 М.Я. МАРОВ академик, Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН
По современным представлениям малые тела (кометы, астероиды, метеороиды, метеорная пыль) сохранили в своем составе первичное вещество, поэтому они представляют собой первостепенный интерес для планетной космогонии, прежде всего, с космохимической точки зрения. Наряду с этим свойства орбит малых тел отражают динамику регулярных и хаотических процессов в Солнечной системе, приводящих к возникновению упорядоченностей (самоорганизации), как парадигме динамической астрономии. Характерным проявлением хаотической динамики служит миграция, а ее следствием - столкновения комет и астероидов с планетами. Интенсивная бомбардировка Земли и планет земной группы кометами и астероидами могла обеспечить приток летучих из внешних областей Солнечной системы на ранней стадии эволюции, что внесло большой вклад в образование их атмосфер и гидросфер. Миграция малых тел имеет прямое отношение не только к эволюции планет, но и к проблеме происхождения жизни.
Порядок и хаос в природных системах
Несколько интригующее название этой рубрики моей статьи имеет под собой серьезную научную основу. Оно отражает современные воззрения на процессы в нашем ближайшем космическом окружении, основанные на лавинообразном накоплении наблюдательных данных, совершенствовании теоретических подходов и непрерывно расширяющихся возможностях компьютерного моделирования. Построение обоснованных численных моделей – это, по существу, единственная возможность реконструировать события, происходившие миллиарды лет назад, и зачастую отойти от сложившихся традиционных представлений относительно возникновения природных комплексов. Этому способствует также более широкий («нестандартный») взгляд на природу явлений, отличный от детерминированного (лапласовского) подхода, основу которого составляет признание важной роли случайных процессов и ключевой роли таких понятий, как стохастические системы, динамический хаос и самоорганизация.
Малые тела (кометы, астероиды, метеороиды, метеорная пыль), размеры которых от нескольких сот километров (крупные астероиды) до долей микронов (пылевые частицы), – самая многочисленная и наиболее динамичная часть населения Солнечной системы. Они играли и продолжают играть важную роль в ее эволюции благодаря процессам миграции и многочисленным соударениям с планетами. По структуре и разнообразию физико-химических процессов особенно интересны кометы, ядра которых обладают сложным химическим составом, включая органические соединения. Помимо первостепенного интереса для планетной космогонии, кометы привлекают возрастающее внимание как возможные носители первичных форм жизни.
Схема Солнечной системы. Стрелками показаны перемещение комет из облака Оорта и пояса Койпера, выбросы со спутников планет-гигантов. Рисунок из журнала «Astronomie + Raumfahrt»
Исследование малых тел принципиально важно, прежде всего, с космохимической точки зрения, поскольку они содержат первичное вещество, из которого образовалась Солнечная система. Можно думать, что кометы и наиболее примитивный класс астероидов – углистые хондриты – сохранили в своем составе частицы протопланетного облака и газопылевого аккреционного диска, поскольку претерпели наименьшие изменения в процессе эволюции. Кометы можно ассоциировать с планетезималями, выброшенными вследствие приливных возмущений из областей рождения планет юпитерианской группы в процессе их роста на периферию Солнечной системы, где образовались основные кометные резервуары – пояс Койпера, находящийся вблизи плоскости эклиптики непосредственно за орбитой Нептуна, и сферическое по форме облако Оорта.
Сам процесс формирования планетной системы, как и последующую орбитальную эволюцию малых тел, и их взаимодействие с планетами, следует рассматривать на основе стохастической динамики нелинейных диссипативных открытых систем, то есть систем, обменивающихся с окружающей средой энергией и веществом, эволюция которых происходит под действием случайных процессов. Для таких (в общем случае, неравновесных) макроскопических систем характерны исключительная сложность и нерегулярность, обусловленные совокупностью разнообразных нелинейных взаимодействий, приводящих к экспоненциальной неустойчивости системы и ее хаотичности. В свою очередь, наличие диссипативных структур в неравновесных системах создает предпосылки для появления внутри нее упорядоченностей (самоорганизации), вследствие чего возникают определенные соотношения порядка и хаоса. Характерными примерами стохастических систем, для описания которых используются статистические методы, служат разнообразные природные и космические среды.
Замечательный пример самоорганизации – кольца планет-гигантов. Она возникает в системе частиц, находящихся в орбитальном движении и одновременно испытывающих хаотические взаимодействия. При этом образуются упорядоченности в конфигурациях колец, обязанные, в первую очередь, возникновению коллективных процессов и наличию в дисковой системе неупругих столкновений макрочастиц, то есть самоорганизация заложена в самой системе. Дополнительное «стимулирующее» влияние на структуру колец оказывают находящиеся вблизи или внутри них спутники, часто называемые «пастухами». Наряду с этим частицы колец, сами состоящие из бесконечного числа мелких спутников, оказываются в резонансах с более крупными спутниками планеты. Это приводит к нарушению однородной структуры кольцевой системы, в частности к образованию внутри нее щелей, таких как щели Кассини, Энке в кольцах Сатурна, по своей природе аналогичные люкам Кирквуда в Главном поясе астероидов.
