Сенсация: вулканы извергаются на спутнике

В предыдущем разделе осталась одна недомолвка: что же это за "выбросы", о которых писал С. К. Всехсвятский. Вообще-то еще крупнейший французский математик, механик, астроном Жозеф Луи Лагранж (1736-1813), девятнадцати лет ставший профессором, а в 23 года академиком, предложил гипотезу, согласно которой кометы могут рождаться в результате выброса - взрыва или извержения на той или иной планете. Но какой это взрыв и возможен ли действующий вулкан где-либо вне Земли,- об этом во времена Лагранжа говорить было рановато.

Советский же астроном, развивая теорию великого француза, уже в 30-е годы нашего века писал о необычайно сильной вулканической деятельности, происходящей на поверхностях Юпитера, Сатурна, Урана и их спутников. Снова это был глас вопиющего в пустыне...

Правда, помимо утверждений Лагранжа и Всехсвятского, теоретически предполагавших такую возможность, к нашему времени уже были какие-то более конкретные свидетельства, говорившие о подобных событиях. Наиболее весомыми были наблюдения известного пулковского астронома Ы. А. Козырева, В 1958 г. ему удалось сделать спектрограммы Луны, на которых он обнаружил, что из центральной горки кратера Альфонс выходят газы и там происходит "нечто вулканическое".

Такое утверждение вызвало немалые споры. Еще бы! Небесное тело, совсем недавно считавшееся совершенно мертвым, где всякая глубинная активность давно должна бы затихнуть, неожиданно "задышало". Впрочем, скептиков Н. А. Козырев до конца не убедил - активность на Луне была слабенькой, ее не всякому удалось наблюдать с таким успехом, как нашему астроному. Как мы теперь знаем, если не извержения вулканов, то лунотрясения бывают.

В 1974 г. В. В. Прокофьева, работая в Крымской астрофизической обсерватории АН СССР, заметила, что Ио временами становится ярче, чем обычно. Причины этого были загадочными. Чуть позже азербайджанские ученые А. А. Атаи и Н. Б. Ибрагимов (Шемахинская обсерватория) нашли па спектрограмме Ио линии, характерные для излучения натрия, магния, железа и кальция. Откуда они? Не из недр ли выносятся вместе со струями вулканических газов и паров?.. Но и такой вывод был бы в то время еще недоказуемым,

...Линда Морабито работает в НАСА, но вовсе не в том коллективе ученых, который анализирует научные данные, поступающие с "Вояджеров". Ее специальность - оптическая навигация, то есть определение точных координат межпланетного аппарата относительно известных неподвижных звезд, положение которых зафиксировано астрометристами.

В начале марта 1979 г. Морабито рассматривала на снимке, поступившем с борта "Вояджера-1", лимб Ио, то есть видимый край ее диска на фоне темного неба. Фотография была сознательно передержана, чтобы лимб стал на ней более четким и различимым. Теперь надо построить аккуратную математическую кривую, описывающую лимб; это позволит с нужной точностью определить точку, где находится центр Ио.

Но что это? Нечто странное, грибообразное выступает далеко за пределы лимба. Это не горы: высота выступа - чуть ли не триста километров над поверхностью спутника (рис. 13).

Рис. 13. Сенсационный снимок 'Вояджера-1': извержение вулкана в космосе. Над краем диска Ио хорошо заметен столб вулканического пламени, пыли и газов, вырывающихся на высоту более двухсот километров над поверхностью спутника

Срочно собранный "консилиум" из специалистов по обработке снимков и опытнейших астрономов-планетологов пришел к заключению: "перед нами столб дыма, газов и других продуктов, выброшенных вулканическим извержением!"

И это вовсе не было осторожно именуемое специалистами "явление, имеющее признаки, сходные с извержением". Нет, это было как специально приуроченное природой к прилету посланца Земли мощное, яростное и несомненное извержение могучего вулкана на поверхности небесного тела.

Обработав присланные "Вояджером-1" новые снимки, ученые обнаружили на них еще по крайней мере три столба вулканического дыма и пепла,- это с несомненностью. А еще четыре - с различной степенью уверенности.

