиту планеты для изучения ее атмосферы. Несмотря на незначительное количество солнечного вещества и небольшую скорость, в результате коронального выброса незащищенная атмосфера Венеры лишилась внушительного количества кислорода. Также аппарат «Венера-экспресс» зафиксировал потерю водорода и кислорода — последних остатков морей на Венере — в результате воздействия солнечного ветра.