Другим примером служат периодически возникающие более или менее устойчивые образования на фоне хаотических (турбулентных) движений газа в атмосферах планет – это открытые нелинейные системы. Наиболее характерные устойчивые образования: циклоны и антициклоны в атмосфере Земли; суперротация атмосферы на Венере и на Титане, вызываемая различными энергетическими источниками; мощные пылевые бури на Марсе; относительно стабильные структуры, подобные Большому Красному Пятну на Юпитере и недавно обнаруженным на Юпитере с помощью Космического телескопа им. Хаббла двум красным пятнам меньших размеров, Большому Темному Пятну на Нептуне, а также другие овалы циклонического типа в атмосферах планет-гигантов.
Главный пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера (1.8 – 4.0 а.е.; обозначен зелеными точками). Внутри него находятся группы астероидов, сближающихся с Землей (Амура, Аполлона, Атона), обозначенные красными точками. Проекция на плоскость эклиптики. Рисунок из журнала «Planetary Report»
Отметим, что и области звездообразования – тоже сильно турбулизованные хаотические среды, в которых происходят последовательные процессы упорядоченности, начиная от фрагментации молекулярного облака и рождения звезды до формирования протопланетного диска и планетной системы. Наконец, нельзя не упомянуть о том, что эволюция Вселенной – это непрерывный процесс самоорганизации, приведший к ее современной наблюдаемой структуре с множеством галактик и галактических скоплений. Если же исходить из представлений современной космологии о существовании параллельных вселенных как малых частях многоуровневой «сверхвселенной», то можно рассматривать постулируемые теорией исходные квантовые флуктуации и зарождение постинфляционных доменов (с различной размерностью пространства–времени и иными физическими константами) как всеобщую парадигму бесконечного процесса упорядочения огромного числа изначально хаотических структур, заполненных полями и веществом.
Как видим, проблема порядка и хаоса имеет важные приложения в космической среде и динамической астрономии. Многие ключевые понятия динамических систем находят свое выражение в современных представлениях о галактических, звездных и планетных структурах и их эволюции. Они подкрепляются хорошо известными примерами из небесной и статистической механики, включая классическую проблему N-тел, являющуюся ключевой при анализе интересующих нас процессов миграции малых тел в Солнечной системе. Можно поэтому говорить о том, что динамическая астрономия – это та область, где четко проявляются фундаментальные свойства стохастической динамики наряду со многими другими областями современной науки, такими как геофизика, физика плазмы, движение частиц во внешнем электрическом или магнитном поле, квантовая механика, космология и др. Это отражает общность концептуальных подходов при моделировании процессов в космосе и открывает перспективы получения ответов на самые фундаментальные вопросы космогонии и эволюции Вселенной.
Орбиты и свойства малых тел
Облако Оорта расположено примерно на половине расстояния до ближайших звезд, хотя, согласно существующим моделям, оно не имеет четко выраженной внешней границы, поскольку периодически испытывает гравитационные возмущения от гигантских межзвездных газопылевых облаков, галактического диска и при случайных сближениях со звездами. Поэтому кометы из облака могут частично «испаряться» в межзвездную среду и вновь его пополнять, что позволяет рассматривать их в качестве своеобразных «зондов» ближайших к Солнечной системе областей Галактики. Эти же возмущения приводят к тому, что некоторые тела из облака Оорта могут «забрасываться» внутрь Солнечной системы, переходя на высокоэллиптические орбиты. Тогда при сближении с Солнцем они превращаются в долгопериодические кометы. В дальнейшем, под влиянием гравитационных возмущений от планет, они либо пополняют известные семейства короткопериодических комет, регулярно возвращающихся к Солнцу, либо, переходя на гиперболические орбиты, навсегда покидают Солнечную систему.
 Но основным источником короткопериодических комет является пояс Койпера, испытывающий гравитационные возмущения от Нептуна, вследствие чего относительно небольшая доля ледяных тел мигрирует во внутренние области Солнечной системы. Большинство транснептуновых объектов (TНO) размером не менее 1 км в поясе Койпера расположены в области в пределах 36 – 60 а.е., причем выделяют внутренний (36 – 40 а.е.) и классический (43 – 60 а.е.) пояса. Зона с существенно меньшей плотностью объектов простирается значительно дальше классического пояса, вероятно вплоть до 103 а.е. Общее число тел, распределение которых по размерам отвечает примерно степенному закону, оценивается величиной 1010. Согласно существующим оценкам, более 104 из них могут быть крупнее 200 км. Общая масса ТНО не превышает 1.3 М. Помимо этих тел выделяют дополнительно две группы объектов, генетически связанных с поясом Койпера:
- эклиптические кометы внутри орбиты Нептуна (примерно 106 ярких комет семейства Юпитера и менее яркие, но более крупные Кентавры размером 20 – 150 км, находящиеся между орбитами Юпитера и Нептуна). Кстати, только для них измерены периоды собственного вращения (от 5.92 ч для Хирона до 9.98 ч для Толуса);
- рассеянный кометный диск в пределах 50 – 100 а.е. с телами размером 10 – 20 км, чему отвечает измеренная на КТХ, примерно для 30 объектов видимая звездная величина V = 28.6 – 27.8 при постулируемом альбедо типичного кометного ядра А = 0.04.