Измеренная их высота говорила: скорость выброса вулканических частиц из жерл огнедышащих гор на Ио достигает 1000 м/с. У нас на Земле при самых крупных извержениях, например, Этны, эта скорость не превышает и 51 м/с. Значит, Ио не просто "тело, еще сохранившее некоторые следы активности недр", как можно сказать о Луне, а полный жизни и глубинного пламени небесный объект. На сегодняшний день в нашей Солнечной системе, насколько мы знаем, ни одно небесное тело большей активностью не обладает.

Космическая скорость на Ио, то есть та скорость, по достижении которой любой предмет не падает, а уходит с поверхности небесного тела в мировое пространство, составляет около 2,5 км/с. Значит, выброшенным из ее вулканов обломкам породы не хватает не столь уж много, чтобы превратиться в спутники этого спутника. Ведь не исключено, что зафиксированные "Вояджером-1" извержения вовсе не самые мощные, которые там случаются.

Вулканов на Ио пока открыто лишь семь или, может быть, восемь. Но и такое небольшое их количество продемонстрировало нам почти все виды поведения огнедышащих гор, встречающегося и у нас на Земле. Тут есть и взрывные вулканы, сходные с нашими гейзерами, и изливающиеся, выпускающие из себя не вязкую, а жидкую лаву, как это бывает на [Гавайских островах, и газовые выбросы, встречающиеся, например, на Этне. Кроме активных, замечены и дремавшие в момент визита "Вояджера-1" вулканы; ученые насчитали на снимках больше сотни кратеров с диаметром около 25 км самых разных очертаний. Так вулканология, до сих пор бывшая наукой сугубо земной, в один прекрасный день вышла на просторы Вселенной, породив новую отрасль - "космовулканологию", объектом изучения которой отныне станут различные проявления глубинной активности недр на небесных телах, вне нашей родной планеты.

Еще до того, как историческое открытие состоялось, ученые, установив, что кратеров, образованных падением метеоритов, на Ио, очевидно, нет, сделали Факой вывод: поверхность этого спутника очень молода, ей, надо полагать, менее 10 миллионов лет. Теперь же ясно, что она имеет совсем "младенческий" возраст и даже сегодня уже не та, какой ее засняли камеры "Вояджера".

Возникла гипотеза: а не образуется ли та "дымка", которой постоянно окружена Ио, хотя бы частично в результате выделения из ее недр вулканических газов и частиц? Да и та незамкнутая "баранка" из различных элементов, главным образом серы, которая "маркирует" путь Ио вокруг Юпитера (мы о ней говорили в предыдущем разделе), - не порождена ли и она вулканической деятельностью? Гипотеза кажется правдоподобной, так как и на Земле вулканы извергают немало двуокиси серы и сернистого водорода. А эти газы могут оставаться в атмосфере и отдельные их атомы и молекулы могут вырываться из объятий притяжения Ио, образуя вокруг нее и дымку, и "баранку".

И еще одна составляющая красивого убора Ио: ее золотистая натриевая, вуаль, отражающая лучи Солнца. Излучение атомов натрия обычно исчезает, когда они подвергнутся ионизации. В условиях Ио поступившему с ее поверхности атому этого элемента суждено прожить в неионизованном состоянии в среднем часов двадцать. Теперь можно предположить, что натрий появляется не в результате бомбардировки и разбрызгивания его с поверхности Ио заряженными частицами из магнитного поля Юпитера, как считали ранее, а просто из жерл вулканов.

Но ведь тогда, стоит извержениям на Ио прерваться хотя бы на 20 часов, все атомы натрия ионизуются, и натриевой вуали мы уже не увидим. Однако ничего подобного не происходит. Вывод, который делает научный сотрудник Лаборатории реактивного движения (США) Т. Джонсон, таков: "извержения вулканов на Ио можно считать практически непрерывными".

Необычные происшествия, связанные с Ио, перечислены еще не все. Ровно за неделю до того, как Л. Морабито склонилась над ставшей исторической фотографией - изображением грибообразного столба, вышел номер солидного журнала "Сайенс", а в нем - статья С. Дж. Пила из Калифорнийского университета и сотрудников Эймссовского исследовательского центра НАСА П. П. Кассена и Р. Т. Рейнолдса. Статья содержит прямое утверждение: "Ио может являться наиболее нагретым телом земного типа во всей Солнечной системе".

