Спутники Юпитера. Том 1 [Дэвид Моррисон] (pdf) читать онлайн

Спутники Юпитера
Под редакцией Д. Моррисона

8а1е1Ше§ оГ
Лирйег
Ес1иес1 Ьу

Оанй Могпзоп
ХУИН 1Ье а88181апсе оГ
МНскей 8Нар1еу МаИНехУз
ХУЛИ 47 соПаЬогаипе ашЬогз

ТНе игпуегзку оГ Ангола Рге58
Тисзоп, Ангола

СПУТНИКИ
ЮПИТЕРД
Под редакцией Д. Моррисона

1
Перевод с английского
под редакцией
чл.-корр. АН СССР В. Л. Барсукова
и д-ра физ.-мат. наук. проф. М.Я. Марова

Москва «Мир»
1985

ББК 22.654
С74
УДК 523.4

Моррисон Д., Джуитт Д.. Гринберг Р., Кассеп П., Пил С.,
Рейнольдс Р.. Крукшенк Д., Дегевий Дж„ Целлнер Б., То­
мас П.. Веверка Дж., Силл Г., Кларк Р., Остро С.
Спутники Юпитера: В 3-х ч. Ч. I. Пер. с англ./Под ред.
С74 Д. Моррисона.-М.: Мир. 1985.-264 с., ил.
Коллективная монография ученых США, посвященная результатам научных
исследований спутников Юпитера с помощью американских космических аппаратов
«Вояджер». В часть I вошли разделы, посвященные общим проблемам физики
внешних и внутренних спутников и колен Юпитера, а также особенностей их
поверхностей.
Для астрономов, геологов, планетологов-специалистов и студентов старших
курсов Будет полезна всем интересующимся новыми данными о Солнечной
системе

С

1705050000-476
041(01)-85

ББК 22.654
526

81-85, ч. 1

Редакция литературы по космическим
исследованиям, астрономии и геофизике

© 1982 Т11с Алгола Воагд оГ Недель
© перевод на русский язык, «Мир». 1985

Предисловие редакторов перевода
«...В день седьмого января настоящего тысяча шестьсот десятого го­
да в первый час следующей затем ночи, когда я наблюдал небесные све­
тила при помощи зрительной трубы, то моему взору предстал Юпитер.
Так как я уже приготовил превосходный инструмент, то я узнал, что
Юпитеру сопутствуют три звездочки, хотя и небольшие, но. однако,
очень яркие... Хотя я и думал, что они принадлежат к числу непо­
движных, я все-таки им удивился, так как они были расположены точно
по прямой линии, параллельной эклиптике, и были более блестящими,
чем другие такой же величины».
Такую запись сделал Галилео Галилей в ту ночь, когда он впервые
наблюдал самые крупные спутники Юпитера, позднее названные его
именем. Это выдающееся открытие имело громадное значение не толь­
ко для астрономии, но и для материалистической философии, наглядно
подтвердив справедливость коперниковского учения: оно сняло возра­
жения его противников относительно казавшегося аномальным движе­
ния Лупы вокруг Земли и Солнца. Оказалось, что у Юпитера даже
четыре подобные «луны», обращающиеся вокруг собственной планеты.
От той далекой поры нас отделяют почти четыре столетия. Успехи
оптической астрономии и радиоастрономии неизмеримо расширили на­
ши знания о Солнечной системе. Были открыты три новые планеты з;
орбитой Сатурна, несколько десятков спутников у планет группы Юпи
тсра. достаточно надежно определены параметры их движений. Появле­
ние современных средств ракетно-космической техники придало новый
мощный импульс изучению небесных тел. в первую очередь планет зем­
ной группы и Луны. Сравнительно недавно начались и полеты
к планетам-гигантам.
Исследования систем Юпитера и Сатурна космическими аппаратами
относятся к крупнейшим достижениям планетной астрономии последне­
го десятилетия. Наиболее впечатляющими несомненно являются ре­
зультаты исследований ближайших окрестностей Юпитера, осущест­
вленных при пролете двух американских космических аппаратов
«Вояджер» в марте и июле 1979 г., в первую очередь галилеевых спут­
ников и колец этой гигантской планеты.
За период, прошедший со времени получения высококачественных
фототелевизионных изображений этих спутников и других данных, в пе­
риодических изданиях опубликовано большое число работ, содержащих
анализ различных материалов измерений. Одновременно были допол­
нительно переосмыслены данные имеющихся и вновь проведенных на­
земных астрономических наблюдений, надежность истолкования ко­
торых существенно повысилась. Все это обусловило значительный
прогресс в наших знаниях о системе Юпитера, нашедший достаточно
полное отражение в выпущенной в 1982 г. издательством Аризонского
университета под редакцией Дэвида Моррисона коллективной моногра­
фии «Спутники Юпитера».

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА

Предлагаемая вниманию читателя книга, пополнившая публикуемую
этим издательством библиотеку серии «Космические науки», представ­
ляет собой сборник из 24 статей 47 авторов, который охватывает прак­
тически все основные проблемы, связанные с природой спутников
и областей пространства около Юпитера. Основу его составляют об­
зорные доклады, которые были сделаны на одноименном коллоквиуме
№ 57 Международного астрономического союза, состоявшемся в мае
1980 г. в Калуа-Коиа на Гавайских островах, и дополнены и исправлены
с учетом состояния вопроса примерно на конец 1981 г. Важно отмс­
тить-и это обстоятельство специально подчеркивается в предисловии
к американскому изданию,-что. поскольку полеты к спутникам Юпите­
ра и Сатурна нс планируются по меньшей мере до кошта 1980-х годов,
данные о спутниках Юпитера, излагаемые в этой книге, сохранят свою
актуальность в течение достаточно длительного срока.
В русском переводе книга с любезного разрешения издательства
Аризонского университета разделена на три части: часть 1 выйдет
в свет в 1985 г„ части 2 и 3-в 1986 г. Ввиду этого в предисловии к пер­
вой части уместно сделать краткий обзор общего содержания книги.
16 известных на сегодня спутников Юпитера можно условно разде­
лить на четыре группы: самые крупные галилеевы спутники с размера­
ми от близких к Луне (Ио и Европа) до близких к Меркурию (Ганимед
и Каллисто): группа небольших, внутренних по отношению к гали­
леевым. спутников, орбиты которых лежат внутри орбиты Ио. самого
близкого к Юпитеру из числа галилеевых; и две группы небольших
внешних спутников, расположенных за орбитой самого далекого среди
галилеевых спутников Ганимеда, из которых у одной группы прямое,
а у другой обратное движение. Основные геометрические, механические
и физические характеристики всех этих групп спутников и история их
открытия, включая три вновь открытых при пролете «Вояджеров», при­
водятся во вводной главе, написанной Д. Моррисоном. Ес логически
продолжает глава Д. К. Джуитта, в которой рассмотрены свойства еще
одной, самой мелкой и многочисленной группы спутников, состоящей
из преобладающей фракции мелкодисперсных пылевых частиц и (ве­
роятно) отдельных более крупных фрагментов, которые вместе обра­
зуют кольцо Юпитера.
К этому же вводному разделу примыкают работы, посвященные
проблемам орбитальной и тепловой эволюции галилеевых спутников
и составу их поверхностей, а также обзору свойств внешних спутников
Юпитера и Амальтеи. Среди авторов такие известные специалисты, как
Р. Гринберг, С. Д. Пил. Д. Крукшеик, Д. Веверка и др. Особое внимание
уделяется вопросам приливного взаимодействия в гравитационном поле
Юпитера и формирования физических свойств Ио и Европы вследствие
диссипации приливной энергии. С учетом этих эффектов рассматри­
ваются наиболее вероятные современные модели внутреннего строения
этих спутников, а также Ганимеда и Каллисто и делается попытка про­
следить пути их тепловой эволюции с образованием ледяной коры