Для тел пояса Койпера характерно наличие упорядоченностей в форме резонансов среднего движения (соизмеримостей периодов) с Нептуном (4:3; 3:2 во внутреннем и 2:1 в классическом поясе) и вековых резонансов (прецессии орбит) вследствие соизмеримостей долготы восходящего узла и аргумента перигелия. Орбиты стабильны (вне резонансов) в течение t ~ 108 лет. «Накопление нестабильности» и резкий рост эксцентриситета за счет гравитационного влияния Нептуна приводит к рассеянию тел из пояса Койпера. Область между внутренним и классическим поясами (40 – 43 а.е.) отличается наибольшей нестабильностью, и именно с нею связаны процессы миграции тел внутрь Солнечной системы (Земля и Вселенная, 1999, № 5).
К настоящему времени открыто свыше 100 ТНО, среди которых обнаружены тела, сопоставимые по размерам с Плутоном и его спутником Хароном (Седна, Квавар, Эрида со спутником Дисномия и др.). Это характерные представители семейства занептуновых минипланет (или карликовых планет) – плутоидов*, вместе с недавно переведенным в статус тел пояса Койпера и возглавляющим это семейство Плутоном. Для TНO характерно большое разнообразие физических свойств, которые проявляются в различиях их альбедо (от 2.5 до свыше 60 %) и спектральных особенностей, что позволяет диагностировать свойства поверхностей. В частности, обнаруженные полосы поглощения на 1.62; 1.79; 1.95; 2.20 и 2.32 мкм у объекта 1993SC, находящегося у границы внутреннего пояса на расстоянии 34.3 а.е., свидетельствуют об отложении на поверхности водяных и метановых льдов, возможно, с примесью азота. Это роднит его с Плутоном и Тритоном, хотя средняя плотность (около 0.5 г/см3) заметно ниже и ближе, скорее, к ядрам комет. У других объектов обнаружены полосы, свидетельствующие о наличии также углеводородных льдов (С2Н6, С2Н2).
Интересно, что около 11% исследованных объектов пояса Койпера – двойные системы, а у Плутона даже три спутника (Земля и Вселенная, 2006, № 6; 2007, № 2). Не исключено, что астероиды Троянцы в либрационных точках L4 и L5 являются телами из пояса Койпера, захваченными Юпитером в ранней хаотической фазе Солнечной системы (вопреки традиционной точке зрения, что они сформировались по мере роста самой планеты), и были затем захвачены в резонанс 1:1. В пользу гипотезы связи с TНO говорит факт сходства цветового альбедо Троянцев и ядер комет (рост отражения с длиной волны) и отсутствие четко выраженных спектральных признаков, как у большинства тел в занептуновой зоне. Аналогичные свойства характерны для Кентавров, также генетически связанных с поясом Койпера и частично эволюционирующих на орбиты комет семейства Юпитера.
Астероиды: а) Ида со спутником Дактиль из Главного пояса (во врезке показан другой вид Иды). Снимки получены в 1993 г. АМС «Галилей»; б) Эрос, представляющий семейство Аполлона (NEO). Крупно показан один из кратеров на Эросе. Снимки получены в 2000 г. АМС «NEAR-Shoemaker». NASA – JPL
Часть объектов, дрейфующих из пояса Койпера, пополняет упомянутый нами ранее Главный пояс астероидов, находящийся между орбитами Марса и Юпитера в обширной области между 1.8 и 4.0 а.е., хотя наиболее плотной является зона в пределах 2.2 – 3.3 а.е. Астероиды – это тела нерегулярной формы в широком диапазоне размеров от сотен километров до десятков метров, многие из которых находятся на орбитах с большими эксцентриситетами и наклонениями (е ≤ 0.3; i ≤ 20°). Это своего рода крупные каменные глыбы в космосе. Общее число астероидов Главного пояса размером свыше 1 км составляет 105, из которых реально обнаружена приблизительно половина и лишь около 25% занесено в каталоги. Несмотря на такое большое количество астероидов, их общая масса не превышает 1/2000 М. В свою очередь, внутри Главного пояса находятся три группы астероидов на сильно вытянутых орбитах, число которых с размерами не менее 1 км достигает примерно 1500. Это астероиды группы Амура, пересекающие орбиту Марса и приближающиеся к орбите Земли, астероиды группы Аполлона, пересекающие орбиту Земли, и астероиды группы Атона, заходящие внутрь орбиты Земли. Очевидно, все они обладают определенной вероятностью столкновения с Землей, поскольку испытывают периодические гравитационные возмущения от планет, носящие стохастический характер. Стохастическая динамика ответственна, в частности, за эволюцию астероидов группы Амура в группу Аполлона за 100 – 1 000 лет. Естественно, что наибольшую угрозу для Земли представляют тела группы Аполлон, получившие название NEO (Near Earth Objects), прогноз движения которых также затруднен вследствие стохастических возмущений при орбитальном движении.
