Ученые выяснили, как на спутнике Сатурна Титане меняются времена года

Механизм смены времен года

Весна, лето, осень, зима и снова весна и так из года в год. В чем же причина циклического изменения настроения природы на нашей планете? Попытаюсь разобраться.

Все дело в том, что ось вращения Земли наклонена по отношению к плоскости вращения нашей планеты вокруг Солнца (плоскости эклиптики, если говорить научным языком). Без угла наклона не было бы привычных нам времен года и всех этих переходов на летнее/зимнее время, да и нас бы не было (но это не точно). Так вот, для Земли угол отклонения экватора от плоскости своей орбиты (далее просто угол отклонения) составляет 23,44 градуса.

А теперь перейду к вопросу. Присутствуют ли циклические изменения времен года на других планетах Солнечной системы?

Марс

Основные статьи: Поверхность Марса

и
Цвет поверхности Марса
Две трети поверхности Марса занимают светлые области, получившие название материков

, около трети — тёмные участки, называемые
морями
(см. Список деталей альбедо на Марсе). Моря сосредоточены главным образом в южном полушарии планеты, между 10 и 40° широты. В северном полушарии есть только два крупных моря — Ацидалийское и Большой Сирт.

Характер тёмных участков до сих пор остаётся предметом споров. Они сохраняются, несмотря на то, что на Марсе бушуют пылевые бури. В своё время это служило доводом в пользу предположения, что тёмные участки покрыты растительностью. Сейчас полагают, что это просто участки, с которых, в силу их рельефа, легко выдувается пыль. Крупномасштабные снимки показывают, что на самом деле тёмные участки состоят из групп тёмных полос и пятен, связанных с кратерами, холмами и другими препятствиями на пути ветров. Сезонные и долговременные изменения их размера и формы связаны, по-видимому, с изменением соотношения участков поверхности, покрытых светлым и тёмным веществом.

Полушария Марса довольно сильно различаются по характеру поверхности. В южном полушарии поверхность находится на 1—2 км выше среднего уровня и густо усеяна кратерами. Эта часть Марса напоминает лунные материки. На севере большая часть поверхности находится ниже среднего уровня, здесь мало кратеров и основную часть занимают относительно гладкие равнины, вероятно, образовавшиеся в результате затопления лавой и эрозии. Такое различие полушарий остаётся предметом дискуссий. Граница между полушариями следует примерно по большому кругу, наклонённому на 30° к экватору. Граница широкая и неправильная и образует склон в направлении на север. Вдоль неё встречаются самые эродированные участки марсианской поверхности.

Выдвинуто две альтернативных гипотезы, объясняющих асимметрию полушарий. Согласно одной из них, на раннем геологическом этапе литосферные плиты «съехались» (возможно, случайно) в одно полушарие, подобно континенту Пангея на Земле, а затем «застыли» в этом положении. Другая гипотеза предполагает столкновение Марса с космическим телом размером с Плутон около 4 млрд лет назад[14]. В этом случае Северный Полярный бассейн, занимающий 40 % поверхности планеты, является импактным кратером и оказывается самым крупным

известным ударным кратером в Солнечной системе[14][15][16]. Его длина — 10,6 тыс. км, а ширина — 8,5 тыс. км, что примерно в четыре раза больше, чем крупнейший ударный кратер Эллада, до того также обнаруженный на Марсе, вблизи его южного полюса[64].

Большое количество кратеров в южном полушарии предполагает, что поверхность здесь древняя — 3—4 млрд лет. Выделяют несколько типов кратеров: большие кратеры с плоским дном, более мелкие и молодые чашеобразные кратеры, похожие на лунные, кратеры, окружённые валом, и возвышенные кратеры. Последние два типа уникальны для Марса — кратеры с валом образовались там, где по поверхности текли жидкие выбросы, а возвышенные кратеры образовались там, где покрывало выбросов кратера защитило поверхность от ветровой эрозии. Самой крупной деталью ударного происхождения является равнина Эллада (примерно 2100 км в поперечнике[65]).