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА

и водно-ледяной мантии различной мощности. Состав поверхностей
рассматривается под углом зрения конденсации летучих на стадии ак­
креции и последующих путей образования химических соединений пре­
имущественно в виде гидратов. Эти вопросы представляют большой
интерес с космогонической точки зрения, позволяя лучше понять харак­
тер химической эволюции вещества в Солнечной системе. В этом же ра­
курсе исследуется природа других спутников. Имеются определенные
свидетельства того, что две группы внешних астсроидоподобных тел су­
щественно различаются по своему составу и примерно соответствуют
двум известным классам астероидов группы Троянцев. В то же время
поверхность Амальтеи, по-видимому, претерпела заметные изменения,
возможно, вследствие осаждения на ней серы, выбрасываемой с Ио
в процессе ее вулканической деятельности.
Перечисленные главы составляют содержание части I русского пере­
вода. В часть 2 вошли работы преимущественно геологического направ­
ления. Е. М. Шумейкер. Р. Г. Стром, Л. А. Содерблом и другие из­
вестные исследователи обсуждают специфические особенности геологии
галилеевых спутников, на поверхности которых присутствуют четко вы­
раженные следы ударной бомбардировки, тектонических деформаций
и интенсивного извержения материала из недр, а на Ио-проявления ин­
тенсивной вулканической деятельности. Анализ плотности кратерирования (максимальной на Каллисто), морфологии кратеров и котловин
и степени их стирания позволяет примерно датировать активные геоло­
гические процессы, приводившие к метаморфизации древней коры. На
основе сопоставления закономерностей популяции кратеров на Ганиме­
де. Каллисто и планетах земной группы делается имеющий важные
следствия вывод о различных резервуарах метеоритных тел. обусловив­
ших кратерообразованне па поверхностях планет и их спутников во
впу гренней и внешней областях Солнечной системы.
В эту же часть книги вошли главы, посвященные активному совре­
менному вулканизму на Ио и его следствиям, касающимся формирова­
ния поверхности этого уникального спутника и его взаимодействия
с магнитосферой Юпитера. Открытие девяти действующих вулканов на
Ио. восемь из которых продолжали действовать и четыре месяца спу­
стя. при пролете второго космического аппарата, явилось сенсационным
и потребовало всестороннего изучения.
В части 3 подробно анализируются динамические и термодинамиче­
ские свойства вулканических выбросов, морфология и природа горячих
точек на поверхности Ио. обнаруженных по измерениям при помощи
инфракрасного спектрометра, а также химический и фазовый состав по­
верхности и его влияние на образование атмосферы. Делается обосно­
ванный вывод, что поверхность образована преимущественно смесью
аллотропных модификаций серы и замерзшим серным ангидридом; по­
следний преимущественно определяет сложную метеорологию разре­
женной атмосферы Ио-единственного обладателя атмосферы из всех
галилеевых спутников. Ее свойствам посвящена статья С. Кумара

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА

и Д. М. Хантена, а в работах С. Б. Пилчера и др. рассматриваются
чрезвычайно интересные физические механизмы эмиссии ионов
и нейтральных частиц в магнитосфере Юпитера и образования плаз­
менного тора вдоль орбиты Ио.
Книгу завершает обстоятельный обзор Д. Б. Поллака и Ф. Фанейла,
посвященный проблеме происхождения и эволюции спутниковой си­
стемы Юпитера. В приложении приводятся результаты картирования
поверхностей галилеевых спутников и принятой номенклатуры морфо­
логических деталей с комментариями М. Дэвиса.
Книга «Спутники Юпитера» по своему содержанию является наибо­
лее полной и единственной на сегодняшний день обстоятельной моно­
графией по крайне актуальному разделу планетной астрофизики. Она
представит несомненный интерес для специалистов и будет хорошим
пособием для студентов астрономических специальностей и всех интере­
сующихся проблемами астрономии.
Перевод предисловия и гл. 1. 2, 4. 7, 9 осуществлен канд. физ.-мат.
наук С. В. Маевой; гл. 3. 5. 6. 8. 10, 24-д-ром физ.-мат. наук Е. Л. Рускол; гл. 11, 22-канд. физ.-мат. наук Б.А. Ивановым; гл. 12-14-канд.
геогр. наук Р.О. Кузьминым; гл. 15-19-А. А. Прониным; гл. 20, 21,
23-канд. физ.-мат. наук Т.М. Мулярчик. Гл. 4. 7, 11-16 отредактиро­
ваны В. Л. Барсуковым, а предисловие и гл. 1-3, 5. 6, 8-10. 17-24
-М.Я. Маровым.

М.Я. Маров
В. Л. Барсуков

Предисловие
1970-е годы были годами огромного прогресса во многих научных
направлениях, но. вероятно, ни одна отрасль науки не претерпела столь
же фундаментальных изменений, как физика планет. Стимулируемые
потоком данных, которые были переданы на Землю с космических ап­
паратов. запущенных СССР и США в дальний космос, астрономы, гео­
логи. геофизики, геохимики и специалисты в области физики плазмы
создали новый раздел, находящийся на стыке наук. Одновременно при­
шло осознание того. что. хотя планетные тела и отличаются друг от
друга, они являются членами одного семейства, которые развивались
самостоятельно, но в ходе общих эволюционных процессов под дей­
ствием незначительных различий в начальных условиях или в характе­
ристиках окружающей среды. Поэтому наилучшим образом их можно
понять путем сравнения. Исследования спутников Юпитера и Сатурна,
проведенные па КА «Вояджер», привели к открытию более десяти до­
полнительных членов этого семейства, находящихся в пределах досягае­
мости при использовании современных технических средств. Было пока­
зано также, что четыре больших галилеевых спутника Юпитера по бо­
гатству. разнообразию и значимости для науки сравнимы с более хоро­
шо знакомыми нам телами земной группы.
Эта книга итог одного из уникальных этапов в исследовании пла­
нет. До открытий, сделанных при помощи космических аппаратов «Во­
яджер» в марте и июле 1979 г., такая книга едва ли могла появиться.
Почти все ее главы основаны па данных, переданных на Землю при
пролете этих двух космических аппаратов через систему Юпитера. Хотя
полученные данные постоянно обогащаются результатами наземных
наблюдений и новыми теоретическими и лабораторными исследования­
ми. они сохранят свое значение до следующей встречи космического ап­
парата с системой Юпитера. К сожалению, этого не произойдет до кон­
ца 1980-х г г., когда, как мы надеемся, космический аппарат «Галилей»
осуществит в течение двух лет изучение Юпитера и его спутников. До
тех пор. несмотря па то, что многие данные, полученные при помощи
КА «Вояджер», не вполне осознаны и существует неограниченный про­
стор для новых идей и обобщений, период первоначальных открытий
следует считать завершенным.
Подобно другим книгам из серии «Космические науки», издаваемым
Аризонским университетом, эта монография может послужить кратким
руководством для начинающих исследователей, окончивших высшее
учебное заведение, а также справочным пособием для научных работни­
ков. В настоящее время это единственная книга, в которой спутники
Юпитера рассматриваются и как индивидуальные миры, и как система
тел. и это является следствием поистине фанатичного участия многих
ведущих ученых, занимающихся спутниками. Поскольку публикация за­
тянулась примерно на год, некоторые авторы использовали дополни­
тельное время для более полной разработки своих тем и смогли вое-

ПРЕДИСЛОВИЕ

пользоваться свежими результатами других авторов. Другие авторы,
главы которых остались в первоначальном виде, не смогли учесть
самые последние работы, о чем мы сожалеем. Вместе с тем ожидать,
чтобы книга в окончательном виде могла появиться в том же году, ког­
да произошли сближения с системой Юпитера, едва ли было реально,
и в целом можно говорить о выигрыше благодаря задержке.
Коллоквиум № 57 Международного астрономического союза (МАС)
«Спутники Юпитера», результатом которого явилась эта книга, со­
стоялся в Келуа-Кона на Гавайских островах 13-16 мая 1980 г. Он был
организован Астрономическим институтом Гавайского университета
и поддержан МАС. Международным комитетом по исследованию кос­
мического пространства (КОСПАР), Отделением планетных исследова­
ний Американского астрономического общества. Национальным на­
учным фондом. Национальных! управлением по аэронавтике и исследо­
ванию космического пространства (НАСА) и руководством проекта
«Вояджер». В четырехдневной конференции приняли участие около 250
ученых. 199 авторов представили 132 доклада. В Организационный ко­
митет вошли Д. Моррисон (председатель). К. Акснес, И. Аксфорд.
А. Брахик. Дж. Бернс. Д. Крукшенк. А. Дольфюс. Ф. Фанейл, Д. Гест,
Т. Джонсон, Г. Мазурский, В. Мороз. Г. Она, К. Пилчер. Г. Сиско.
Э. Стоун и Дж. Веверка. В местный организационный комитет вошли
Иоррисон. Крукшенк и Пилчер, им помогали Д. Вейнер, несколько со­
трудников и выпускников Гавайского университета. Основой большин­
ства глав книги служат представленные на коллоквиум заказные об­
зорные доклады, хотя все они были прорецензированы и значительно
доработаны после окончания конференции. Большинство орш инальных
докладов было опубликовано в специальном выпуске журнала 1сагця (за
ноябрь 1980 г.), отредактированном Дж. Бернсом.
Я лишен здесь возможности поблагодарить огромное число лиц. ко­
торые приняли участие в организации коллоквиума и в этом издании.
Обширный перечень благодарностей приведен в конце книги. Упо­
мяну здесь только мою помощницу Милдред Мсттыоз. без энергии
и искусства которой эта книга не могла бы выйти, а также Д. Вейнера
и М. Мисбека. которые внесли наибольший вклад в организационную
работу на ее начальной стадии. Я считаю также, что без усилий научной
группы проекта «Вояджер», руководимой Э. Стоуном из Калифорний­
ского технологического института, мы знали бы о спутниках Юпитера
значительно меньше. Мне приятно отметить финансовый вклад Т. Гсрелса и поблагодарить за существенную финансовую поддержку НАСА.
Лабораторию реактивного движения. Национальный научный фонд
и Гавайский университет. Следует, наконец, поблагодарить издатель­
ство Аризонского университета за выпуск этой книги в свет.