Откуда такое пророческое предположение? - Дело в том, что Ио обращена к Юпитеру постоянно одной и той же стороной. На ее полушарии, обращенном к планете, образовался постоянный горб высотой около 5 км. Кроме того, на Ио своим тяготением воздействуют массивные Европа и Ганимед, которые превращают ее орбиту в слегка вытянутую. Юпитер, в зависимости от расстояния Ио, то вытягивает этот горб, то отпускает, и амплитуда таких "вздохов" достигает 100 м. Одно это "дыхание" освобождает в несколько раз больше энергии, чем выделяют ее все радиоактивные элементы в недрах Луны,

Но если даже центральная область Луны находится в полурасплавленном виде, то, вероятно, глубины Ио, - тем более. Лишь ее наружный слой толщиной 18 км, согласно подсчетам, может оставаться твердым, А такую кору вулканам прорвать вовсе нетрудно.

Таково было мнение сторонников раскаленной Ио, высказанное еще до фактического открытия там вулканов. Бесспорной их гипотеза, правда, не была. Видимо, ничто не бесспорно и ничто легко не дается, когда речь идет об этом прямо-таки заколдованном небесном теле. Вскоре возник важный вопрос: где же должен больше сказываться такой разогрев: на полюсах или у экватора? Новые снимки показали: чуть ли не все огнедышащие горы Ио расположены в низких широтах, не далее 30° от экватора, а у полюсов ее сосредоточены обычные горы. И как это кора в состоянии поддерживать на поверхности такие значительные массы?

Вопрос повис в воздухе (может быть, вернее сказать,- в космосе) до прибытия в эти края "Вояджера-2", которому срочно включили дополнительное задание: разглядеть спорные районы повнимательнее, дать снимки и спектрограммы...

Большой интерес вызвал вопрос, что же "выплевывают" вулканы Ио? Приборы "Вояджера-1" уверенно назвали только двуокись серы. Подозрительно, например, полное отсутствие воды, ведь у нас на Земле вулканы извергают ее столько, что, по некоторым гипотезам, чуть ли не все моря и океаны обязаны им своим существованием. Может быть, Ио так долго и усердно извергала влагу из своих недр, что ее запасы просто исчерпались?

Вырвавшиеся из кратера газы могут остывать и хотя бы частично конденсироваться и выпадать обратно на поверхность Ио. Снимки в ультрафиолетовых лучах показывают, что там, действительно, лежат какие-то мелкозернистые (возможно, с диаметром менее микрометра) твердые частицы. А ярко-голубые пятна, кое-где заметные на цветных фотографиях, некоторые специалисты относят за счет "синего снега". И это среди в общем-то красно-оранжевого ландшафта. Поистине, на свете чудеса рассеяны повсюду!

На снимках поверхности Ио в инфракрасных лучах тоже замечены какие-то необычные образования.

Для их объяснения ученые вынуждены прибегать к довольно экзотическим предположениям. Так, Д. Б. Нэш и Р. М. Нелсон (Лаборатория реактивного движения) считают, что там находятся скопления сублимированных солей, таких, как, например, сернистый натрий, сернистый калий или гидросульфид натрия, плюс определенное количество газов (вероятно, вулканических) - двуокиси серы и сернистого водорода, которые адсорбируются на поверхности солей. Затем вся эта адская кухня подвергается бомбардировке протонами, захваченными магнитным полем Юпитера. Это все довольно правдоподобно - за неимением лучшего объяснения и с учетом того, что, как правило, природа предпочитает избегать сложностей.

Но и на этом чудеса еще не кончаются. Как мы уже говорили, существует предположение, что извержения на Ио не прекращаются. Однако главный из открытых "Вояджером-1" вулканов вдруг угас. Правда, до этого он успел засеять все свои окрестности вулканическими обломками, которые первоначально лежали вокруг него, образуя холм, напоминающий очертаниями сердце, а затем его очертания превратились в аккуратный овал.

Предложены механизмы, благодаря которым происходят все эти бурные пертурбации. Более простая гипотеза такова. Жидкая силикатная порода (расплавленная, может быть, в результате приливного трения, о котором сказано выше) подобно нашей земной магме поднимается из недр сквозь твердые силикаты, приправленные там и сям серой (от этого "адского" элемента на Ио никуда не денешься!)