В области хаотического ландшафта вблизи границы полушарий поверхность испытала разломы и сжатия больших участков, за которыми иногда следовала эрозия (вследствие оползней или катастрофического высвобождения подземных вод), а также затопление жидкой лавой. Хаотические ландшафты часто находятся у истока больших каналов, прорезанных водой. Наиболее приемлемой гипотезой их совместного образования является внезапное таяние подповерхностного льда. На карте Марса выделены 26 областей, имеющих хаотический рельеф (официальное название таких деталей рельефа в планетологии — хаосы). Крупнейший из хаосов на Марсе — хаос Авроры — имеет размеры более 700 км[66].

Долины Маринер на Марсе

В северном полушарии, помимо обширных вулканических равнин, находятся две области крупных вулканов — Фарсида и Элизий. Фарсида — обширная вулканическая равнина протяжённостью 2000 км, достигающая высоты 10 км над средним уровнем. На ней находятся три крупных щитовых вулкана — гора Арсия, гора Павлина и гора Аскрийская. На краю Фарсиды находится высочайшая на Марсе и высочайшая известная в Солнечной системе гора Олимп[11], которая достигает 27 км высоты по отношению к его основанию[11] и 25 км по отношению к среднему уровню поверхности Марса, и охватывает площадь 550 км диаметром, окружённую обрывами, местами достигающими 7 км высоты. Объём Олимпа в 10 раз превышает объём крупнейшего вулкана Земли Мауна-Кеа. Здесь же расположено несколько менее крупных вулканов. Элизий — возвышенность до шести километров над средним уровнем, с тремя вулканами — купол Гекаты, гора Элизий и купол Альбор.

По другим данным, высота Олимпа составляет 21 287 метров над нулевым уровнем и 18 километров над окружающей местностью, а диаметр основания — примерно 600 км. Основание охватывает площадь 282 600 км²[67]. Кальдера (углубление в центре вулкана) имеет ширину 70 км и глубину 3 км[68].

Возвышенность Фарсида также пересечена множеством тектонических разломов, часто очень сложных и протяжённых. Крупнейший из них — долины Маринер — тянется в широтном направлении почти на 4000 км (четверть окружности планеты), достигая ширины 600 и глубины 7—10 км[69][70]; по размерам этот разлом сравним с Восточноафриканским рифтом на Земле. На его крутых склонах происходят крупнейшие в Солнечной системе оползни. Долина Маринер являются самым большим известным каньоном в Солнечной системе. Каньон, который был открыт космическим аппаратом «Маринер-9» в 1971 году, мог бы занять всю территорию США, от океана до океана.

Панорама ударного кратера Виктория диаметром около 800 метров, снятая марсоходом «Оппортьюнити». Панорама составлена из снимков, которые были получены за три недели, в период с 16 октября по 6 ноября 2006

Панорама поверхности Марса в районе Husband Hill, снятая марсоходом «Спирит» 23—28 ноября 2005

Лёд и полярные шапки

Северная полярная шапка в летний период, фото Марс Глобал Сервейор. Длинный широкий разлом, рассекающий шапку слева — Каньон Северный
Внешний вид Марса сильно изменяется в зависимости от времени года. Прежде всего, бросаются в глаза изменения полярных шапок. Они разрастаются и уменьшаются, создавая сезонные явления в атмосфере и на поверхности Марса. Полярные шапки в максимуме разрастания могут достигать широты 50°. Диаметр постоянной части северной полярной шапки составляет 1000 км[71]. По мере того как весной полярная шапка в одном из полушарий отступает, детали поверхности планеты начинают темнеть.

Северная и Южная полярные шапки состоят из двух составляющих: сезонной — углекислого газа[71] и вековой — водяного льда[72]. По данным со спутника «Марс-экспресс», толщина шапок может составлять от 1 м до 3,7 км. Аппарат «Марс Одиссей» обнаружил на южной полярной шапке Марса действующие гейзеры. Как считают специалисты НАСА, струи углекислого газа с весенним потеплением вырываются вверх на большую высоту, унося с собой пыль и песок[73][74].

В 1784 году астроном У. Гершель обратил внимание на сезонные изменения размера полярных шапок, по аналогии с таянием и намерзанием льдов в земных полярных областях[75]. В 1860-х годах французский астроном Э. Ляи наблюдал волну потемнения вокруг тающей весенней полярной шапки, что тогда было истолковано как растекание талых вод и развитие растительности. Спектрометрические измерения, которые были проведены в начале XX века в обсерватории Ловелла во Флагстаффе В. Слайфером, однако, не показали наличия линии хлорофилла — зелёного пигмента земных растений[76].