Дэвид Моррисон

1
Введение в „Спутники Юпитера“
ДЭВИД МОРРИСОН
Гавайский университет
Шестнадцать известных спутников Юпитера - это система разнообразных и удивительно интересных планетных тел. подразделяемая на
четыре группы, в каждую из которых входит по четыре тела: 1) гали­
леевы спутники с размерами от немногим менее Луны до превышающе­
го Меркурий: 2) очень небольшие внутренние спутники, три из ко­
торых были недавно открыты КА «Вояджер»; 3) малые внешние
спутники с прямым движением и 4) малые внешние спутники
с обратным движением. В зтой главе в общих чертах описывается ис­
тория изучения спутников, включая результаты, полученные при осу­
ществлении проектов «Пионер» и «Вояджер» в конце 1970-х годов.
Дается краткий обзор тем. рассматриваемых в отдельных главах кни­
ги. подчеркиваются основные идеи и делается попытка логически увя­
зать содержание всех глав.

В семье Солнца спутники Юпитера представляют собой наилучший
аналог всей планетной системы: это целые миры, обращающиеся во­
круг гораздо большего по размерам основного тела и. вероятно, обра­
зовавшиеся в результате конденсации протопланетного облака ~ 4.6
млрд, лет назад. Эта миниатюрная солнечная система привлекала вни­
мание астрономов со времени открытия Галилеем в 1610 г. четырех
самых больших спутников Юпитера. Но лишь недавно эти луны Юпи­
тера стали тщательно исследовать как единственные в своем роде пла­
нетные тела, которые формировались и развивались под действием тех
же физических и химических процессов, которые привели к образова­
нию других планет и больших спутников в нашей Солнечной системе.
В этой книге рассказывается о спутниках Юпитера как о все еще новых
и таинственных мирах, впервые отчетливо наблюдавшихся в 1979 г. при
помощи космических аппаратов «Вояджер».
В данной главе, как и во всей книге, изложение ведется от общего
к частному и от малых спутников к большим. Глава начинается с бе­
глого исторического обзора, дающего общее представление о наших
знаниях об этих объектах в середине 1970-х годов в соответствии с кни­
гой «Спутники планет» [13]. Затем в общих чертах описываются по­
леты КА «Пионер» и «Вояджер», когда четыре автоматических космиче­
ских аппарата разведывали и изучали систему Юпитера в 1973-1979 гг.
Полученные в результате этих запусков данные служат по существу ос­
новой книги. Опп позволили последовательно изучить отдельные эле­
менты системы спутников: вначале кольца, которые образуют ее вну­
треннюю границу, затем Амальтею и три вновь открытых внутренних

12

Л МОРРИСОН

спутника, а потом и систему малых внешних спутников, простираю­
щуюся на расстояние более 106 км от Юпитера. Наконец, открылись
возможности изучить общие динамические процессы, которые связы­
вают воедино всю систему и одновременно накладывают критические
граничные условия на ее эволюцию.
Наблюдения с Земли по-прежнему обеспечивают нас большей
частью информации о минералогическом составе поверхностей спутни­
ков. Свой вклад в исследование реголита спутников продолжают вно­
сить наземные радиолокационные наблюдения.
При рассмотрении с близкого расстояния обнаруживается «индиви­
дуальность» каждого из галилеевых спутников. Универсальным «лето­
писцем» геологической истории служит последовательность ударного
кратерообразования. и в трех главах книги рассматривается это связую­
щее звено хронологии всех планет, обладающих твердой поверхностью.
Затем мы исследуем сами эти тела, начиная с Каллисто и Ганимеда,
переходя к Европе и. наконец, к Ио. что создает продвижение от старо­
го к молодому, от геологически мертвого к исключительно динамично­
му. Ио-центральная тема второй половины книги, развиваемая в гла­
вах. посвященных ее недрам, поверхности, вулканической деятельности,
неустойчивой атмосфере, создаваемой извержениями вулканов, усколь­
занию нейтральных частиц и ионов в .магнитосферу Юпитера и морю
частиц высоких энергий, в которое погружены все галилеевы сиутники.
Наконец, в последней главе мы возвращаемся к вопросу происхождения
и эволюции этой миниатюрной солнечной системы.

I. Спутники: 1610-1974 гг.
Открытие Галилео Галилеем четырех спутников, которые теперь но­
сят его имя. было одним из самых эффектных результатов первых теле­
скопических наблюдений. Оно показало, что обращение возможно нс
только вокруг Земли, но и вокруг другого центрального тела. Вопрос
о первооткрывателе не был бесспорным, так как современник Галилея
Симон Мариус заявил приоритет на это открытие. По Галилей «опу­
бликовал» свои результаты первым, а относительно более ранних на­
блюдений Мариуса не имелось никаких доказательств. Поэтому честь
открытия обычно приписывается Галилею. Мариус предложил употреб­
ляемые в настоящее время названия: Ио. Европа. Ганимед и Калли­
сто-все это имена любимцев Зевса/Юпитера в греко-римской мифоло­
гии.
В течение столетий после Галилея наблюдения положений гали­
леевых спутников и хронометрирование их затмений использовались
в решении таких важных проблем, как определение скорости света
и установление долгот на Земле. Физические наблюдения вплоть до XIX
столетия не были сколько-нибудь значительными. Лаплас и его после­
дователи развили теорию движения спутников и использовали резо-

1. ВВЕДЕНИЕ В «СПУТНИКИ ЮПИТЕРА

13

нансныс свойства их орбит для оценки масс. А. Барнард использовал
новые рефракторы Йсркской и Ликской обсерваторий для измерения
размеров спутников. Хотя неопределенность этих измерений масс и диа­
метров была порядка 20%, они позволили оценить среднюю плотность.
Оказалось, что внутренние спутники, ио-видимому, состоят из более
плотного вещества, чем внешние. В 1920-х годах Стеббинс и Джекобсои
[136] сделали первые фотоэлектрические измерения, определили ампли­
туды кривых блеска и показали, что все четыре спутника находятся
в синхронном вращении с Юпитером. Кроме того, в начале XX столе­
тия использование фотографической аппаратуры привело к открытию
групп малых внешних спутников с прямым и обратным движением.
Примерно с 1950 г. наблюдатели начали изучать спутники Юпитера
при помощи больших телескопов и современной фотометрической, по­
ляриметрической и спектрофотометрической аппаратуры. Были изме­
рены показатели цвета, отмечены различия в альбедо и в цвете, прове­
дено спектроскопическое исследование атмосфер и уточнены значения,
полученные для диаметров и плотностей спутников. Фотометрия
в ближней инфракрасной области предоставила нам первую информа­
цию о составе поверхности. В очень важном резюме Койпер [69] на ос­
нове весьма небольшого количества данных, которые никогда не были
опубликованы, предположил, что у Европы и Ганимеда поверхности
образованы водяным льдом; позднее на основе таких же широкопо­
лосных наблюдений в ИК-области к такому же выводу пришел Морс
[88]. Уже в го время можно было заметить аномальную природу И,
с ее высоким альбедо, красным цветом и отсутствием льда. Быстро
усовершенствование ИК-приемников позволило вскоре измерить тепло­
вое излучение галилеевых спутников, а Мюррею и др. [99] удалось об­
наружить остывание Ганимеда при его вхождении в тень Юпитера.
Оказалось, что теплопроводность его поверхностных слоев так же низ­
ка, как и у Луны.
К началу 1970-х годов все более важную роль стало приобретать
изучение больших спутников во внешних областях Солнечной системы.
В результате удачно проведенных наблюдений покрытия звезды Ио
[143] был впервые определен с высокой точностью диаметр этого спут­
ника Юпитера и наложен надежный верхний предел на существование
атмосферы. Годом позже подобные наблюдения покрытия были сде­
ланы для Ганимеда [17]. Пилчер и др. [110] и Финк и др. [45] наглядно
показали спектроскопически, что преобладающим веществом на поверх­
ностях Европы и Ганимеда является водяной лед, а на Ио он, по-виднмому, отсутствует (может содержаться в количестве не более 1%).
Первые кривые нагрева и остывания, полученные из наблюдения затме­
ний, сделали возможным анализ теплофизических свойств поверхностей
галилеевых спутников [54, 92, 93]. Для понимания внутреннего строения
ледяных спутников большое значение имела ранняя теоретическая рабо­
та Льюиса [74]. Самым замечательным достижением явилось неожи­
данное открытие в 1972 г. Брауном [11] натриевой эмиссии с Ио. Веко-

