Ганимед (спутник)
Ганимед (Ganymede) — спутник Юпитера[1].
Содержание
Общие сведения
Ганимед — крупнейший спутник в Солнечной системе. Его диаметр — 5 268 км, что составляет 41% от диаметра Земли, и на 2% больше, чем у спутника Сатурна Титана (второго по величине спутника), на 8% больше диаметра планеты Меркурий. Его масса — 1,4819·1023 кг (0,025 массы Земли) — на 10% больше, чем у Титана, в 2 раза больше массы Луны. Средний радиус — 2 634,1 ± 0,3 км (0,413 радиуса Земли), экваториальный радиус — 2634 км (1,516 радиуса Луны). Площадь поверхности составляет 87 миллионов км2 (0,171 площади Земли). Средняя плотность составляет 1,936 г/см3. Ускорение свободного падения на экваторе — 1,428 м/с2 (0,146 g). Вторая космическая скорость — 2,741 км/с. Орбитальная скорость — 10,880 км/с. Наклонение — 0,20° (к экватору Юпитера).
Ганимед расположен на расстоянии 1 070 400 км от Юпитера (то есть это средний радиус орбиты спутника), что делает Ганимед третьим по удалённости галилеевым спутником планеты (ближе находится Европа, ещё ближе — Ио, дальше — Каллисто).
Поверхность спутника испытывает резкие температурные контрасты: в приэкваториальных широтах после полудня температура поднимается до 160 К (-113 ° С), опускается до 120 К на закате и быстро падает после заката солнца до 85—90 К. На полюсах, где Солнце стоит низко над горизонтом, даже дневные температуры не поднимаются выше 120 К. В среднем температура поверхности колеблется от 85 до 160 К (средняя температура на поверхности — 140 К). Ночью температура может опускаться до -193 ° C.
День и ночь на спутнике длятся по 3,6 земных суток.
Ганимед по-видимому состоит из равных частей скальных пород и воды (преимущественно замёрзшей). Массовая доля льда находится в пределе 46—50%. Во льдах могут присутствовать некоторые летучие газы, например аммиак. Точный состав скальных пород спутника не установлен, однако он, как полагают, близок к составу обыкновенных хондритов групп L и LL, которые отличаются от H-хондритов меньшим полным содержанием железа, меньшим содержанием металлического железа и большим — окиси железа. Соотношение масс железа и кремния на спутнике составляет 1,05—1,27. Альбедо (отражательная характеристика) поверхности спутника примерно равна 43%. Водяной лёд имеется почти на всей поверхности Ганимеда и его массовая доля находится в пределах 50—90%. Кроме льда на поверхности спутника обнаружено наличие углекислого газа CO2 (количество углекислого газа на обоих полушариях одинаково, однако его нет вблизи полюсов), диоксида серы SO2, вероятно, циана CN2, серной кислоты H2SO4 и разных органических соединений (например, толинов), а также солей — сульфата магния MgSO4 и, как считают, сульфата натрия Na2SO4, которые могли образоваться в подповерхностном океане Ганимеда.
Поверхность спутника покрыто тёмными областями с кратерами (крупнейший кратер — Эпиген /Epigeus/ — имеет диаметр 343 км, а факула Мемфис имеет диаметр 360 км) и более светлыми областями, покрытыми «бороздами, канавками и гребнями». Наибольшая тёмная область — Галилея — имеет диаметр 3200 км.
На спутнике имеются полярные шапки, предположительно состоящие из водяного инея. Полярные шапки покрывают широты выше 40°. По-видимому, полярные шапки образованы молекулами воды, выбитыми с поверхности при бомбардировке её частицами плазмы. Такие молекулы могли мигрировать на высокие широты с низких благодаря разнице температур или, что более вероятно, происходить из самих полярных областей. Наличие у спутника собственной магнитосферы приводит к тому, что заряженные частицы интенсивно бомбардируют только слабо защищённые — полярные — области. Образовавшийся водяной пар осаждается преимущественно в самых холодных местах этих же областей.