По фотографиям «Маринера-7» удалось определить, что полярные шапки имеют толщину в несколько метров, а измеренная температура 115 K (−158 °C) подтвердила возможность того, что она состоит из замёрзшей углекислоты — «сухого льда»[77].

Возвышенность, которая получила название гор Митчелла, расположенная близ южного полюса Марса, при таянии полярной шапки выглядит как белый островок, поскольку в горах ледники тают позднее, в том числе и на Земле[78].

Данные аппарата Mars Reconnaissance Orbiter позволили обнаружить под каменистыми осыпями у подножия гор значительный слой льда. Ледник толщиной в сотни метров занимает площадь в тысячи квадратных километров, и его дальнейшее изучение способно дать информацию об истории марсианского климата[79][80].

В 2020 году радар MARSIS, установленный на аппарате Марс-экспресс, показал наличие подлёдного озера на Марсе, расположенного на глубине 1,5 км подо льдом Южной полярной шапки (на Planum Australe

), шириной около 20 км[81][82].

Русла «рек» и другие особенности

Дельта высохшей реки Эберсвальде (фото Mars Global Surveyor) Микрофотография конкреции гематита в марсианском грунте, снятая марсоходом «Оппортьюнити» 2 марта 2004 года (поле зрения 1,3 см), что свидетельствует о присутствии в геологическом прошлом воды в жидком состоянии[83] Так называемая «чёрная дыра» (колодец) диаметром более 150 м на поверхности Марса. Видна часть боковой стенки. Склон горы Арсия (фото «Марсианского разведывательного спутника»)
Основная статья: Гидросфера Марса

На Марсе имеется множество геологических образований, напоминающих водную эрозию, в частности, высохшие русла рек. Согласно одной из гипотез, эти русла могли сформироваться в результате кратковременных катастрофических событий и не являются доказательством длительного существования речной системы. Однако последние данные свидетельствуют о том, что реки текли в течение геологически значимых промежутков времени. В частности, обнаружены инвертированные русла (то есть русла, приподнятые над окружающей местностью). На Земле подобные образования формируются благодаря длительному накоплению плотных донных отложений с последующим высыханием и выветриванием окружающих пород. Кроме того, есть свидетельства смещения русел в дельте реки при постепенном поднятии поверхности[84].

В юго-западном полушарии, в кратере Эберсвальде обнаружена дельта реки площадью около 115 км²[85]. Намывшая дельту река имела длину более 60 км[86].

Данные марсоходов НАСА «Спирит» и «Оппортьюнити» свидетельствуют также о наличии воды в прошлом (найдены минералы, которые могли образоваться только в результате длительного воздействия воды). Аппарат «Феникс» обнаружил залежи льда непосредственно в грунте.

Кроме того, обнаружены тёмные полосы на склонах холмов, свидетельствующие о появлении жидкой солёной воды на поверхности в наше время. Они появляются вскоре после наступления летнего периода и исчезают к зиме, «обтекают» различные препятствия, сливаются и расходятся. «Сложно представить, что подобные структуры могли сформироваться не из потоков жидкости, а из чего-то иного», — заявил сотрудник НАСА Ричард Зурек[87]. Дальнейший спектральный анализ показал присутствие в указанных областях перхлоратов — солей, способных обеспечить существование жидкой воды в условиях марсианского давления[88][89].

28 сентября 2012 года на Марсе обнаружены следы пересохшего водного потока. Об этом объявили специалисты американского космического агентства НАСА после изучения фотографий, полученных с марсохода «Кьюриосити», на тот момент работавшего на планете лишь семь недель. Речь идёт о фотографиях камней, которые, по мнению учёных, явно подвергались воздействию воды[90].

На вулканической возвышенности Фарсида обнаружено несколько необычных глубоких колодцев. Судя по снимку аппарата «Марсианский разведывательный спутник», сделанному в 2007 году, один из них имеет диаметр 150 метров, а освещённая часть стенки уходит в глубину не менее чем на 178 метров. Высказана гипотеза о вулканическом происхождении этих образований[91].