14

Д МОРРИСОН

ре существование обширного облака нейтрального натрия вблизи этого
спутника было подтверждено целой серией наблюдений. Чтобы объяс­
нить происхождение облака. Мэтсон и др. [80] предположили, что по­
верхностное вещество разбрызгивается высокоэнергичными частицами.
Эти и другие результаты послужили основой для планирования первых
наблюдений системы Юпитера при помощи КА «Пионер-10» в 1973 г.
На той стадии изучения системы Юпитера в г Итака (шт. НыоИорк) 18-21 августа 1974 г. состоялась международная конференция, по­
священная 33 известным спутникам планет (включая спутник Земли Лу­
ну). По материалам ее была создана книга «Спутники планет» под ред.
Дж. Бернса [13]. дающая исчерпывающий обзор сведений о спутниках,
имевшихся до начала исследований этих тел при помощи космических
аппаратов. Особенно тщательно разработана в гл. 3-8 проблема дина­
мики орбит, не приведенная в настоящей книге. В ряде других глав рас­
сматриваются в основном спутники Юпитера, включая главы по фото­
метрии и поляриметрии, написанные Веверкой [147] и Моррисоном
и Моррисоном [94]. по радиометрии - Моррисоном [89]. по спектрофо­
тометрии-Джонсоном и Пилчером [63]. по Ио-Фанейлом и др. [41].
а также Консолманьо и Льюисом [31].
Упомянутые обзоры но фотометрии и поляриметрии остаются лучими источниками информации об усредненных по диску свойствах порхностей спутников Юпитера. Другие главы также все еще вполне со>еменны. Спектрофотометрия получила значительное развитие благо­
даря новым наблюдениям, проведенным в основном па Мауна-Кеа
(шт. Гавайи) Т. Мак-Кордом и его сотрудниками. Полученные ими
данные рассматривают Силл и Кларк в гл. 7. Радиометрические иссле­
дования Ио были коренным образом пересмотрены в результате откры­
тия на ней активного вулканизма, что описывают Пирл и Синтон
в гл. 19. Фанейл и др. [41] написали прекрасный краткий обзор имею­
щихся тогда данных о поверхности и атмосфере Ио и предложили
остроумную гипотезу о ранней тепловой истории Ио. Ио эта гипотеза
оказалась отвергнутой, когда был установлен крупномасштабный при­
ливной нагрев и. как следствие, высокий уровень вулканизма на Ио.
Модели недр Консолманьо и Льюиса [31]. по-видимому, также ну­
ждаются в изменениях, требуемых для объяснения как приливной эво­
люции. так и твердотельной конвекции в качестве механизма переноса
тепла в ледяных мантиях спутников.
Многие проблемы, касающиеся природы галилеевых спутников и по­
ставленные в 1974 г., остаются нерешенными. Так, очень странным
явлением было увеличение яркости Ио после выхода из затмения,
впервые отмеченное Биндером и Крукшепком [7]. При наблюдениях
с КА «Вояджер» этот эффект, однако, не был обнаружен [148] и еще не
ясно, какая причина (если такой эффект вообще существует) могла бы
вызвать спорадические кратковременные изменения в альбедо. Проис­
хождение облаков нейтрального натрия вокруг Ио широко обсуждалось
в 1974 г. и так и осталось загадкой до настоящего времени, хотя модель

I ВВЕДЕНИЕ В ■СПУТНИКИ ЮПИТЕРА..

15

разбрызгивания Мэтсона и др. [80]. конечно, сохраняется. Систематиче­
ские долготные вариации цвета и альбедо спутника, усредненные по ди­
ску. пс нашли объяснения в рамках предложенных и эндогенной, и экзо­
генной гипотез. Результаты «Вояджеров» не прояснили этот вопрос.
Наблюдаемую поляриметрически асимметрию между ведущим и ве­
домым полушариями Каллисто в какой-то мерс можно объяснить э'с,
Унив. центр СанДиего

Измерение концентрации и энсргии высокоэнергичных заряжен­
ных частиц в космическом прост­
ранстве

Астероиды и метеорные
частицы

Р. Собсрман,
Сепега! Е1ес1пс

Наблюдения метеорных частиц
(пыли и частиц больших размеров)
в окрестности космического аппа­
рата

Обнаружение метеорных
частиц

У. Кинард,
Лэнгли, НАСА

Обнаружение очень мелких метсорных частиц, соударяющихся с
космическим аппаратом

Небесная механика

Дж. Андерсон.
71 РД

Определение масс Юпитера и галилеевых спутников с высокой
точностью

Д. Джадж, Унив.
Юж. Калиф.

Наблюдение УФ-излучения из атмосферы Юпитера и околоспутниковых газовых облаков

Т. Герелс,
Ариз. унив.

Изучение
оптических
свойств
Юпитера и зодиакального света;
получение первых изображений
планет и спутников

УФ-фотометрия

Получение фотополяриметрических изображений

Тепловая структура Юпи­ Г. Мюнч. Калиф. Измерение температуры и гсплотера в ИК-области спект­
технол. пнет.
вого баланса Юпитера; определе­
ра
ние отношения гелия к водороду
Эксперимент по радиоза­
ходу в диапазоне 8 (час­
тота 2300 МГц)

А. Клиорс, ЯРД

Исследование структуры атмосфе­
ры и ионосферы Юпитера

Основная задача проекта «Пионер» состояла не столько в том,
чтобы исследовать систему Юпитера, сколько в том. чтобы показать,
что космический аппарат можно с успехом заслать во внешние области
Солнечной системы. Особенно тревожной была потенциальная опас­

1. ВВЕДЕНИЕ В «СПУТНИКИ ЮПИТЕРА»

17

ность от встречи с мелкими обломками в поясе астероидов и от радиа­
ции в магнитосфере Юпитера. Полученное доказательство доступности
внешних частей Солнечной системы непосредственным исследованиям
явилось нс менее существенным, чем сами результаты научных измере­
ний. Описание проекта «Пионер» и его результаты имеются в изданиях
[42, 43].
Особое место среди исследований, проведенных при помощи КА
«Пионер», имели прямые (1п вйи) измерения параметров частиц и харак­
теристик физических полей вдоль трассы движения аппарата, особенно
в магнитосфере Юпитера. Из-за ограничений, связанных с его враще­
нием, малой полезной массы и небольшой энергии, которую можно бы­
ло потратить на работ) научной аппаратуры, было проведено очень не­
много наблюдений самих спутников. Тем нс менее из анализа
траекторий движения космических аппаратов удалось более надежно
определить массы всех четырех галилеевых спутников [2]. а также уточ­
нить диаметры Каллисто и Европы [127]. Кроме того, на КА «Пио­
нер-10» был проведен эксперимент по радиозаходу за спутник Ио. в ре­
зультате чего у Ио была обнаружена ионосфера с максимальной
концентрацией электронов 6-104см-3 на высоте 100 км на дневной
стороне [67. 68]. Вблизи орбиты Ио было также отмечено наличие све­
чения в ультрафиолете, по-видимому, вызванное излучением линии во­
дорода 1_а [65]. Это дополнительно подкрепило идею о протяженной
атмосфере на Ио.
Обзор данных о галилеевых спутниках по результатам их изучения
при помощи КА «Пионер» содержится в четырех главах книги «Юпи­
тер» [47]. В пих особое внимание уделяется Ио, ее атмосфере и протя­
женным облакам натрия и водорода, включая их взаимодействие с маг­
нитосферой Юпитера.
Оба КА «Пионер» послужили прообразами при подготовке более
обширного проекта НАСА «Вояджер». В основу КА «Вояджер», разра­
ботка которых началась в 1972 г., был положен принцип стабилизации
ио трем осям, использовавшийся ранее на КА «Маринер», созданных
в Лаборатории реактивного движения (ЛРД). Каждый из двух космиче­
ских аппаратов весом 815 кг был оснащен аппаратурой, состоящей из
пяти приборов для дистанционных измерений, которые были смонтиро­
ваны на сканирующей гироплатформе, обеспечивающей необходимую
ориентацию при проведении 11 научных экспериментов (перечисленных
в табл. 1.2). Научным руководителем проекта был Э. Стоун из Кали­
форнийского технологического института. На КА «Вояджер» были вы­
полнены обширные исследования системы Юпитера. На стадии подго­
товки проекта спутники рассматривались как второстепенная цель. Но
интерес к ним сильно возрос, когда великолепные снимки спутников,
полученные при подлете к Юпитеру, постепенно превратились в за­
хватывающее зрелище. С проектом «Вояджер» можно ознакомиться
в изданиях [90. 96].

18

Д. МОРРИСОН

Таблица 1.2. Научные исследования на КА «Вояджер»
Научный руководитель проекта Э. Стоун, Калифорнийский технологический
институт

Исследования

Научный
руководитель
или ведущая
группа

Телевизионные изображе­
ния

Б. Смит,
Ариз. унив.