По отражательным и спектрофотометрическим свойствам выделяют до 50 разновидностей астероидов, однако основными являются три композиционных класса: C – углистые хондриты, S – силикатные (каменные) и M – металлические (железные). Наблюдается достаточно четкая корреляция в расположении астероидов этих классов внутри Главного пояса с расстоянием от Солнца: М и С находятся ближе к внутренней, а S – ближе к внешней границе, что отвечает представлениям о последовательном выделении в протопланетном диске с увеличением радиального расстояния от протосолнца высоко- и низкотемпературных конденсатов (от тугоплавких элементов и соединений до льдов), вошедших соответственно в состав планет земной группы и планет-гигантов.
Периоды собственного вращения астероидов колеблются в пределах от единиц до десятков часов. Интересно, что радиолокационными наблюдениями выявлена четкая зависимость периодов вращения от размера: периоды не менее 2.2 ч для тел диаметром более 200 м. Данное пороговое значение отвечает предельной скорости вращения, при которой крупное немонолитное тело разрушается за счет центробежных сил. Это и ряд других свидетельств дают основание предположить, что структура большинства тел крупнее 200 м –конгломерат более мелких тел («осколков»), объединившихся после фрагментации при соударении с другим телом, что говорит о высокой эффективности столкновений внутри Главного пояса астероидов.
Подобно телам пояса Койпера, подверженных гравитационному воздействию Нептуна, орбиты астероидов Главного пояса испытывают сильное влияние гравитационного поля Юпитера. Приливными взаимодействиями с Юпитером обусловлены хорошо известные орбитальные резонансы – кратные отношения периодов обращения вокруг Солнца отдельных групп астероидов с периодом обращения Юпитера (люки Кирквуда), также являющиеся наглядными примерами возникновения упорядоченностей в орбитальной динамике этих тел (Земля и Вселенная, 2003, № 5). Резонансы 4:1, 3:1, 5:2, 2:1, 3:2 препятствуют заходу астероидов внутрь люков Кирквуда. Исключением является группа астероидов Гильда, находящихся на расстоянии 4.0 а.е. в области резонанса 2:3 с Юпитером, где, наоборот, наблюдается повышенная концентрация астероидов. Заметим, что приливные возмущения препятствуют объединению тел Главного пояса, делая несостоятельной гипотезу о существовании и последующем разрушении древней планеты (Фаэтон). Этому противоречит также разнообразие химического состава астероидов в пределах Главного пояса, которые затруднительно уподобить «осколкам» единой планеты, не говоря уже о ее крайне малой массе.
Наконец, следует отметить, что, вообще говоря, границы между планетами и крупными астероидами, с одной стороны, и астероидами и кометами – с другой, довольно размыты. Так, на основании 267 изображений наибольшего из известных астероидов, Цереры (940 км), полученных КТХ, и последующего компьютерного моделирования сделан вывод о том, что у Цереры могут быть внутреннее ядро, обогащенная летучими мантия и тонкая кора, поверхность которой покрыта пылью. Почти сферическая форма этого астероида свидетельствует о том, что она создается преобладающими гравитационными силами, а наличие покачиваний при вращении дает основание считать, что слагающий материал распределен внутри неравномерно. Поскольку у Цереры низкая средняя плотность (по своему составу она близка к углистым хондритам), выдвинуто предположение: внутри нее содержатся большие запасы водяного льда, так что это небесное тело, несмотря на свои сравнительно малые размеры, может содержать больше воды, чем Земля (!). Что касается родственных связей между астероидами и кометами, то известно, что некоторые астероиды – это бывшие кометы, утратившие свою активность вследствие исчерпания запаса летучих или покрытия поверхности ядра толстой оплавленной коркой из-за многократных прохождений вблизи Солнца. Возможен и обратный эффект, когда при обнажении (растрескивании) по тем или иным причинам этой корки астероид начинает проявлять признаки кометной активности.