На Марсе имеется необычный регион — Лабиринт Ночи, представляющий собой систему пересекающихся каньонов[92]. Их образование не было связано с водной эрозией, и вероятная причина появления — тектоническая активность[93][94]. Когда Марс находится вблизи перигелия, над лабиринтом Ночи и долинами Маринера появляются высокие (40—50 км) облака. Восточный ветер вытягивает их вдоль экватора и сносит к западу, где они постепенно размываются. Их длина достигает нескольких сотен (до тысячи) километров, а ширина — нескольких десятков километров. Состоят они, судя по условиям в этих слоях атмосферы, тоже из водяного льда. Они довольно густые и отбрасывают на поверхность хорошо заметные тени. Их появление объясняют тем, что неровности рельефа вносят возмущения в газовые потоки, направляя их вверх. Там они охлаждаются, а содержащийся в них водяной пар конденсируется[95].

Грунт

Фотография марсианского грунта в месте посадки аппарата «Феникс»
Элементный состав поверхностного слоя грунта, определённый по данным посадочных аппаратов, неодинаков в разных местах. Основная составляющая почвы — кремнезём (20—25 %), содержащий примесь гидратов оксидов железа (до 15 %), придающих почве красноватый цвет. Имеются значительные примеси соединений серы, кальция, алюминия, магния, натрия (единицы процентов для каждого)[96][97].

Согласно данным зонда НАСА «Феникс» (посадка на Марс 25 мая 2008 года), соотношение и некоторые другие параметры марсианских почв близки к земным, и на них теоретически можно было бы выращивать растения[98][99]. «Фактически мы обнаружили, что почва на Марсе отвечает требованиям, а также содержит необходимые элементы для возникновения и поддержания жизни как в прошлом, так и в настоящем и будущем», сообщил ведущий исследователь-химик проекта Сэм Кунейвс[100]. Также, по его словам, данный щелочной тип грунта (pH = 7,7) многие могут встретить на «своём заднем дворе», и он вполне пригоден для выращивания спаржи[101].

В месте посадки аппарата в грунте имеется также значительное количество водяного льда[102]. Орбитальный зонд «Марс Одиссей» также обнаружил, что под поверхностью красной планеты есть залежи водяного льда[103]. Позже это предположение было подтверждено и другими аппаратами, но окончательно вопрос о наличии воды на Марсе был решён в 2008 году, когда зонд «Феникс», севший вблизи северного полюса планеты, получил воду из марсианского грунта[19][104].

Данные, полученные марсоходом Curiosity и обнародованные в сентябре 2013 года, показали, что содержание воды под поверхностью Марса гораздо выше, чем считалось ранее. В породе, из которой брал образцы марсоход, её содержание может достигать 2 % по весу[105].

Времена года на планетах Солнечной системы

Рассмотрю все планеты, начиная от Солнца:

• Меркурий. Для ближайшей к звезде планеты нехарактерна смена времен года в привычном для нас смысле (то о чем я говорил выше). Однако планета движется по сильно вытянутой орбите (расстояние до Солнца варьируется от 45 миллионов километров в ближайшей точке, до 70 миллионов — в наиболее отдаленной), что приводит к существенным колебаниям температуры: от -200 градусов Цельсия зимними ночами, до 300 градусов в меркурианское лето.

  

• Венера. Фактический угол отклонения составляет всего 3 градуса, да и орбита — почти идеальный круг. Круглый год температура находится в области 400 градусов выше нуля.
• Землю я пропущу.
• Марс. Самая интересная планета в нашем перечне, угол отклонения равен 25,2 градусам, что не сильно отличается от земного. Цикл времен года красной планеты максимально напоминает привычный цикл нашей родной планеты, только год там длится вдвое дольше — почти 690 дней. Учитывая планирующееся проекты по колонизации Марса, можно предположить, что когда-то там появится не менее гениальный композитор, чем венецианец из вступления.

  

• Юпитер. Минимальный угол отклонения, климат не носит сезонный характер.
• Сатурн. Наклон оси составляет 29 градусов. Здешние сезоны длятся около семи лет, характерны более сильные перепады температур, нежели на Земле.
• Уран. Угол отклонения — 98 градусов, другими словами, планета повернута полюсом к Солнцу, что объясняет специфические климатические условия.
• Нептун. Угол отклонения равен 30 градусам, следовательно, присутствуют схожие с земными процессы. Только вот не нужно забывать про расстояние от Солнца, нынешнее лето на Нептуне продлится до 2046 года (кому не хватило отдыха — добро пожаловать на окраину Солнечной системы).