Получение изображений с высо­
ким разрешением при больших
фазовых углах; исследование ди­
намики атмосферы; определение
геологического строения спутни­
ков; поиски колец и новых спут­
ников

ИК-излучение (1К.18)

Р. Хэнел,
Годдард. НАСА

Исследование химического соста­
ва. тепловой структуры и дина­
мики атмосферы; изучение соста­
ва и термических свойств поверх­
ностей спутников

'Ф-спектроскопия

А. Бродфут,
Обе. Китт-Пик

Определение химического состава
и структуры верхней атмосферы,
изучение авроральных процессов,
распределений ионов и нейтраль­
ных атомов в системе Юпитера

Ч. Лилли/
Ч. Хорд,
Унив. шт. Коло­
радо

Измерение атмосферных аэрозо­
лей, изучение структуры поверх­
ности спутников и натриевого об­
лака

Фотополяриметрия

Основные задачи

Планетная радиоастроноДж. Уорвик,
Изучение поляризации и спектров
мия
Унив. шт. Коло­ излучения в диапазоне радиочас­
радо
тот, исследование процесса моду­
ляции радиоизлучения спутником
Ио; определение плотности плаз­
мы

Магнитные поля

Частицы плазмы

Плазменные волны

Н. Несс,
Годдард, НАСА

Измерение магнитного поля Юпи­
тера, определение структуры маг­
нитосферы, исследование се взаи­
модействия со спутниками, осо­
бенно с Ио

X. Бридж,
Выяснение распределений ионов
Массачус. технол. и электронов в магнитосфере, пе­
нист.
следование взаимодействия сол­
нечного ветра с Юпитером; изу­
чение эжекции ионов со спутни­
ков

Ф. Скарф. ТК\У

Измерение электронной концент­
рации плазмы, изучение взаимо­
действий волна-частица, исследо­
вание низкочастотного излучения

19

I. ВВЕДЕНИЕ В «СПУТНИКИ ЮПИТЕРА»

Научный
руководитель
или ведущая
группа

Исследования

Низкоэнергичные заря­
женные частицы

Основные задачи

С. Кримигис,
Унив.
Дж. Гопкинса

Изучение распределения, состава
и потока энергичных ионов и
электронов
и
взаимодействий
энергичных частиц со спутниками

Частицы космических лу­
чей

Р. Фогт, Калиф.
технол. инет.

Изучение распределения, состава
и потока высокоэнергичных зах­
ваченных ядер и энергетического
спектра электронов

Исследования в диапазо­
не радиоволн

В. Эшлеман,
Станфордский
унив.

Изучение структуры, состава и динамики атмосферы и ионосферы,
определение масс спутников

Оба КА «Вояджер» были запущены при помощи ракет «Титан-Центавр» в 1977 г. и достигли Юпитера в марте и июле 1979 г. Предусма­
тривалось, чтобы их траектории через систему спутников в значитель­
ной степени дополняли друг друга. Целью КА «Вояджер-1» были
близкий пролет около Ио и пересечение трубки магнитного потока,
связывающей спутник с Юпитером. Предполагались также довольно
близкие пролеты около Каллисто, Ганимеда и Амальтеи и обзор
Европы лишь с далекого расстояния. КА «Вояджер-2» осуществил тес­
ное сближение с Ганимедом, существенно улучшив данные наблюдений
первого «Вояджера» и, кроме того, прошел много ближе к Европе. Что
касается Ио, то ее расположение не было благоприятным для наблюде-

Таблица 1.3. Сближения КА «Вояджер» со спутниками
«Вояджер-2»

«Вояджер-1»
Спутник

Амальтея
Ио
Европа
Ганимед
Каллисто

2*

Наибольшее
приближение,
км

Наилучшес
разрешение,
км на ширину
строки

Наибольшее
приближение,
км

Наилучшее
разрешение,
км на ширину
строки

420000
20600
733 800
114 700
126 400

8
1
33
2
2

558 000
1 129900
205 700
62100
214900

11
20
4
1
4

20

Д МОРРИСОН

ний с «Вояджера-2», хотя после открытия действующих вулканов при
помощи «Вояджера-1» второй запуск был перепрограммирован так,
чтобы осуществить «10-часовое наблюдение» Ио с расстояния ~ 106 км.
При помощи «Вояджера-2» был также осуществлен лучший охват колец
Юпитера, включающий наблюдения в широком интервале фазовых
углов. «Вояджер-1» прошел внутри орбиты Ио. что позволило провести
прямые измерения связанного с этим спутником плазменного тора, ко­
торые не были сделаны на «Вояджере-2». Расстояния до спутников и на­
илучшее разрешение на снимках для каждого космического аппарата
приведены в табл. 1.3.
Большая часть данных, содержащихся в этой книге, получена на ос­
нове измерений «Вояджеров». Впервые оказалось возможным увидеть,
что собой представляют спутники Юпитера По мере приближения кос­
мического аппарата день за днем перед ним открывались новые миры.
Так. 28 февраля-при разрешении нс лучше 200 км заметны лишь явные
особенности альбедо, главным образом на Ганимеде, но никаких топо­
графических форм выделить невозможно: 1 марта в плазменном торе
По отождествлена сера (8Ш); 2 марта-на Каллисто и Ио впервые от­
мечены большие кольцевые образования, причем на Ио это. по-видимому. не ударные кратеры, что означает геологически молодую поверх­
ность: 3 марта-при разрешении 16 км сфотографирован «след копыта»,
позднее отождествленный как обширные пирокластические отложения
из вулкана Пеле; 4 марта открыто кольцо Юпитера: 5 марта открыты
ударные кратеры и бороздчатая местность на Ганимеде: 6 марта-на
Каллисто обнаружена громадная котловина Вальхалла: 8 марта-открыты вулканические извержения на Ио; II марта-па Ио устано­
влено наличие дополнительных извержений и локализованных горячих
точек.
Мы надеемся, что хотя бы частично наши изумление и волнение,
возникавшие при очередных открытиях, сохранились в главах этой кни­
ги. несмотря на усилия авторов и редактора подчинить описание обыч­
ному сухому научному языку.
Наиболее значительным открытием «Вояджера-1» при пролете вбли­
зи Юпитера было обнаружение вулканической деятельности на Ио. Как
раз перед сближением с Ио Пил и др. [103], анализируя приливный на­
грев. предсказали, что недра спутника могут быть расплавлены и воз­
можны проявления активности на поверхности. То, что в ходе сближе­
ния не было обнаружено ударных кратеров, как будто подтверждало
это предсказание. Но прямое наблюдение восьми действующих вулка­
нических извержений-«султанов», поднимающихся до высоты 300 км,
обнаружение горячих точек и возможное кратковременное образование
атмосферы из 80, несомненно сделали Ио объектом особой категории.
Открытие вулканов обеспечило взаимосвязь накопившихся разроз­
ненных данных об Ио-таких, как обнаруженные наземными наблюде­
ниями повышения интенсивности излучения в ИК-области спектра, ано­
мальная дегидратация поверхности и неожиданная концентрация на ней

I ВВЕДЕНИЕ В «СПУТНИКИ ЮПИТЕРА»

21

серы и сернистых соединений, а кроме того, несомненно связанный с Ио
источник ионов серы и кислорода для плазменного тора Юпитера. Бо­
лее половины этой книги прямо или косвенно посвящено вулканизму
Ио.
Столь же плодотворны были наблюдения с «Вояджеров» других га­
лилеевых спутников. Европа кажется загадочной с ее сравнительно мо­
лодой ледяной поверхностью и удивительной геологией, определяемой
в основном тектоническими явлениями. Оказалось, что и у Ганимеда
и у Каллисто кора достаточно прочная, чтобы сохранить кратерную
«летопись», что противоречит предсказаниям, сделанным до запусков
КЛ «Вояджер» [91]. Геология Ганимеда несет на себе следы тектониче­
ской деятельности, значительной переработки поверхностных структур
и эволюционных изменений прочности коры. Удивительно, что в проти­
воположность этому на Каллисто, которая является почти близнецом
Ганимеда, мы нс находим свидетельств геологической активности недр.
«Вояджеры» представили нам галилеевы спутники обладающими
каждый своими индивидуальными особенностями и различающимися
значительно больше, чем ожидалось, а значит и более интересными
примерами эволюции планетных тел. В остальной части данной главк
мы кратко рассмотрим эти различия в соответствии с тем. какони от
ражены в главах книги.

III. Кольца и малые спутник»
Кольца Юпитера, открытые в 1979 г. «Вояджером-1» [123]. вскоре
были подтверждены наземными астрономическими наблюдениями [5]
и затем вновь подробнее наблюдались на «Вояджере-2». «Пионер-11»
также обнаружил кольца косвенным образом по ослаблению потоков
энергичных заряженных частиц вблизи планеты [1]. хотя природа по­
глотителя частиц не была установлена. Кольца Юпитера стали третьей
обнаруженной системой колец у планет вслед за кольцами Сатурна (на­
блюдались в 1610 г., отождествлены как кольца в 1655 г.) и кольцами
Урана (открыты в 1977 г.). Из этих трех систем колец система Юпитера
наименее протяженная. Она почти наверняка представляет собой не­
устойчивое явление, восстанавливается и динамически контролируется
ближайшими малыми спутниками, два из которых были открыты
«Вояджерами».
Как показано в гл. 2 Джуиттом, главное кольцо Юпитера, ширина
которого составляет ~ 6000 км. простирается до расстояния 1.80К.; (где
Л ./-экваториальный радиус Юпитера, или 71400 км). и его максималь­
ная толщина равна 30 км. Насколько можно определить по снимкам
«Вояджеров», кольцо не обладает заметной эллиптичностью и располо­
жено в экваториальной плоскости. Судя по поверхностной яркости, его
оптическая толша по нормали составляет всего 3-10"5. Сильное рас­
сеяние вперед указывает на то. что типичные частицы кольца маленькие