Другие специалисты предлагают такую альтернативу. По их мнению, глубинные твердые силикаты содержат в себе отдельные вкрапления расплавленной серы, которая постепенно выделяется наверх, образуя под верхней коркой, состоящей из плотной же серы, настоящий "серный океан". Ведь, в отличие от воды, сера в жидком состоянии легче, чем в твердом, и любая трещина в корке позволяет ей подняться и излиться на поверхность. Она обладает даже "правом выбора": истечение может быть мирным и постепенным или же, благодаря внезапному испарению двуокиси серы, сопровождаться взрывом.

Не исключено, что правы и те, и другие специалисты, и в различных областях Ио процессы идут по-разному. Например, все та же загадка гор, возвышающихся на несколько километров около ее южного полюса: их масса такова, что никакой подповерхностный серный океан, даже с помощью твердой корки, "стоймя" удержать бы их не смог. А уж дальше от полюса, в более низких широтах, где, по-видимому, расположено большинство действующих вулканов, извержения происходят по-разному, так что здесь к строение недр может быть иным.

В первых числах июля 1979 г. на Ио направил свои камеры "Вояджер-2" и в течение четырех суток не Сводил с нее свой взор. Были получены фотографии, на которых различимы объекты с поперечником в сто и даже, на лучших снимках,- в 20-25 км. Этот посланец людей начал направлять на Землю фотографии Ио время от времени, еще находясь от спутника в 4 760 000 км, а сблизившись с ним до 1 190 000 км, стал вести съемку уже непрерывно и вел ее в течение 6,5 ч. Ближайшая к Ио точка, где побывал "Вояджер-2", находилась от нее в 1 130 000 км.

Из столбов вулканического происхождения, зарегистрированных "Вояджером-1", на этот раз наблюдалось шесть. Крупнейший из тех, что был открыт ранее,- его высота достигала 280 км над поверхностью Ио,- теперь, как мы уже сказали, загадочно исчез. Изображение еще одного было недостаточно отчетливым, чтобы судить о том, как ведет себя этот вулкан. Дымовой же столб одного из них возрос от ста до полутораста километров над поверхностью спутника.

Уже появились примерные подсчеты количества материи, выбрасываемой Ио в космос. Так, выкладки Дж. Л. Сиско из Калифорнийского университета показывают, что в каждую секунду со спутника в окружающее его пространство поступает около трех тонн различных веществ. Если это верно, то за время жизни Ио она должна была "похудеть" на 0,5% своей первоначальной массы.

Новых действующих вулканов "Вояджер-2" на Ио не нашел. Но когда снимки, сделанные им, проанализировали, то на них обнаружили довольно крупномасштабные изменения окраски поверхности Ио. Даже на тех фотографиях, где разрешение было не лучшим (оно здесь составляло примерно 40-50 км, то есть позволяло бы прекрасно различить, скажем, Москву, будь она столицей Ио), уже были заметны новые морфологические черты поверхности. Некоторые из этих "новинок" находились рядом с действующими вулканами.

Характерной чертой поверхности Ио оказались эскарпы - крутые перепады высот, мощные уступы, возвышающиеся над остальной местностью на сотни метров и протянувшиеся иной раз на многие сотни километров. Среди них есть и циркообразные и полукруглые, имеющие форму дуги и вытянутые, как палец, и простирающиеся довольно строго по прямой. Цирки и полукруги окольцовывают собой вулканы, изогнутые дуги, и "пальцы" как бы вытекают из кратеров, а прямые эскарпы расположены повсеместно и выглядят похожими на разломы земной коры. До сих пор подобные эскарпы удавалось, кроме Земли, наблюдать еще только на Марсе.

Но каково их происхождение? На Марсе, согласна сложившимся недавно представлениям, подобная пересеченность местности вызывается тем, что под поверхностью планеты там часто залегают лед и вода. В теплое время года лед подтаивает, начинает двигаться, и поверхностные слои "проседают" сразу на большой площади. Но на Ио, очевидно, ни льда, ни воды в недрах нет. Эрозия почв, которая на Земле, бывает, творит подлинные чудеса, требует столь плотной атмосферы с ее ветрами, такого изобилия метеорологических явлений (то дождь, то снег, то жаркое солнце), которых на Ио предположить нельзя.