Комета Хейла–Боппа (1995 O1) при сближении с Солнцем. Небольшое ядро (около 10 км) скрыто глубоко внутри яркой области поперечником свыше 10 тыс. км – комы, образующейся вследствие сублимации газа и пыли с ледяной поверхности ядра. Хорошо видны также протяженные хвосты I и II типов. Фотография Dennis di Cicco, сделанная 5 апреля 1997 г с помощью камеры Шмидта
Как мы уже отмечали, кометы интересны с точки зрения решения фундаментальной проблемы происхождения и эволюции Солнечной системы. Ядра комет обладают небольшими размерами – от единиц до первых десятков километров – и очень низкой средней плотностью, обычно не превышающей нескольких сот килограммов на кубический метр. Это свидетельствует о пористой структуре ядер, состоящих преимущественно из водяного льда и некоторых других низкотемпературных конденсатов с примесью силикатов, графитов, металлов и органических соединений. Водно-ледяной состав комет объясняется тем, что молекула воды является самой обильной в Солнечной системе, и не случайно льды Н2О составляют также значительную долю массы спутников планет-гигантов и других малых тел. О процессах с участием жидкой воды на начальных этапах эволюции Солнечной системы свидетельствует, в частности, минеральный состав метеоритов и, следовательно, их основных родительских тел – астероидов Главного пояса.
Данные, полученные автоматическими межпланетными станциями при сближении с несколькими кометами, говорят о том, что по своим физическим свойствам ядро в целом отвечает модели грязного снежного кома (или, скорее, кома замерзшей грязи), предложенной в середине прошлого века известным американским астрономом Ф. Уипплом. При сближении кометы с Солнцем и росте инсоляции вследствие сублимации льдов формируются атмосфера (кома) протяженностью в десятки тысяч километров, водородное гало размером в сотни тысяч километров и хвост, простирающийся в антисолнечном направлении на миллионы километров. Кома, состоящая в основном из молекул воды, гидроксила и водорода, образует голову кометы, светящуюся благодаря процессам люминесценции и частично ионизованную коротковолновым солнечным излучением. При сублимации льдов в атмосферу вместе с газами интенсивно выносится пыль, субмикронные частицы которой под действием светового давления создают кометный хвост. Согласно классификации, предложенной еще во второй половине XIX в. русским астрономом Ф.А. Бредихиным, различают три типа хвостов: I – прямые и узкие, направленные в сторону от Солнца; II – широкие и несколько искривленные относительно направления на Солнце; III – короткие и сильно отклоненные в направлении от Солнца. Физическая основа данной классификации была позднее предложена С.В. Орловым. Хвосты первого типа создаются плазмой, взаимодействуют с солнечным ветром; хвосты второго типа – субмикронными частицами пыли, подверженными воздействию светового давления, хвосты третьего типа – совокупностью мелких и более крупных частиц, испытывающих различное ускорение под действием гравитационной силы и светового давления. Вследствие такого механизма образования положение в пространстве хвостов III типа менее четкое, не совпадающее с антисолнечным направлением и отклоненное назад относительно орбитального движения. Иногда в структуре хвоста наблюдаются изогнутые линии (синдинамы) или даже веер синдинам, создаваемых пылинками разных размеров.
Ядро кометы Галлея с расстояния 4 тыс. км. Средний размер ядра неправильной формы примерно 15 км. Слева видны потоки газа и пыли (джеты) вследствие сублимации с ледяной поверхности ядра при сближении кометы с Солнцем. Снимок получен в марте 1986 г. АМС «Джотто». ESA
Для понимания природы и эволюции комет на различных гелиоцентрических расстояниях ключевое значение имеет изучение нестационарных процессов тепломассопереноса в пористом ядре и формирования неоднородной структуры поверхности, с которой происходит сублимация ледяного конгломерата и образуется газопылевая кома. Как показали наши результаты кинетического моделирования, вблизи ядер активных комет во всей дневной полусфере течение близко к равновесному, плотность газа быстро падает по мере удаления от поверхности ядра, причем из-за адиабатического расширения в вакуум температура на удалении от ядра около 100 км падает до нескольких кельвинов, а в окрестности оси симметрии образуется хорошо выраженная струя. Например, при пролете АМС «Джотто» (ESA) в марте 1986 г. около ядра кометы Галлея обнаружено несколько струй (джетов), обусловленных интенсивным выносом газа и пыли. Такую неравномерность сублимации с поверхности ядра можно объяснить за счет тепловых деформаций, вызывающих разломы и трещины в пыле-ледяной корке, образующейся, как уже говорилось, при последовательных сближениях кометы с Солнцем.
Миграционно-столкновительная модель и следствия
Орбиты планет обладают малыми эксцентриситетами и наклонениями, а потому они лишь слабо хаотичны и не имеют сколько-нибудь заметной вековой составляющей на временных интервалах, сопоставимых с возрастом Солнечной системы. В отличие от них свойства орбит малых тел отражают динамику регулярных и хаотических процессов в Солнечной системе. Одним из характерных проявлений хаотичности служит миграция, а ее следствием – столкновения комет и астероидов с планетами. Они приводят к катастрофическим событиям и транспорту вещества, что имеет важнейшее значение для эволюции планет и их атмосфер. Убедительным подтверждением периодически происходящих в Солнечной системе столкновительных процессов служат такие известные события, связанные со столкновением малых тел с Землей, как Чиксулюб или Тунгуска (30 июня 1908 г.). Первое произошло в конце мелового периода (около 65 млн. лет тому назад), когда астероид размером примерно 10 км образовал кратер диаметром около 170 км на полуострове Юкатан в Мексике. В июле 1994 г. наблюдалось грандиозное явление – падение на Юпитер более 20 фрагментов ядра кометы Шумейкеров–Леви 9. При входе в атмосферу планеты каждого из этих километровых осколков выделилась энергия, эквивалентная одновременному взрыву сотен тысяч мегатонных бомб (!). Вообще, орбиты комет подвержены наиболее сильной хаотизации, с чем связаны сложности прогноза их движений и точного определения эфемерид. Вычисления характеристических чисел Ляпунова (широко используемых в механике критериев устойчивости систем) для некоторых типов комет и астероидов с хаотическими орбитами подтверждают их чрезвычайно малое (по космическим масштабам) время жизни, обычно не превышающее сотни тысяч лет.
