Астрономия, космохимия
Природа малых тел и их миграция в Солнечной системе
М.Я. МАРОВ, академик
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН
Автор предлагаемой вниманию читателей статьи - академик Михаил Яковлевич Маров - ведущий российский ученый в области изучения Солнечной системыI, сравнительной планетологии, механики природны/х и космических сред. Ему принадлежат выдающиеся пионерские результатыI исследований Венеры/ и Марса, которые получили мировое признание. М.Я. Маров выполнил первые в мире прямые измерения температуры/ и давления на поверхности ВенерыI и Марса, провел исследования теплового режима ВенерыI, динамики ее атмосферыI, структуры/, состава и микрофизических свойств облаков. Он непосредственно участвовал в осуществлении программ "Луна", "Венера", "Вега", "Марс" и "Фобос".
Наряду с этим М.Я. Ма-рову принадлежат глубокие теоретические работыI по изучению природным процессов на планетах земной группыI. В их основе -
многолетние исследования автора по ключевы/м проблемам механики турбулентным химически активным газов, кинетики неравновесным процессов и геофизической гидродинамики. Его оригинальные методыI моделирования природным и космических сред позволили разработать эволюционный подход к изучению Земли и планет. М.Я. Маров опубликовал более 220 научным работ, в том числе 12 монографий.
М.Я. Маров - лауреат Ленинской и Государствен-
ной премий СССР, лауреат Международной Галабе-ровской 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 научны/м руководителем Отдела в Институте прикладной математики им. М.В. Келды/ша 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. Ма-рову исполнилосы 75 лет. Редколлегия, редакция и авторский коллектив "Земли и Вселенной" поздравляют Михаила Яковлевича - болышого друга нашего журнала - с замечателы-ны/м юбилеем, желают ему еще много лет успешно трудитыся на благо российской и мировой науки!
© Маров М.Я.
3
По современным представлениям малые тела (кометыI, астероиды, ме-теороиды, метеорная пыль) сохранили в своем составе первичное вещество, из которого образовалась Солнечная система, и поэтому они представляют первостепенный интерес для планетной космогонии, прежде всего, с космохимиче-ской точки зрения. Одновременно свойства орбит
ПОРЯДОК И ХАОС В ПРИРОДНЫХ СИСТЕМАХ
Несколько интригующее название этой рубрики 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 (лапла-совского) подхода, основу которого составляет признание важной роли слу-
малыи тел отражают динамику регулярны/х и хаотических процессов в Солнечной системе, приводящих к возникновению упорядоченностей (самоорганизации) как парадигмыI динамической астрономии. Характерным проявлением хаотической динамики служит миграция, а ее следствием - столкновения комет и астероидов с планетами. Интенсивная
чайных процессов и ключевой роли таких понятий, как стохастические системы, динамический хаос и самоорганизация.
Спектр размеров малых тел простирается от нескольких сот километров (крупные астероиды) до долей микронов (пылевые частицы). Это 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.
Можно думать, что кометы и наиболее примитивный класс астероидов -углистые хондриты, - со-
бомбардировка Земли и планет земной группыI кометами и астероидами могла обеспечить приток летучих из внешних областей Солнечной системыI на ранней стадии эволюции, что внесло большой вклад в образование их атмосфер и гидросфер. Миграция малыи тел имеет прямое отношение не только к эволюции планет, но и к проблеме происхождения жизни.
хранили в своем составе частицы протопланетно-го 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 расположенное значительно дальше сферическое по форме облако Оорта.
Сам процесс формирования планетной системы, как и последующую орбитальную эволюцию малых тел и их взаимодействие с планетами, следует рассматривать, основываясь на представлениях стохастической динамики нелинейных диссипатив-ных открытых систем, то есть систем, обменивающихся с окружающей сре-
Облако
Юо
а.е.
Юз
а.е.
Ю"
Ближайшая к Солнцу звезда а Центавра
а.е.
lOs
а.е. з
* 10s
a. е.
Схема Солнечной системы. Стрелками показаны перемещение комет из облака Оорта и пояса Койпера, выбросы со спутников планет-гигантов. Рисунок из журнала "Astronomie + Raumfahrt".
дой 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 диссипатив-ных структур в неравновесных системах создает предпосылки для появления внутри нее упорядо-
ченностей (самоорганизации), вследствие чего возникают определенные соотношения порядка и хаоса. Характерными примерами стохастических систем, для описания которых широко 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, Эн-ке, Максвелла 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 га-
за в атмосферах планет, представляющих собой 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 там с помощью Космического телескопа им. Хаббла (КТХ) двум красным пятнам меньших размеров; Большому Темному Пятну на Нептуне, а также другие овалы циклонического типа в атмосферах планет-гигантов.
Отметим, что области звездообразования - это тоже сильно турбулизо-ванные хаотические среды, в которых происходят последовательные процессы упорядоченности, начиная от фрагментации молекулярного облака и рождения звезды до формирования протопланет-ного 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 рас-
сматривать 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 Ы-тел, ключевую при анализе интересующих нас процессов миграции малых тел в Солнечной системе. Поэтому можно говорить о том, что динамическая астрономия - это та область, где четко проявляются фунда
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.