Криовулканизм также имеет место на Ганимеде.
Возраст Ганимеда составляет около 4,5 миллиарда лет. По-видимому, спутник сформировался из аккреционного диска или газопылевой туманности, окружавшей Юпитер некоторое время после его образования.
Внутреннее строение Ганимеда
По расчётам, спутник состоит из 3-х слоёв: расплавленного железного или состоящего из сульфида железа ядра, силикатной мантии и внешнего слоя льда толщиной 900—950 км, что подтверждается малым моментом инерции, который был измерен во время облета Ганимеда «Галилео» — (0,3105 ± 0,0028)×mr2 (момент инерции однородного шара = 0,4×mr2). У спутника коэффициент в этой формуле самый низкий среди твёрдых тел Солнечной системы. Наличие расплавленного богатого железом ядра объясняет наличие у Ганимеда магнитного поля (конвекция в расплавленном железе, обладающем высокой электропроводностью создаёт магнитное поле).
Предположительно, радиуса ядра спутника составляет 700—900 км, толщина внешней ледяной мантии — 800—1000 км. Остаток радиуса приходится на силикатную мантию. Предполагаемая плотность ядра — 5,5—6 г/см3, а силикатной мантии — 3,4—3,6 г/см3. Некоторые модели генерирования его магнитного поля предполагают наличие твёрдого ядра из чистого железа внутри жидкого ядра из Fe и FeS, что схоже со структурой земного ядра. Радиус ядра может достигать 500 км. Температура в ядре спутника может составлять 1500—1700 К, а давление — до 10 ГПа.
Вероятный современный источник тепла в недрах Ганимеда — радиоактивный разогрев, который может, хотя бы отчасти, обеспечить существование подземного океана.
Подповерхностный океан
Под ледяной корой простирается силикатно-ледяная мантия вплоть до небольшого металлического ядра с размером порядка 0,2 радиуса спутника. В недрах, между слоями льда, по-видимому существует огромный океан жидкой воды.
Согласно моделированию недр Ганимеда, выполненное в 2014 году сотрудниками Лаборатории реактивного движения NASA, подповерхностный океан спутника по своему строению многослойный: жидкие слои разделены слоями льда разных типов (лёд I, III, V, VI). Число жидких прослоек, вероятно, достигает 4; их солёность с глубиной возрастает.
Гигантский океан из замерзшего льда достигает глубины несколько сотен км (до 800 км). Океан Ганимеда заморожен неравномерно: слои льда чередуются со слоями воды, которая остается в жидком виде благодаря большому количеству солей. Учёные NASA полагают, что эта вода может опускаться на дно и контактировать со скальными породами.
В пользу наличия скрытого подо льдом водоема глубиной в несколько сотен км говорит полярное сияние вокруг Ганимеда.
У Земли магнитосфера возникает из-за движения расплавленного железа в ядре, а у Ганимеда может быть весьма существенен вклад течения соленой воды. Соль в воде даёт положительно и отрицательно заряженные ионы, анионы и катионы, а способны создавать электрический ток.
По величине смещения полярных сияний учёные даже смогли оценить предполагаемую глубину океана на Ганимеде — около 330 км[2].
Атмосфера Ганимеда
У Ганимеда имеется тонкая атмосфера, в состав которой входят такие аллотропные модификации кислорода, как атомарный кислород O, кислород O2 и, может быть, озон O3. Количество атомарного водорода H в атмосфере спутника незначительно.
Наблюдаемое существование нейтральной атмосферы из молекул O2 подразумевает существование у спутника ионосферы, так как молекулы кислорода ионизируются столкновениями с быстрыми электронами, прибывающими из магнитосферы, и солнечным жёстким ультрафиолетом.
В ганимедской атмосфере был замечен атомарный водород, который наблюдался на расстоянии до 3000 км от поверхности Ганимеда. Его концентрация у поверхности спутника — примерно 1,5·104 см−3.