Обусловленные малыми телами миграционно-столкновительные процессы имели, несомненно, ключевое значение для ранней эволюции планет Солнечной системы, о чем говорит обилие не подвергшихся значительной эрозии кратеров на безатмосферных телах. Считается общепризнанным, что на планетах земной группы первичные атмосферы, захваченные из протопланетного облака на стадии их аккумуляции, были потеряны. Убедительным свидетельством такой потери служит то, что содержание и изотопный состав инертных газов в современных атмосферах вторичного происхождения резко отличается от солнечного. Обычно считается, что дегазация из недр в процессе последующей эволюции этих планет внесла основной вклад в формирование гидросферы и атмосферы. Однако такой источник не был, по-видимому, единственным и достаточным, чтобы компенсировать потерю низкотемпературных летучих (вода, азот, углерод, сера и др.) в зоне первоначального формирования планет земной группы при температуре более 103 К в этой части протопланетного диска (внутри границы конденсации воды – «снеговой линии»). Малая масса этих планет, наряду с высокой температурой, также способствовала убеганию в космос наиболее легких летучих, образующих атмосферы (атмофильные элементы).
Объяснить существующее, тем не менее, относительно высокое содержание летучих элементов на Земле и других планетах земной группы можно их интенсивной бомбардировкой кометами и астероидами из внешних областей Солнечной системы на ранней стадии эволюции. Такой сценарий называют механизмом гетерогенной аккреции. Количественные оценки эффективности данного механизма получены путем изучения орбитальной динамики малых тел, прежде всего комет из занептунового пояса, содержащих наибольшее количество летучих. Согласно существующим оценкам, из 10 млрд. TНO размером не менее 1 км примерно 20 тыс. могут переходить из упомянутой выше зоны накопления вековых возмущений в поясе Койпера на орбиты, пересекающиеся с орбитой Юпитера (JCO – Jupiter Crossing Objects), и находиться там более ста тысяч лет. Автор совместно с коллегой из ИПМ им. М.В. Келдыша доктором физико-математических наук С.И. Ипатовым разработал численную модель миграции тел JCO внутрь Солнечной системы. В основу положены задача N-тел и независимые вычислительные коды (BULSTO и RMVS), с использованием которых проводились расчеты. Из 20 тыс. тел JCO была численно проинтегрирована (на временных интервалах 106 лет с шагом 500 лет и относительной ошибкой 10-8 – 10-9) эволюция к Солнцу 5500 виртуальных объектов из известных семейств или типов комет с учетом гравитационного воздействия всех планет, кроме Меркурия. Интегрирование велось с начальными условиями, отвечающими параметрам орбит трех типов комет: семейства Юпитера, 9P Tempel 1 и 10P Tempel 2. Соударению тела размером 1 км с планетой, при котором его перигелийное расстояние q становилось меньше большой полуоси орбиты планеты a, откуда определялись вероятности соударений PS всех N рассматриваемых тел за время TS.
В результате расчетов были получены оценки средней вероятности столкновения таких тел с Землей, Венерой и Марсом. Оказалось, что средняя величина вероятности соударения с Землей составляет 6.65 х 10-6 за время порядка миллиона лет. Это означает, что километровый объект может сталкиваться с Землей примерно каждые 500 тыс. лет. Средняя вероятность соударения с Венерой получалась примерно такой же, а с Марсом – втрое меньше. Один из каждых 300 объектов («царапающих Солнце») падает на наше светило. Множество таких погибающих комет в виде ярких вспышек наблюдалось, в частности, с помощью солнечного телескопа, установленного на европейской космической обсерватории «SOHO».