Бомбардировка заряженными частицами, поступающими из радиационного поля Юпитера, несомненно, идет очень интенсивно. Но даже самые оптимистические подсчеты показывают, что этим частицам нужно ни много, ни мало - 400 миллионов лет, чтобы "разбрызгать" и переместить всего стометровый слой почвы. А здесь перепады высот во многие сотни метров, да и явно куда более молодые.

Зато, как в Дантовом аде, на Ио - изобилие серы, и она играет здесь множество разных ролей. Б. Смит подсчитал, что, начиная от поверхности и до глубины не более 1 км, сера и ее двуокись на Ио в основном" находятся в состоянии твердого тела. Под этим слоем по мере роста глубины с двуокисью происходит фазовое превращение и она становится жидкостью, а свободная сера остается по-прежнему твердой. Затем, на глубине около 2 км, вероятно, вплоть до 4 км, сера уже тоже представляет собой жидкость.

Вот эта-то структура и может объяснить существование эскарпов. Край, обрыв эскарпа, представляет собой, следовательно, то место, где находящимся под давлением летучим веществам и жидкостям легче всего вырваться на свободу. Попробуем представить себе артезианский колодец, в котором вместо воды - сера и ее двуокись. Найдя подходящую трещину или расселину, они, конечно, не преминут выбраться на белый свет, так что потоки серы и ее производных из недр здесь вполне в состоянии порождать уступы и ступени, простирающиеся на многие сотни километров.

Но каковы они сами, эти потоки, что они представляют собой, однажды вырвавшись из глубины? Освободившись от давления верхних слоев коры, смесь серы и газов бурно вскипает и пузырится. "Шампанское сатаны" на глазах резко расширяется: каждая единица жидкости образует пары, в 5000 раз превышающие ее собственный объем. Как мы уже говорили, в отличие от воды, сера в жидком состоянии легче, чем в твердом (серная "льдина" немедленно ныряет под поверхность расплава, а не плавает сверху). Если газы и кристаллизующаяся в это время жидкость продолжают соприкасаться друг с другом, то смесь твердых и жидких веществ будет расширяться, пока, достигнув поверхности, не сравняется давлением с окружающей средой.

А давление атмосферы на Ио, как мы знаем, очень низкое (около 10~2 Па), так что есть чему выбить пробку из этой космической бутылки - скорость выделения газов должна достигать 350 м/с.

Роль пробки здесь может играть (не забудем о царящем на поверхности Ио морозе) снег, естественно, не "аш-два-о" (H2О), а "эс-два-о" (S2O) - без серы, разумеется, в этом мире ни шагу нельзя ступить. Так вот, глубинный серный фонтан может выбросить из расселины заграждающий ему путь слой снега на расстояние примерно в 70 км. Ну, а уж ближайшие к ней десятки километров должны быть просто засыпаны этим странным на наш взгляд "снегом" (рис. 14). И все это не просто умозрительные предположения - нет, на "вояджеровских" снимках отчетливо различимы и эскарпы, и сопутствующие им яркие и темные потоки всех описанных выше форм и очертаний, и области, засыпанные слоями "сернистокислого" снега.

Рис. 14. Возможная модель строения верхних слоев Ио. Поверхность образована смесью твердой S02 и серы. Под ней лежит сероносный пласт, аналогичный земному водоносному. Он состоит из пористой твердой серы, сквозь которую свободно проникает жидкая SO₂. Еще ниже - 'океан' серного расплава, дном которого служит твердая силикатная подкорка, перекрывающая собой равномерно расплавленные силикатные недра. В тех местах, где верхняя кора обладает меньшей плавучестью, расплавленная сера выходит на поверхность и растекается по ней. Жидкая S0₂ вырывается на дневную поверхность через трещины или жерла вулканов и образует вулканический столб. Глубины и мощности слоев на схеме представлены безмасштабно. (По Б. А. Смиту и др.)

Конечно, столь могучие гейзеры нелегко вообразить себе даже тому, кто побывал на Камчатке или в американском Йеллоустонском парке, славящихся своими природными фонтанами; к тому же эти фонтаны - серные...

Впрочем, излияния серы на поверхность известны и на Земле. Например, в 1936 г. вулкан Сиретоко в Японии испустил из расщелины, вскрывшейся на его склоне, реку шоколадно-коричневой серы (коричневой ее делает небольшая примесь органических веществ). Образовавшийся поток имел 20-25 м в ширину, глубина его составляла местами 5 м, а протяженность достигла 1,4 км. Серная река спустилась вниз по долине, где уже были отложения серы, возникшие при одном из извержений в древности, так что слой серы вырос до нескольких десятков метров в толщину.

