Планетарная геофизика поможет в поиске инопланетян
Universe Today рассмотрела важность изучения ударных кратеров, планетарных поверхностей, экзопланет, астробиологии, физики Солнца, комет и планетарных атмосфер, а также то, как эти интригующие научные дисциплины могут помочь ученым и общественности лучше понять, как мы стремимся к жизни за пределами Земли. Здесь мы заглянем внутрь себя и рассмотрим роль, которую играет планетарная геофизика в оказании помощи ученым в получении более глубокого представления о нашей Солнечной системе 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 эволюционируют с течением времени", - рассказывает Universe Today доктор Маршалл Стичински, научный сотрудник Космического института науки Blue Marble. "По сути, это изучение того, что лежит ниже, сосредоточение внимания на том, чего мы не можем видеть, и как это соотносится с тем, что мы можем видеть и измерять. Большинство планет (включая Землю!) скрыты от посторонних глаз — геофизика - это то, как мы узнаем все о Земле ниже самой глубокой точки, которую мы раскопали!"
Как следует из названия, геофизика - это изучение понимания физики, лежащей в основе геологических процессов, как на Земле, так и на других планетных телах, с акцентом на внутренние геологические процессы. Это особенно полезно для дифференцированных планетарных тел, что означает, что они 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, причем каждый из них имеет свои собственные подслои, и понимание этих внутренних процессов помогает ученым собрать воедино то, какой была Земля миллиарды лет назад, и даже делать прогнозы относительно окружающей среды планеты в далеком будущем. Эти внутренние процессы управляют процессами на поверхности, 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 Стичински рассказывает Universe Today: "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 можем видеть! Выяснение того, что находится внутри планеты и при каких условиях, например, сколько давления и тепла приходится на каждый слой, помогает нам построить историю планеты и понять, как она будет продолжать меняться с течением времени". Напротив, доктор Стичински также обращает внимание Universe Today на проблемы, отмечая трудность воспроизведения геологических условий, которые складываются на протяжении миллионов лет, даже в самых современных лабораториях мира из-за их медленного перемещения в течение огромного промежутка времени. Кроме того, он отмечает, что ускорители частиц иногда требуются для воспроизведения экстремальных условий внутри газовых гигантов, которые также различаются, хотя и с газовыми и жидкими слоями, в отличие от горных пород.
Но Земля - не единственный скалистый мир в нашей Солнечной системе, который демонстрирует дифференциацию, поскольку все четыре скалистые планеты (Меркурий, Венера, Земля и Марс) демонстрируют некоторую форму внутреннего расслоения, которое происходило на протяжении миллиардов лет, хотя и в меньших масштабах из-за их размеров. В дополнение к планетам, многие скалистые спутники по всей Солнечной системе также демонстрируют дифференциацию, включая галилеевы спутники Юпитера, Ио, Европу, Ганимед и Каллисто, а также несколько спутников Сатурна, включая Титан, Энцелад и Мимас. Из этих спутников Европа, Титан и Энцелад в настоящее время являются мишенями для астробиологов, поскольку было подтверждено, что Европа и Энцелад обладают внутренними океанами с жидкой водой, причем Титан также представляет убедительные доказательства. Кроме того, Титан - единственный спутник с плотной атмосферой, и, как и Земля, им, вероятно, управляет внутренняя геофизика. Но чему может научить нас планетарная геофизика о поиске жизни за пределами Земли?
"Изучая Марс, мы узнали, что поверхности планет могут быть довольно враждебными для жизни в том виде, в каком мы ее знаем", - говорит доктор Стичински в интервью Universe Today. "Если и когда мы сможем найти жизнь в другом месте Солнечной системы, которую мы не привезли туда сами, она, вероятно, будет найдена под поверхностью, где она может быть защищена от суровых условий на поверхности. Геофизика дает нам средства для планирования экспедиций 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 негостеприимна для жизни в том виде, в каком мы ее знаем, заключается в отсутствии на нем плотной атмосферы, которая отвечает за предотвращение попадания заряженных частиц солнечного ветра на поверхность планеты. В то время как Марс когда-то обладал мощным магнитным полем, доктор Дж. Стичински отмечает для Universe Today, что "Некоторые исследователи считают, что магнитные поля действительно могут разрушать атмосферу", быстро отмечая, что это "является предметом ожесточенных дебатов". Когда-то у Марса была более плотная атмосфера, которая была утрачена вместе со своим магнитным полем за миллиарды лет, когда внутренние слои Красной планеты остыли.
