Вселенная сегодня изучил важность изучения ударных кратеров, поверхностей планет, экзопланет, астробиологии, физики Солнца, комет и атмосфер планет, а также то, как эти интригующие научные дисциплины могут помочь ученым и общественности лучше понять, как мы ищем жизнь за пределами Земли. Здесь мы заглянем внутрь и рассмотрим роль, которую планетарная геофизика играет, помогая ученым лучше понять нашу Солнечную систему и за ее пределами, включая преимущества и проблемы, поиск жизни за пределами Земли и то, как будущие студенты могут продолжить изучение планетарной геофизики. Итак, что же такое планетарная геофизика и почему так важно ее изучать?
«Планетарная геофизика — это изучение того, как планеты и их содержимое ведут себя и развиваются с течением времени», — говорит доктор Маршалл Стычински, научный сотрудник Космического научного института «Голубой мрамор». Вселенная сегодня. «По сути, это исследование того, что лежит ниже, с акцентом на то, чего мы не можем видеть, и на то, как это связано с тем, что мы можем видеть и измерять. Большинство планет (включая Землю!) скрыты от глаз — благодаря геофизике мы знаем все о Земле ниже самой глубокой точки, которую мы раскопали!»
Как следует из названия, геофизика — это наука, изучающая физику геологических процессов, как на Земле, так и на других планетных телах, с упором на внутренние геологические процессы. Это особенно полезно для планетарных тел, которые дифференцированы, то есть имеют несколько внутренних слоев, образующихся в результате того, что более тяжелые элементы опускаются к центру, в то время как более легкие элементы остаются ближе к поверхности.
Планета Земля, например, разделена на кору, мантию и ядро, каждый из которых имеет свои собственные подслои, и понимание этих внутренних процессов помогает ученым собрать воедино то, какой была Земля миллиарды лет назад, и даже сделать прогнозы относительно окружающая среда планеты в далеком будущем. Эти внутренние процессы управляют поверхностными процессами, включая вулканизм и тектонику плит, которые отвечают за поддержание температуры Земли и переработку материалов соответственно. Итак, каковы некоторые преимущества и проблемы изучения планетарной геофизики?
Доктор Стычинский рассказывает Вселенная сегодня«Геофизика дает нам инструменты для определения того, что существует под видимой поверхностью планетарных тел (планет, лун, астероидов и т. д.). Это наш единственный способ узнать о том, чего мы не видим! Выяснение того, что находится внутри планеты и при каких условиях, например, сколько давления и тепла в каждом слое, помогает нам построить историю планеты и узнать, как она будет меняться с течением времени».
Напротив, д-р Стычински также подчеркивает, что Вселенная сегодня проблемы, отмечая сложность воспроизведения геологических условий, происходящих на протяжении миллионов лет, даже в самых современных лабораториях мира из-за их медленных движений на протяжении огромных периодов времени. Кроме того, он отмечает, что ускорители частиц иногда требуются для воспроизведения экстремальных условий внутри газовых гигантов, которые также различаются, правда, слоями газа и жидкости, а не горной породы.
Но Земля — не единственный каменистый мир в нашей Солнечной системе, демонстрирующий дифференциацию, поскольку все четыре каменистые планеты (Меркурий, Венера, Земля и Марс) демонстрируют ту или иную форму внутреннего расслоения, которое происходило на протяжении миллиардов лет, хотя и в меньших масштабах из-за по своим размерам. Помимо планет, многие скалистые спутники Солнечной системы также демонстрируют дифференциацию, в том числе галилеевы спутники Юпитера, Ио, Европа, Ганимед и Каллисто, а также несколько спутников Сатурна, включая Титан, Энцелад и Мимас. Из этих спутников Европа, Титан и Энцелад в настоящее время являются целями астробиологов, поскольку было подтверждено, что Европа и Энцелад обладают внутренними океанами с жидкой водой, а Титан также представляет убедительные доказательства. Кроме того, Титан — единственная луна с плотной атмосферой, и, как и на Земле, на него, вероятно, влияет внутренняя геофизика. Но чему планетарная геофизика может научить нас относительно поиска жизни за пределами Земли?
«Изучая Марс, мы узнали, что поверхности планет могут быть весьма враждебными для жизни в том виде, в каком мы ее знаем», — говорит доктор Стычински. Вселенная сегодня. «Если и когда мы сможем найти жизнь в другом месте Солнечной системы, которую мы не принесли туда сами, она, вероятно, будет найдена под поверхностью, где ее можно будет защитить от суровой окружающей среды на поверхности. Геофизика дает нам возможность планировать экспедиции в недра и единственный метод поиска жидкой воды, скрытой от глаз на ледяных лунах. Это лучшие известные нам места для поиска жизни за пределами Земли».