Магнитосфера Ганимеда
У спутника наблюдается довольно мощное магнитное поле и своя магнитосфера (это единственный известный спутник с собственной магнитосферой). Величина магнитного момента составляет 1,3×1013 Т·м3, что в 3 раза больше, чем у Меркурия. Ось магнитного диполя наклонена на 176° по отношению к оси вращения спутника, что означает её направленность против магнитного момента планеты Юпитер. Северный магнитный полюс спутника находится ниже плоскости орбиты. Индукция дипольного магнитного поля, созданного постоянным магнитным моментом, на экваторе Ганимеда равна 719 ± 2 нТл. Противоположность направлений магнитного поля Ганимеда и Юпитера делает возможным магнитное пересоединение. Индукция собственного магнитного поля Ганимеда на его полюсах в 2 раза больше, чем на экваторе, и равна 1440 нТл. Диаметр магнитосферы составляет примерно 2—2,5 диаметра спутника.
У магнитосферы спутника имеется область замкнутых силовых линий, расположенная ниже 30° широты, где заряженные частицы (электроны и ионы) оказываются в ловушке, создавая своеобразный радиационный пояс. Главный вид ионов в магнитосфере — ионы кислорода O+, что хорошо согласуется с разрежённой кислородной атмосферой Ганимеда. В шапках полярных областей на широтах выше 30° силовые линии магнитного поля не замкнуты и соединяют спутник с ионосферой Юпитера. В этих областях были найдены электроны и ионы, обладающие высокой энергией в десятки и сотни килоэлектронвольт, которые и способны вызывать полярные сияния, наблюдаемые вокруг полюсов спутника. Тяжёлые ионы постоянно осаждаются на полярной поверхности луны, распыляя и затемняя лёд.
Кроме магнитного момента, у спутника имеется индуцированное дипольное магнитное поле, вызываемое изменением магнитного поля Юпитера вблизи Ганимеда. С согласно с правилом Ленца индуцированный дипольный момент направлен к Юпитеру или от него. Индуцированное магнитное поле спутника на порядок слабее собственного; его индукция на магнитном экваторе составляет примерно 60 нТ.
Так как спутник полностью дифференцирован и обладает металлическим ядром, его постоянное магнитное поле, очевидно, генерируется тем же способом, что и земное: как результат перемещений электропроводящей материи в недрах. Если магнитное поле вызвано магнитогидродинамическим эффектом, то это, по-видимому, результат конвективного движения различных веществ в ядре спутника.
Исследования Ганимеда
Спутник открыл Галилео Галилей 7 января 1610 года.
В 1972 году группа индийских, английских и американских астрономов, работая в обсерватории имени Боссы в Индонезии, сообщила об обнаружении у Ганимеда тонкой атмосферы.
Первые фотографии Ганимеда из космоса были сделаны в декабре 1973 года «Пионером-10».
В 1995 году телескопом Хаббла была обнаружена слабая кислородная атмосфера (экзосфера) у этого спутника, схожая с атмосферой Европы — другого спутника Юпитера.
Космический аппарат «Галилео» с 1995 по 2000 годы сделал 6 близких пролётов возле спутника и обнаружил, что у него имеется мощное магнитное поле и своя магнитосфера.
Колонизация Ганимеда
Теоретически возможна и колонизация Ганимеда: добыча на нём сырья, космический туризм, размещение научных и военных баз и т. д. На Ганимеде сравнительно высокая гравитация, имеются залижи полезных ископаемых, много воды и т. д. Однако, расстояние до Ганимеда очень велики, кроме того, рядом находится Юпитер, излучающий мощную радиацию.
Гипотетическая жизнь на Ганимеде
Выявленный в атмосфере спутника кислород не является доказательством наличия жизни Ганимеде, так как считается, что этот кислород возникает когда водяной лёд на поверхности спутника разделяется на водород H и кислород радиацией (водород быстрее улетучивается из-за своей низкой атомной массы).
Наличие подповерхностного океана делают гипотетически возможной жизнь на Ганимеде[3][4][5].