В дополнение к нашей солнечной системе, доктор Стичински рассказывает Universe Today, что планетарная геофизика также отлично справляется с работой, помогая ученым лучше понять экзопланеты, особенно многопланетные системы, подобные нашей собственной. Хотя поверхность экзопланет еще не была сфотографирована, лучшее понимание геофизических процессов, происходящих с планетными телами в пределах нашей Солнечной системы, помогает ученым получить представление о том, как те же самые процессы могут происходить на планетах по всему космосу, включая магнитное поле. Магнитное поле планеты управляется 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 спрессованного металла. Когда жидкость этого внешнего ядра взбалтывается и циркулирует, она создает электрические токи, которые создают мощное магнитное поле, окутывающее наш маленький голубой мир мыльным пузырем защиты от вредной космической погоды.
Магнитное поле Земли задерживает заряженные частицы в радиационных поясах в близлежащем космосе. То, как магнитное поле защищает нашу планету, можно увидеть во время магнитных бурь со стороны солнца, когда магнитосфера изгибается в ответ, посылая частицы из этих радиационных поясов близко к поверхности в районах высоких северных и южных широт. Там они взаимодействуют с атмосферой Земли, создавая захватывающие дух полярные сияния, которые часто наблюдаются на Аляске, в северных странах и Антарктиде. Однако, хотя магнитное поле Земли впечатляет, вполне уместно, что самая большая планета Солнечной системы, Юпитер, в равной степени 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 газовых планетах, таких как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, могут разительно отличаться от процессов на Земле. Итак, учитывая все эти переменные и процессы, каков самый захватывающий аспект планетарной геофизики, который доктор Стичински изучал за свою карьеру?
"Часть планетарной геофизики, которую я нахожу наиболее захватывающей, - это использование невидимого магнитного поля для определения подповерхностных океанов", - говорит доктор Стичински в интервью Universe Today. "Я по-прежнему поражаюсь тому, как все это работает, когда я действительно думаю об этом. Соленые океанские воды частично отражают поля, которым они подвергаются со своей родительской планеты, как, например, Юпитер и его спутник Европа. 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, что этот процесс работает так же хорошо, как и сейчас". Как и большинство научных областей, планетарная геофизика охватывает множество научных дисциплин и областей знаний с целью получения ответов на самые сложные вопросы Вселенной посредством постоянного сотрудничества и инноваций. Геофизика представляет собой комбинацию геологии и физики, но также включает математику, химию, науку об атмосфере, сейсмологию, минералогию и многие другие науки с целью лучшего понимания внутренних процессов Земли и других планетных тел по всей Солнечной системе и за ее пределами. Итак, какой совет может дать доктор Дж. Стичинский предлагает будущим студентам, желающим продолжить изучение планетарной геофизики?
"Есть много путей в геофизику, и много разных вещей для изучения и способов их изучения", - говорит доктор Стичински Universe Today. "Ваши прошлые исследования не обязательно должны быть специфичными для геофизики или даже вообще включать геологию. Возможно, самый продуктивный шаг, который вы можете сделать, - это обратиться за помощью, особенно к кому-то, кто изучает интересующую вас тему. Навыки компьютерного программирования бесценны. Я рекомендую изучать Python — он бесплатный и широко используется во всех областях науки. Доступно множество учебных пособий, также бесплатных. Хотя не для всей геофизики потребуется много программирования, я думаю, что все геофизики выиграют от обладания этими навыками".