Д. МОРРИСОН
Таблица 1.4. Открытия спутников

Год
1610
1610
1610
1610
1892
1904/5
1904/5
1908
1914
1938
1938
1951
1974
1979
1979/80
1979/80

Спутник

Кто открыл

Страна

Ко

ЛИо
32 Европа
33 Ганимед
34 Каллисто
15 Амальтея
56 Гималия
37 Элара
38 Пасифе
39 Синопе
310 Лиситея
311 Карме
Л 2 Ананке
313 Леда
Л 4 Адрастея
315 Фива
Л 6 Метис

Галилеи
Галилеи
Галилей
Галилей
Барнард
Перрине
Перрине
Мелотт
Николсон
Николсон
Николсон
Николсон
Коваль
Джуитт и др.
Синнотт
Синнотт

Италия
Италия
Италия
Италия
США
США
США
Англия
США
США
США
США
США
США
США
США

5,0
5,3
4.6
5,6
14,1
14,8
16,7
17,7
18,3
18,4
18,0
18,9
20.2
~ 17
~ 16
~ 17

(~ 5 мкм) и темные, т. е. это по существу пылевые частички. Оптическая
толща слишком мала, чтобы ее можно было определить в эксперименте
ю радиозаходу КА «Вояджер» [145], что также указывает на малые
>азмеры частиц.
■На лучших из имеющихся снимков хорошо видна структура главно­
го кольца и, кроме того, видна более слабая полоса, простирающаяся
внутрь в направлении верхней границы облаков планеты. Джуитт при­
водит доводы в пользу существования расположенной вне основной
плоскости составляющей кольца, или гало частиц, простирающихся на
~ 10* км выше и ниже экваториальной плоскости. Все эти частицы
обращаются вокруг Юпитера среди высокоэнергичных частиц в поясах
магнитосферы и взаимодействуют с захваченными электронами, прото­
нами и ионами (см., напр., [14, 51]). В результате частицы кольца при­
обретают заряд. Кроме того, вследствие соударений более крупные
глыбы могут постепенно подвергаться эрозии и образовывать наблю­
даемые мелкие частицы. Возникает картина динамического баланса, при
котором новые частицы появляются путем разрушения невидимых родительскюс тел, в то время как старые частицы выметаются из системы
электромагнитными и гравитационными силами.
Самые внутренние из известных спутников Юпитера Л4 Адрастея
(1979 Л) и Л6 Метис (1979 53) тесно связаны с кольцами и, возможно,
являются источниками многих частиц кольца. Оба этих почти коорбитальных объекта, обращающихся вокруг планеты у внешнего края ко­
лец (на расстоянии 1,80Ку) с периодом 7 ч 5 мин, были открыты Джуит­

I. ВВЕДЕНИЕ В «СПУТНИКИ ЮПИТЕРА..

том и др. [60] и Синноттом [142]. Орбита Метиса известна лучше, хотя
ни одни из них не был с уверенностью отождествлен при наземных на­
блюдениях [61]. Оба спутника представляют собой, вероятно, темные
тела с диаметрами в несколько десятков километров. Спиноз г [142]
оценивает диаметр Метиса в 40 км. Взаимодействие их орбит неизвест­
но, но оно может быть похоже на взаимодействие двух коорбитальных
спутников Сатурна (см., напр., [55, 125]). Внутри колец могут существо­
вать и другие спутники, так же как в системе Сатурна, но они не­
известны, и обнаружить их с Земли невозможно.
Следующий спутник, расположенный с внешней стороны от Адрастеи и Метиса,-Амальтея открыт Барнардом в 1892 г. Он является
предметом рассмотрения в гл. 6 Томасом и Веверкой. Период обраще­
ния Амальтеи, расположенной на расстоянии 2,557?у от планеты, равен
~ 12 ч, что чуть больше суток на Юпитере. Она успешно наблюдалась
телевизионными камерами «Вояджеров» и выглядит как темнокрасное
тело неправильной формы с большим диаметром 270 км, покрытое
множеством кратеров. Хотя этот спутник невелик по масштабам си­
стемы Юпитера, размеры его значительны. По величине он сравним
с большим астероидом, а по объему в тысячу раз больше Фобоса, с ко­
торым имеет определенное сходство. По размерам же и форме Амаль­
тея. по-видимому, похожа на астероид Гектор из группы Троянцев.
Амальтея покрыта множеством кратеров, и предполагается, "то ее
неправильные очертания (270 х 165 х 150 км) являются результатом
ударной фрагментации [149]. Ее альбедо мало (0,05-0,06) и цвет более
красный, чем у большинства других тел Солнечной системы. Грэди
и др. [50] предположили, что видимые слои загрязнены серой с Ио
и что поверхность ее была видоизменена микрометеоритным веще­
ством, а также в результате взаимодействия с магнитосферой Юпитера.
Предполагается, что преобладающим веществом на поверхности
является сероуглеродная смесь.
Более яркие зеленоватые пятна, связанные со склонами на возвы­
шенностях Ликтос и Ида, возможно, представляют собой коренные
подстилающие породы Амальтеи, обнажившиеся при .опускании по
склону загрязненной поверхности. Но более вероятно, что это просто
более древние слои аккумулированной серы и другого вещества. Томас
и Всверка в гл. 6 приходят к выводу, что имеющиеся спектральные из­
мерения дают все-таки очень ограниченную информацию об общем хи­
мическом составе Амальтеи. Поскольку ее масса, а следовательно,
и плотность также неизвестны, мы можем только предполагать, что
этот спутник, как и другие внутренние тела, состоит из тугоплавкого ве­
щества, которое смогло сохраниться после нагрева теплом, излучавшим­
ся Юпитером на ранних стадиях его эволюции, когда еще происходили
его аккреция и гравитационный коллапс.
Между Амальтеей и галилеевыми спутниками расположен недавно
обнаруженный спутник Л 5 Фива (1979 32). Он был открыт Синноттом
[141] по снимкам, переданным «Вояджером», и сфотографирован с Зе-

24

Д. МОРРИСОН

млн Джуиттом и др. [61]. но в этой книге он не рассматривается. Ра­
диус орбиты Фивы равен 3.11Ю, период обращения 16 ч II мин, диа­
метр ~ 75 км. Джуитт и др. [61] оценивают ее геометрическое альбедо
в ~0,1. Об этом теле еще ничего неизвестно, но мы можем предполо­
жить, что на нем происходят те же процессы, что и на Амальтее.
Гл. 5, написанная Крукшенком и др., минуя галилеевы спутники,
переходит к внешним спутникам Юпитера, которые по характеру их ор­
бит и. вероятно, в соответствии с происхождением делятся на две
группы. Во внутреннюю группу (на расстояниях 156-165ЯД входят
четыре тела, обладающие прямым движением: Гималия (36), Элара (37),
Лиситея (310) и Леда (313). Внешняя группа тел с обратным движением
включает Пасифе (38), Синопе (39), Карме (311) и Ананке (312). Ни
у одного из них яркость не превышает 14,7'"; о них не получено никаких
данных с космических аппаратов. То. что известно об их физических
свойствах, является результатом кропотливой работы с большими теле­
скопами, ведущейся в основном с конца 1970-х годов.
Большинство наблюдений (подробно описанных в работах [33, 35,
36]) ограничено двумя наиболее яркими спутниками Гималией и Эларой. входящими во внутреннюю группу тел с прямым движением. Диа­
метр Гималии равен ~ 185 км, Элары ~75км. Это удивительно
темные объекты (геометрическое альбедо 0,02-0.03) нейтрального цвета,
1е отличимые от обычных астероидов С-типа, химический состав коТаблица 1.5. Орбиты спутников

Радиус орбиты,
Спутник

314 Адрастея
Л 6 Метис
55 Амальтея
515 Фива
31 Ио
32 Европа
53 Ганимед
54 Каллисто
513 Леда
56 Гималия
310 Лиситея
37 Элара
512 Ананке
511 Карме •
38 Пасифе
59 Синопе
•’ Изменяется.

103 км

«э

128
128
181
221
422
671
1070
1880
11 ПО
11470
11 710
11 740
20700
22 350
23 300
23 700

1,80
1,80
2,55

з,п
5,95
9,47
15,1
26,6
156
161
164
165
291
314
327
333

Период,
су г

Эксцент­
риситет

11аклонекие,
град

0,295
0,295
0,489
0,675
1.769
3,551
7,155
16,69
240
251
260
260
617
692
735
758

~0,0
~ 0.0
0,003
~ 0.0
0,004*’
0.000*’
0,001*’
0.010
0.146
0,158
0,130
0,207
0,17
0,21
0.38
0.28

~ 0.0
- 0.0
0.4
~ 0,0
0.0
0.5
0.2
0.2
26.7
27,6
29,0
24,8
147
164
145
153

I. ВВЕДЕНИЕ В «СПУТНИКИ ЮПИТЕРА»

25

торых считается первичным. Кроме того, кривые блеска обоих тел ха­
рактеризуются значительной амплитудой, что указывает на их непра­
вильную форму. Период вращения Гималаи равен ~ 12 ч. Некоторые
еще не подтвержденные наблюдения указывают па то, что члены
группы тел с обратным движением по своим физическим свойствам,
возможно, отличаются от спутников, обладающих прямым движением.
Скудные физические данные, нерегулярные орбиты и разделение на две
динамические группы, по-видимому, указывают на захват внешних
спутников, предполагающий столкновение и фрагментацию. Эти идеи
пока остаются только гипотезами. Но в любом случае связь между не­
регулярными внешними спутниками и регулярными внутренними сла­
бая.