Причина, по которой поверхность Марса непригодна для жизни в том виде, в каком мы ее знаем, заключается в отсутствии на ней плотной атмосферы, которая не позволяет заряженным частицам Солнца в солнечном ветре достичь поверхности планеты. Хотя Марс когда-то имел мощное магнитное поле, отмечает доктор Стычинский, Вселенная сегодня что «некоторые исследователи считают, что магнитные поля действительно могут разрушить атмосферу», при этом быстро отмечая, что это «является темой ожесточенных споров». Когда-то у Марса была более плотная атмосфера, которая исчезла вместе с магнитным полем в течение миллиардов лет по мере охлаждения недр Красной планеты.
Помимо нашей солнечной системы, рассказывает доктор Стычински Вселенная сегодня что планетарная геофизика также отлично помогает ученым лучше понять экзопланеты, особенно многопланетные системы, подобные нашей. Хотя ни одна поверхность экзопланеты еще не была изображена, лучшее понимание геофизических процессов планетарных тел в нашей Солнечной системе помогает ученым понять, как те же самые процессы могут происходить на планетах по всему космосу, включая магнитное поле.
Магнитное поле планеты создается внутренними процессами, происходящими в ее внешнем ядре, которое для Земли состоит из бурлящей жидкой металлической жидкости, тогда как внутреннее ядро представляет собой твердый шар из сжатого металла. Когда жидкость этого внешнего ядра бурлит и циркулирует, она создает электрические токи, которые создают мощное магнитное поле, которое окутывает наш маленький синий мир пузырем, защищающим от вредной космической погоды. Магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы в радиационных поясах в близлежащем космосе. То, как магнитное поле защищает нашу планету, можно увидеть во время магнитных бурь, исходящих от Солнца, когда магнитосфера в ответ изгибается и изгибается, посылая частицы из этих радиационных поясов близко к поверхности в регионах высоких северных и южных широт. Там они взаимодействуют с атмосферой Земли, создавая захватывающие дух полярные сияния, которые часто наблюдаются на Аляске, в странах Северной Европы и Антарктиде.
Однако, хотя магнитное поле Земли впечатляет, вполне уместно, что самая большая планета Солнечной системы, Юпитер, также обладает самым большим магнитным полем, чей «хвост» простирается до орбиты Сатурна, или примерно на 400 миллионов миль. Кроме того, внутренние процессы, ответственные за генерацию магнитных полей на газообразных планетах, таких как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, могут резко отличаться от земных. Итак, учитывая все эти переменные и процессы, какой аспект планетарной геофизики, который доктор Стычинский изучал за свою карьеру, был самым захватывающим?
«Та часть планетарной геофизики, которую я считаю наиболее интересной, — это использование невидимого магнитного поля для обнаружения подземных океанов», — говорит доктор Стычински. Вселенная сегодня. «Я по-прежнему поражаюсь тому, как все это работает, когда действительно об этом думаю. Соленые океанские воды частично отражают поля, которым они подвергаются со стороны своей родительской планеты, например, Юпитера и его спутника Европы. Мы используем эти измерения наряду с лабораторными исследованиями здесь, на Земле, и геофизикой, чтобы понять слои материала внутри Европы и определить свойства океана. Меня до сих пор поражает то, что этот процесс работает так хорошо».
Как и большинство научных областей, планетарная геофизика включает в себя множество научных дисциплин и направлений с целью ответить на самые сложные вопросы Вселенной посредством постоянного сотрудничества и инноваций. Геофизика представляет собой сочетание геологии и физики, но также включает в себя математику, химию, науку об атмосфере, сейсмологию, минералогию и многие другие с целью лучшего понимания внутренних процессов Земли и других планетарных тел во всей Солнечной системе и за ее пределами. Поэтому какой совет может дать доктор Стычински будущим студентам, желающим продолжить изучение планетарной геофизики?
«Есть много путей в геофизику, много разных вещей и способов их изучения», — говорит доктор Стычински. Вселенная сегодня. «Ваши прошлые исследования не обязательно должны быть связаны с геофизикой или вообще с геологией. Возможно, самый продуктивный шаг, который вы можете сделать, — это попросить о помощи, особенно у кого-то, кто изучает интересующую вас тему. Навыки компьютерного программирования неоценимы. Я рекомендую изучить Python — он бесплатен и широко используется в науке. Доступно множество обучающих программ, в том числе бесплатных. Хотя не всякая геофизика требует большого количества программирования, я думаю, что всем геофизикам будут полезны эти навыки».
Как планетарная геофизика поможет нам лучше понять наше место в космосе в ближайшие годы и десятилетия? Только время покажет, и именно поэтому мы занимаемся наукой!
Как всегда, продолжайте заниматься наукой и продолжайте искать!