Моделирование привело к ряду важных выводов относительно характера миграции тел из пояса Койпера, первоначально захваченных на орбиту пересечения с орбитой Юпитера, внутрь Солнечной системы и времени их перехода в семейства Главного пояса и NEO. Прежде всего, достаточно высокая вероятность столкновений малых тел между собой и с планетами приводит к перманентному дроблению вещества и его транспорту в межпланетной среде, обеспечивая своего рода «обменные процессы», и может вызывать катастрофические последствия на временных интервалах порядка миллиона лет. Другим ключевым следствием модели является подтверждение важной роли комет как источника летучих в эволюции Земли, Венеры, Марса. Исходя из нижней оценки вероятности соударений с Землей (примерно 4 х 10-6) и оценки суммарной массы планетезималей, пересекавших орбиту Юпитера на стадии его формирования и ранней эволюции (около 100 М), получаем, что масса тел, столкнувшихся с Землей, достигала 0.0004 М. Предполагая далее, что тела, мигрирующее из пояса Койпера, примерно наполовину состоят из водяного льда, приходим к выводу, что масса воды, доставленная на Землю из зоны питания планет-гигантов, составила 2 × 1024 г, что почти в 1.5 раза больше массы воды в земных океанах. Приблизительно такие же объемы воды получили (в расчете на единицу массы) Венера и Марс. Подчеркнем, что этот важный вывод, который относится к известному периоду максимальной бомбардировки кометами тел Солнечной системы около 4 млрд. лет тому назад, согласуется с представлениями о существовании древних океанов на соседних с Землей планетах, потерянных в ходе их последующей эволюции: необратимого парникового эффекта на Венере и захоронения воды в криосфере Марса.
Полученные оценки доставки воды на Землю кометами, естественно, справедливы лишь по порядку величины, и мы далеки от утверждения, что такой источник был единственным. По-видимому, определенный вклад внесла дегазация недр, хотя, как уже упоминалось, захват и удержание летучих элементов в ближайших к Солнцу областях протопланетного диска проблематично. Определить относительную роль эндогенного и экзогенного источников в формировании атмосферы и гидросферы пока вряд ли возможно. Важно, однако, подчеркнуть, что оценка с погрешностью даже в два раза, а не на порядки величин – несомненное свидетельство реалистичности стохастической кометной модели. Ее ограничением служит отношение тяжелого изотопа водорода дейтерия D к водороду D/H, полученное по измерениям в кометах Хиякутаки и Хейла–Боппа, молекул H2O и молекул, в которых один атом водорода замещен дейтерием. Оно оказалось вдвое выше (3.3 х 10-4), чем в земных океанах, по сравнению со стандартным океаническим значением (Standard Mодел Ocean Water) D/H =1.6 х 10-4. Это вряд ли отвергает, однако, связь земной гидросферы с кометным источником. Дело в том, что отношение D/H относится к долгопериодическим кометам, по своему генезису значительно отличающееся от комет семейства Юпитера, с которыми связывается доставка летучих на планеты земной группы. В частности, обе группы могли формироваться в различных областях протопланетного диска при разных температурах, что должно было повлиять на отношение D/H. Упомянем также, что, согласно динамическим моделям, определенный вклад в массу воды земных океанов могли внести, помимо комет, гидратированные астероиды Главного пояса с более близким к земному отношением D/H.
Коснемся еще одной интригующей темы, непосредственно связанной с проблемой миграции. Можно предполагать, что транспорт вещества, включая его первичные формы, имеет самое непосредственное отношение не только к эволюции планет, но и к проблеме происхождения жизни как одной из альтернативных моделей ее зарождения на Земле. Здесь огромный интерес представляет миграция частиц межпланетной пыли. На основе численных расчетов миграции пыли с учетом, помимо гравитационных, ряда других эффектов, автором совместно с С.И. Ипатовым были получены оценки относительной доли кометных и транснептуновых частиц, содержащих около 10% летучих, в общем балансе пыли, выпадавшей на планеты земной группы. Оказалось, что, по сравнению с малыми телами, вклад пыли в приток летучих на планеты земной группы на 3 – 4 порядка меньше. Однако пылевые частицы могли быть наиболее эффективными с точки зрения доставки на Землю органического или даже биогенного вещества вследствие существенно меньшего аэродинамического нагрева при входе частички пыли в ее атмосферу с эллиптической орбиты под малыми углами атаки. Такое случайное и, на первый взгляд, незначительное экзогенное воздействие могло при благоприятных условиях вызвать раскачку изначально устойчивой природной системы, обусловленное принесенными зародышами примитивных форм жизни и ее последующим бурным развитием с колоссальным коэффициентом усиления, свойственным таким биологическим системам, как микроорганизмы. Это, в свою очередь, означает переход природной среды в новое устойчивое состояние, ассоциируемое с прообразом ранней биосферы Земли.
Как видим, проблема происхождения жизни связывается в последнее время с транспортом вещества внутри и вне пределов Солнечной системы и миграционно-столкновительными процессами, ключевую роль в которых, как показывают наши расчеты, играют кометы и, возможно, пылевые частицы. В согласии с этим подходом находится концепция академика А.С. Спирина, связывающего с кометами появление на Земле древнего мира РНК, ансамбли молекул которых могут быть самодостаточными как ассимилирующие, метаболизирующие, структурообразующие и реплицирующие системы, то есть могут быть прототипами живых систем. С развиваемых нами позиций стохастической динамики такие события есть не что иное, как порождение и следствие локальной неустойчивости в нелинейной хаотической системе с большим числом степеней свободы. Эволюцию такой системы следует рассматривать как последовательность изменения состояний (бифуркаций), приводящих к возникновению самоорганизации. Каждому новому состоянию системы отвечают иная совокупность и взаимодействие природных комплексов.