А лет тридцать пять спустя серный поток мощностью примерно в полметра и шириной до 10 м излился из бокового кратера вулкана Мауна-Лоа, что на Гавайях. Но все это просто речушки - нет, жалкие ручейки по сравнению с тем, что открылось на Ио: ведь несколько серных потоков здесь превышают 300 км в длину.

Серные реки, серные озера и даже небольшие серные моря, серный подпочвенный слой, а может статься - и подземный серный океан, не говоря уже о сернистой атмосфере... Немудрено, что этот любимый элемент подземного кузнеца - бога Вулкана "решает", в какой цвет окрасить ту или иную область на Ио. Дело еще и в том, что есть различные разновидности серы, отличающиеся цветом, да и при перемене температуры этот элемент ведет себя как хамелеон. Так и получается, что рядом со щедрыми красными, оранжевыми, желтыми участками, здесь в беспорядке разбросаны белые, темно-коричневые и даже черные мазки.

Вот, например, район около 15° ю. ш. и 325° з. д., который протянулся на 900 км. На снимке различимы трехсоткилометровые извилистые и переплетающиеся "каналы" кроваво-красного цвета, но далее, вниз по их течению, все чаще встречаются угольно-черные пятна. Один такой поток вблизи кратера, из которого он, видимо, истек, окрашен в красный цвет, но по мере удаления от источника все более "выцветает", становясь желтым. Вообще же темные потоки обычно короче и их очертания более размыты, красные - четче и длиннее, а желтые имеют тенденцию покрыв вать пеленой значительную площадь.

Все эти особенности исследовал директор Планетной лаборатории Корнеллского университета (Итака, штат Нью-Йорк) К. Э. Саган. Он рассуждал примерно так. Точка плавления различных видов серы лежит между 110 и 119 °С. Это па целую тысячу градусов ниже точки плавления силикатов, из которых "сделаны" горные породы, и, значит, в подповерхностных слоях Ио сера расплавлена, а силикаты - нет.

Достигнув точки плавления, сера приобретает желтый цвет. Затем при 150° она становится оранжевой, при 180° - красной, а при 250 °С чернеет. Значит, цвет поверхности в той или иной области Ио прямо зависит от температуры в жерле ближайшего вулкана и от скорости, с которой происходит здесь остывапие. Цвет, достигнутый при максимальном нагревании, в жидком состоянии, сера имеет способность сохранять, отвердевая, если охлаждалась она быстро.

Вот и получается, что черные пятна в вулканических кратерах и вокруг них - это сера, побывавшая "в объятиях" минимум 250-градусной жары. Такая сера обладает сравнительно большой вязкостью, течет она вяло, медленно и далеко от кратера не убежитЗато если жидкость под влиянием теплового излучения и испарения охладится, она становится красной или оранжевой. Ее вязкость резко падает и, стоит подвернуться крутому склону, как она образует бурный поток; его-то мы и видим как пальцеобразные яркие полосы. Такой поток проходит стокилометровые расстояния за неделю-другую. Когда со снижением температуры сера приобретает оранжево-желтый или желтый цвет, ее вязкость уже только в 10 раз выше вязкости воды, и расплав этого вещества может быстро проникнуть чуть ли не куда угодно. Подобным образом образуются гигантские желтые и оранжево-желтые равнины Ио. Так заливается серным расплавом кратер за кратером, так на глазах вулканическая активность "омолаживает" поверхность загадочной Ио...

Впрочем, неужели все загадки принадлежат одной Ио? Немало их еще у остальных членов "большой пятерки" - Амальтеи, Европы, Ганимеда и Каллисто. Кто знает, сколько вопросительных знаков еще предстоит стереть, изучая Леду, Гималию, Лиситею, Элару, Ананке, Карме, Пасифе, Синопе, а может быть, и других, еще не открытых членов семьи Юпитера...

Лишь приоткрыв занавес над этим загадочным краем, "Вояджеры" устремились в другой, еще более далекий и незнакомый мир - к Сатурну, Последуем же и мы за ними.