IV. Эволюция орбит и приливный нагрев
Хорошо известный резонанс Лапласа, который связывает периоды
обращения Ио. Европы и Ганимеда, давно привлекает внимание специа­
листов. занимающихся вопросами динамики. Но только недавно стало
очевидно, что орбитальное движение может также во многом опреде­
лять физические свойства спутников. Дело в том, что при резонансе воз­
никают силы, которые изменяют орбиты. Как впервые показали Пил
и др. [103] незадолго до подлета «Вояджера» к Юпитеру, следствием
этого для Ио является приливный нагрев, происходящий из-за движе­
ния спутника не по круговой орбите (е =; 0,004) в сильном гравитацион­
ном поле Юпитера. Поступающая энергия зависит от резонансного
взаимодействия и по мере развития резонанса с течением времени изме­
няется также и нагрев. Эволюцию орбит рассматривает Гринберг
в гл. 3.
По современным наблюдениям энергия приливного нагрева оцени­
вается в Ю14 Вт, что на порядок превышает обычные теоретические зна­
чения. Как заметил Йодер [150]. возможность приливной диссипации
такой величины не только расширяет паши представления о недрах
Юпитера (из-за связи между диссипацией на Ио и обратными прилива­
ми, вызываемыми ею на Юпитере, в рассмотрение включается диссипа­
тивная функция (2 _/), но и может свидетельствовать об очень быстрой
орбитальной эволюции Ио. Йодер и Пил [151] недавно высказали пред­
положение, что подобный нагрев может быть эпизодическим.
Гринберг рассматривает два сценария развития резонанса. В первом
из них система вначале является нсрезонансной и развивается в сторону
резонанса сначала с Европой, а затем с Ганимедом, по мере того как
размеры орбиты Ио возрастают. Во втором система вначале находится
даже в более глубоком резонансе, чем в настоящее время. Эти сценарии
приводят к различным предсказаниям истории спутников. В первом ин­
тенсивность нагрева растет со временем и. следовательно, предпола­
гается, что расплавление и дегазация Ио, а также, возможно, растрески-

26

Д. МОРРИСОН

ванне Европы произошли сравнительно недавно. Во втором плавление
Ганимеда, Европы и Ио произошло в раннюю эпоху и интенсивность
нагрева уменьшается со временем.
Остается решить несколько важных вопросов относительно обосно­
ванности этих эволюционных моделей. Важным параметром, опреде­
ляющим степень равновесия системы в настоящее время, является ам­
плитуда либрации орбитального долготного члена 10 км. По-види­
мому, бороздчатая местность, занимающая ~ 60"поверхности, вытес­
нила более древнюю территорию, покрытую кратерами.
Подтипы бороздчатой местности на Ганимеде характеризуются поч­
ти параллельными долинами с расположенными между ними хребтами
длиной обычно >100 км. удаленными друг от друга на расстояние
- 3-10 км. Перепал высот рельефа обычно 300-400 м. максимум дости­
гает - 700 м. Склоны пологие, уклоны в среднем ~ 5 . Выбросы из кра­
теров. образовавшихся на бороздчатой местности, имеют столь же вы­
сокое альбедо, как окружающая поверхность; это указывает на то, что
различие в альбедо относится ие к поверхностному веществу. Ровные
участки, вкрапленные в бороздчатую местность, были образованы, как
считают Шумейкер и др., потоками текучего вещества. - вероятно, водой
в жидком состоянии. Из подсчета кратеров следует, что на бороздчатой
местности в отличие от более старых областей большие кратеры не ис­
чезли под действием литосферного течения. Это указывает на то. что ко
ремени образования бороздчатой местности кора стала толще.
Шумейкер и др. развивают модель истории Ганимеда, согласно ко­
торой бороздчатая местность образовалась в результате последова­
тельных сбросов и опусканий в сочетании с затоплением поступившими
из глубины потоками воды. Края многих борозд имеют вид сбросов,
и эти сбросы отмечают границы между бороздчатой и древней кратерироваиной местностями [56. 77]. Шумейкер и др. считают, что сбросообразование на больших площадях происходило во время некоторого
расширения ядра в период, который они связывают с тепловой эволю­
цией недр. Этот вопрос рассмотрен также в работах [19. 58. 86.
131-134]. Изучение деградации кратеров показывает, что толщина ли­
тосферы в начале образования борозд была ~ 35 км.
В гл. 13 также всесторонне рассмотрены кратеры на Ганимеде с ха­
рактерными светлыми и темными лучами, а также образование и эво­
люция реголита. Авторы показывают, что для возникновения подпо­
верхностных градиентов температуры, достаточных для того, чтобы
произвести наблюдаемую деградацию кратеров литосферным течением,
нужен тонкий поверхностный слой с очень низкой теплопроводностью.
Они оценивают толщину реголита в десятки метров.
В гл. 12 Пассей и Шумейкер предлагают общую модель эволюции
коры, применимую и к Ганимеду, и к Каллисто. Они делают вывод, что
во время ранней интенсивной бомбардировки литосфера была слишком
тонкой, чтобы выдерживать кратеры. Вначале кора должна была засты­
вать вблизи точки, обращенной к антиапексу, где нагрев от ударов был
наименьшим. Пассей и Шумейкер считают, что самые старые из обна­

I ВВЕДЕНИЕ В «СПУТНИКИ ЮПИТЕРА

37

руженных на обоих спутниках кратеров находятся именно там. Посте­
пенно кора застывала все дальше от этой точки. В любом месте неболь­
шие кратеры сохранялись лучше, чем большие, и в каждый данный
момент времени кратеры любого размера сохранялись лучше там, где
кора была наиболее мошной. У Каллисто кора всегда была, по-видимо­
му, толще, чем у Ганимеда, из-за се меньших размеров (а значит, мень­
ше был радиогенный нагрев, приходящийся на единицу площади по­
верхности) и из-за менее интенсивного выпадения тел, обусловленного
фокусирующим эффектом поля тяготения Юпитера.
На Ганимеде самым молодым бассейном, видимо, является Гильга­
меш, возраст которого, вычисленный Шумейкером и Вольф в гл. 10 по
частоте образования кратеров, равен 3.5 млрд. лет. Толщина литосферы,
необходимая для поддержания высоты рельефа Гильгамеша, >300 км.
Это означает, что по крайней мере на данной широте (60’ с. ш.) мощная
кора образовалась к той же самой эпохе, которая считается конечной
стадией морского вулканизма на Луне. Образование бороздчатой мест­
ности произошло, вероятно, между 3,7 и 3,1 млрд, лет назад вследствие
небольшого расширения недр. Вначале она. по-видимому, возникла
в полярных районах, где заняла большую часть поверхности, затем-н:
ведомом полушарии и, наконец, на ведущем полушарии. Образованш
бороздчатой местности должно было прекратиться либо когда исчез
конвективный слой, либо когда конвекция оказалась больше не способ­
ной сдвигать утолщающуюся ледяную кору. С этого времени эволюция
поверхностей и Каллисто и Ганимеда происходила, как описано в гл. 10
Шумейкером и Вольф, главным образом под действием ударов комет
и метеоритов. В гл. 10, 12 и 13, вместе взятых, достаточно подробно
представлена геология ледяных спутников в соответствии с тем. как она
была разработана Шумейкером и его коллегами в течение 1980-1981 гг.
Эти главы в будущем, вероятно, послужат основой для оценки новых
научных разработок.