Другой подход, в основе которого также лежит самоорганизация в процессе предбиологической эволюции, но происходящей непосредственно на Земле, состоит в механизме последовательного химического упорядочения, ключевую роль в нем играет молекула аденозинтрифосфата (АТФ). В рамках данной модели, развиваемой академиком Э.М. Галимовым, нарастающая упорядоченность исходной (хаотической) системы состоит в последовательности бифуркаций, от появления примитивных полимерных структур и развития универсальной каталитической функции пептидов до возникновения нуклеотидных последовательностей, участвующих в синтезе белка, и генетического кода. Реализация данной модели требует обратной связи для перехода к новому уровню самоорганизации при участии естественного отбора, что является ее ключевой особенностью. Необходима также восстановительная среда в условиях раздельного существования атмосферы и гидросферы и обеспечения доступности и подвижности фосфатов, что в целом не противоречит существующим представлениям о природных условиях на Земле в период, с которым связывают возникновение первых примитивных форм жизни (примерно 3.8 млрд. лет назад). Так или иначе, выбор между альтернативными моделями зарождения жизни и биосферы непосредственно на Земле или с участием внешнего источника - одна их наиболее актуальных и интригующих проблем современного естествознания.
Уместно еще раз подчеркнуть важность и актуальность представлений стохастической динамики при исследовании природных сред и всего многообразия процессов, лежащих в основе их формирования, что мы попытались показать на примерах моделирования миграции малых тел и их взаимодействия с планетами. Изучая свое ближайшее космическое окружение, мы хотим не просто понять, как произошла Солнечная система, но и выяснить благодаря чему возникла ее устойчивая конфигурация, принципиально отличная от известных к настоящему времени планетных систем у других звезд - экзопланет. Необходимо также ответить на вопрос о том, что выделило Землю с ее уникальными природными условиями среди других планет земной группы, в первую очередь ее ближайших соседей, Венеры и Марса, и каковы пределы существующих регуляционных механизмов обратной связи на Земле, препятствующих неблагоприятным сценариям ее дальнейшей эволюции. Вызывает, в частности, озабоченность факт накопления негативных антропогенных воздействий на окружающую природную среду. Не приведет ли этот процесс к радикальному изменению условий и постепенному «сползанию» Земли на путь эволюции ее ближайшего аналога Венеры? С позиций стохастической динамики такой неблагоприятный сценарий можно ассоциировать с бифуркацией состояния природной среды как открытой нелинейной диссипативной системы. Другими словами, это пример неравновесной ситуации, в которой могут возникать диссипативные структуры и новый уровень самоорганизации. Ответ на этот и многие другие кардинальные вопросы эволюции природных комплексов призвана дать интеграция наук о Земле и планетах. Это поможет лучше понять настоящее, прошлое и будущее Земли на основе сравнительной планетологии. Одновременно это должно помочь решению кардинальных проблем планетной космогонии и, в частности, наложить значительно более жесткие ограничения на диапазон параметров, используемых при разработке модели происхождения и эволюции Солнечной системы и модели зарождения земной биосферы.
 Автор предлагаемой вниманию читателей статьи – академик Михаил Яковлевич Маров – ведущий российский ученый в области изучения Солнечной системы, сравнительной планетологии, природных и космических сред. Ему принадлежат выдающиеся пионерские результаты исследований Венеры и Марса, которые получили мировое признание. М.Я. Маров выполнил первые в мире прямые измерения температуры и давления на поверхностях Венеры и Марса, провел исследования теплового режима Венеры, динамики ее атмосферы, структуры, состава и микрофизических свойств облаков. Он непосредственно участвовал в осуществлении программ «Луна», «Венера», «Вега», «Марс» и «Фобос».
Наряду с этим М.Я. Марову принадлежат глубокие теоретические исследования природных процессов на планетах земной группы. Его оригинальные методы моделирования природных и космических сред позволили разработать эволюционный подход к изучению Земли и планет. М.Я. Маров опубликовал более 220 научных работ, в том числе 12 монографий.
М.Я. Маров – лауреат Ленинской и Государственной премий СССР, лауреат Международной Галаберовской премии по астронавтике, академик Международной академии астронавтики. В последнее время он возглавляет Отдел космических исследований Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, является главным научным сотрудником Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН и профессором Международного космического университета. Свыше 25 лет он – главный редактор журнала РАН «Астрономический вестник. Исследования Солнечной системы».
28 июля 2008 г. М.Я. Марову исполнилось 75 лет. Редколлегия, редакция и авторский коллектив «Земли и Вселенной» поздравляют Михаила Яковлевича – большого друга нашего журнала – с замечательным юбилеем, желают ему еще много лет успешно трудиться на благо российской и мировой науки!
Источник: inauka.ru.
Рейтинг публикации:
|