VIII. Загадочная Европа
Из галилеевых спутников у Европы самое высокое альбедо, а ее
спектр характеризуется наиболее четко выраженными признаками водя­
ного льда, несмотря на ее довольно высокую плотность 3.0 г/см3, кото­
рая указывает в основном на каменистый состав. «Вояджер-1» не полу­
чил высококачественных снимков этого спутника, и даже после более
близкого пролета второго «Вояджера» Европа остается хуже всего на­
блюдавшимся галилеевым спутником с наилучшим разрешением дета­
лей поверхности ~ 4 км. Однако имеющихся наблюдательных данных
достаточно, чтобы прийти к заключению, что геологическая история
Европы не похожа на историю ни одного из соседних с ней миров. Ее
довольно гладкая молодая ледяная поверхность перекрыта глобальной
сетью светлых и темных узких полос большой протяженности, которые

38

Д. МОРРИСОН

указывают на разрыв поверхности крупномасштабными тектонически­
ми силами.
Геология Европы рассматривается в гл. 14 Луккитта и Содсрбломом.
Они подразделяют поверхность на два основных типа, называемых
равнинами и пятнистыми местностями. Ни на тех, ни на других нет за­
метных перепадов высот или особенностей топографии: пятнистые тер­
ритории, покрытые множеством темных пятен и крапин, скорее отли­
чаются по альбедо. При небольших возвышениях Солнца над
горизонтом пятнистая местность к тому же выглядит бугристой, но
перепады высот рельефа, по-видимому, ., XII. 277-278 (аЬз(гасС),
1981.
45. Етк О.. Веккегз N.11., Еагзоп Н.Р. 1пГгагсд зрсс(га оГ (Не ОаШеап за(с1Шез оГ
ЗирЬег. Аз(горНу$. 3., 179, 1Д55-Ы59. 1973.
46. ЕптеПуА.А., Капз/оп! С. Л., Р!еп О.С., СоИегзоп К. О. 1з Еигора’з зигГасе
сгасктр бис (о (Ьегта! еуоШйоп? Ыа(иге, 289. 24-27, 1980.
47. 6скге1зТ.. ЕЕ Зирпег. Е1п1у. Апгопа Ргезз. Тисзоп, 1976. [Русский перевод:
Юпитер, т. 1-111,-М.: Мир. 1978-1979.]
48. СоМЬегд В.А., Мак1ег У., СаНзоп К. IV.. .1о1тзоп Т. У., МсНзопО.Е. 1о’з зодшт егтззюп с!оид апд (Не Уоау^ег I епсопп(ег. 1сагпз, 44, 305-317. 1980.
49. 6о1(1з1ет К. М.. СгеепК.К. Оапутеде: Кадаг зигГасе сНагас(епз(1сз. 8с1епсс.
207, 179-180. 1980.
50. Сга(Ис .1., Ткотиз Р., Уеюегка 3. ТНе зигГасе сотрозйюп оГ АтакЬеа. 1сагиз,
44. 373-387, 1980.
51. бгйп Е., Мог/И1 С.. 8с1пге1пн С., }окпзоп Т. У. А тодс! оГ (Нс ог1р!П оГ (Ьс
Зоу|ап пп§. 1сагиз. 44, 326-338, 1980.
52. На^Р.К., И/аГ5ол С. С., Типд У.Е. 8ри((сг с]ес(юп оГ та((ег Ггот 1о. 3. ОсорЬуз. Кез., 86, 6933-6938. 1981.
53. Нане! К. апс1 (Не Уоуадег IК18 Теат. 1пГгагеё оЬзегуаиопз оГ (Ье Зо\чап зуз(ет
Ггот Уоуадег 1. 8с1спсе. 204. 972-976, 1979.
54. НапзепО.Ь. Тсп-пнсгоп есНрзе оЬзегуаНопз оГ 1о, Еигора апд Сапутедс.
1сагиз, 18, 237-246. 1973.
55. Наггтдюп К.8.. 8еМе1тапп Р. К. ТЬс дупаткз оГ (Ьс 8а(игп1ап за(е1Н(ез
198081 апд 198083. 1сагиз, 47. 97-99. 1981.
56. Неас1,1.1У.. ЛШзоп М.Ь., Раппепиег Е. М., Зциугез 8. Н1уЬ-а1Ьес1о (еггат оп
Оапутедс. Оп^п аз Поодед §гаЬеп. Ьипаг Р1апс(. 8с1, XII. 418-420 (аЬз(гас(),
1981.
57. Не1/егз1е1н Р., Раппепиег Е.М. Егас(игез оп Еигора: Розз1Ые гезропзе оГ ап ке
сгиз( (о исЗа! деГогтаиоп. Ргос. Ьипаг Р1апе(. 8с1. СопГ., II, 1987-1988. 1980.
58. Нзш А.Т., Токзо? М. N. ТЬегта! еуо!и(юп оГ Сапутсёе апд Са1Нз(о: ЕПес(з
оГ зоНд-8(а(е сопуссиоп апс! сопз(гат(з Ггот Уоуадег (гпавегу. Ргос. Ьипаг
Р1апс(. 8с1. СопГ., 11. 1957-1978. 1980.
59. 1пдегзо11 А.. Зшптегз М.Е. А дупагтсаПу соп(го11сс1 а(тозрЬсгс оп 1о. 1сагиз.
1п ргсзз. 1981.

I. ВВЕДЕНИЕ В «СПУТНИКИ ЮПИТЕРА-

53

В. С.. Вате1хоп 6. Е., ЗуппоиЗ.Р. О1зсоусгу оГ а пе\у Зиркег закПке.
8с1спсс, 206. 951, 1979.
61. Л'И'й/ В. С., Вате1хоп 6. Е., ТеггПе К..1 бгоипд-Ьазсд оЬзегуак’опз оГ (Не
Зоу1ап пп8 апд шпег закПкез. кагиз, 48. 536-539, 1982.
62. }о1тхоп Т.У., Соок А. Г.. Задай С., ЗоЛегЫот Ь. А. Уокапк гезигГаап^ гакз
апд 1трПса(1ОП5 Гог уо1а1кез оп 1о. 1ЧаСиге, 280, 746-750. 1979.
63. }о1тхоп Т.У..
РПскег С В.
5а(е11ке
зрес(горко1оте(гу
апс!
зигГасе
сотрозЮопз. 1п Р1апс(агу закПкез, (3. Вигпз, Ед.), рр. 232-268. 17т‘у. Алгола
Ргезз, Тисзоп, 1977. [Русский перевод в кн : Спутники планет.-М.: Мир,
1980, с. 267-305.]
64. >1о1тхоп Т. У.. Зо(1егЫот Ь. А.. Мохкег 7 А.. Вате1хоп О. Е., Кир/егтап Р.
Ми1йзрес1га1 тоза1сз оГ (Не ОаШеап закПкез. Ьипаг Р1апе(. 8а., XII. 509-510
(аЬз1гас1). 1981.
65. }ис1де В., СаНхоп К IV. Рюпесг 10 оЬзегуаПопз оГ (ке икгаую1с( §1о\у 1П 1кс
уютку оГ Зирнсг. Заепсе, 183. 317-318, 1974.
66. }и(1де В. Е, Саг1хоп К . И7., УУиЕ.М., НаНтапп 11.6. Рюпесг 10 апд II
икгаую1е1 ркоютекг оЬзегуаиопз оГ 1Ьс ЗоУ1ал закПкез. 1п Зиркег (Т. Оекге1з. Ед.). рр. 1068-1101. Оту. Алгола Ргезз, Тисзоп. 1976. [Русский перевод
в кн.: Юпитер, т I. М.: Мир. 1978, с. 340-380.]
67. КПоге Л., Саш В.Е., Г/еШЬо О., Зеи1е1 В.Е., Кахоо! 3.1. РгсНпвпагу гезикз оГ
1кс а(тозркегсз оГ 1о апд Зиркег Ггот Рюпесг 10 8-Ьапд оссикайоп
ехрелтеп( Заепсе, 183. 323-324. 1974.
68. КПоге А 7.. Р]е1(1Ьо 6., Зеи1е1 В. Е.. ЗмеепНат В. Ы., Зехр1апк1х Т.Т., \Уо1сехНупР.М.. Кахоо! 3.1 АШюзркеге оГ 1о Ггот Рюпесг 10 гадю оссикаиол
теазигетспВ. кагиз, 24. 407-410. 1975.
69. Кшрег 6.Р. 1пГгагед оЬзегуайопз оГ р!апе(з апд закПкез. Аз(гоп. 3., 62. 245
(аЬз!гас1), 1957.
70. Китаг 3. Тке з1аЫ1ку оГ ап 8О2 Жтозркеге оп 1о. Ка1иге, 280. 758-761. 1979.
71. Китаг 3 А тоде! оГ (ке 80, а(тозркеге апд юпозркеге оГ 1о. Оеоркуз. Кез.
ЬеКегз, 7, 9-13, 1980.
72. Киро I. Мек1ег У., Етаюг А. ЭеГесСюп оГ ютгед зиИиг 1п (ке ЗоУ1’ап та§пе(озрксгс. Аз(горкуз. 3., 205. Е51-Е53, 1976.
73. Еее 3. И'.. Ткотах Р С. ТЧеаг-зигГасе По\у оГ уо1сатс ^азез оп 1о. 1сагиз, 44.
280-290. 1980.
74. ^е^V^x^.З. 8а(е11йсз оГ (Не ои1ег р1апе1з. Ткеи ркузгса! апд скеписа! па(игс.
1сагиз, 15. 174-185, 1971.
75. Ек'хке 7. //. 1тргоусд еркстелдез оГ 1ке ОаШеап за1е11йез. Аз1гоп. Аз1горкуз.,
82. 340-348. 1980.
76. Еоск\\оо(1 6. IV., Еитте К., Ткотрхоп В. Т. Тке гссеп! рко(оте(лс уалаЫНгу
оГ 1о. 1сагиз, 44, 240-248. 1980.
77. ЕиссЫиа В К. Сгооусд 1егга1п оп Оапутеде. 1сагиз 44. 481-501. 1980.
78. Махигхку //.. ЗскаЬег С.О.. Зо