Книга: Все эти миры — ваши. Научные поиски внеземной жизни

Приливы, резонанс и энергия

Приливы, резонанс и энергия

В наше время, когда мы стремимся максимально использовать возобновляемые источники энергии, задумывались ли вы когда-нибудь, откуда берется энергия приливов? Приливы возникают потому, что гравитационное воздействие, которое оказывают на Землю Луна и Солнце, немного больше на обращенной к ним стороне планеты. Это, в свою очередь, вызывает еле заметную деформацию Земли, и она принимает форму эллипсоида. Поскольку вода пластичнее камня, водная оболочка вытягивается немного сильнее. Два прилива, которые мы наблюдаем каждый день, связаны с тем, что вращение Земли буквально заносит нас под ближайший к Луне и противоположный от нее горб океанской воды, которые следуют за движением Луны вокруг Земли.

Энергия, за счет которой образуются приливные горбы, — гравитационная, она возникает за счет движения Земли по орбите вокруг Солнца и движения Луны по орбите вокруг Земли. В результате радиусы орбит и Земли вокруг Солнца, и Луны вокруг Земли с течением времени увеличиваются на очень малую величину. Так что электрическая энергия, которой вы пользуетесь у себя дома и которая генерируется приливной электростанцией (если, скажем, вы живете рядом с устьем реки Ранс во Франции), в конечном итоге образуется за счет движения Земли и Луны.

Но какое отношение это имеет к Юпитеру и Галилеевым спутникам? В данном случае мы наблюдаем абсолютно тот же самый эффект: энергия приливов разогревает недра всех спутников. Ио, Европа и в меньшей степени Ганимед и Каллисто деформируются под воздействием гравитационного поля Юпитера. Существенное различие заключается в том, что орбиты Галилеевых спутников гораздо более вытянуты, чем орбита Луны. Это приводит к тому, что в каких-то точках своей орбиты они находятся ближе к Юпитеру, а в каких-то — дальше. Возникающие вследствие этого приливные деформации заставляют Ио сплющиваться и растягиваться, так что значение его экваториального диаметра изменяется почти на 100 м в течение тех 42 часов, за которые спутник совершает оборот вокруг Юпитера.

Чтобы проиллюстрировать этот процесс более наглядно, вообразите себе мяч для игры в сквош. Перед началом матча игроки специально сжимают мяч, чтобы увеличить его упругость. Энергия, затраченная на деформацию мяча, создает тепло, возникающее от трения между молекулами, входящими в состав резины. Точно так же периодическая деформация Галилеевых спутников Юпитера приводит к разогреву их твердых ядер. Но есть еще один момент, исключительно важный для поддержания приливного эффекта.

В системе, где у планеты есть один-единственный спутник, его орбита быстро становится круговой, поскольку гравитационные взаимодействия ее выравнивают. Но Галилеевы спутники находятся в орбитальном резонансе, и это означает, что под воздействием гравитационных сил их орбиты синхронизировались: за то время, что Ио совершает четыре оборота, Европа совершает два, а Ганимед — всего один‹‹4››. Время от времени эти небесные тела сближаются друг с другом, находясь в определенных точках своих орбит, и в этот момент система получает небольшой гравитационный толчок, благодаря которому сохраняется эллиптическая форма их орбит.

Откуда берется энергия? Как и Земля, Юпитер под действием приливных явлений замедляет вращение вокруг своей оси, а радиусы орбит Галилеевых спутников, как и орбита Луны, очень медленно увеличиваются. На что эта энергия расходуется? На работу приливных сил, которые разогревают недра Ио. В среднем на 1 м² поверхности Ио выделяется такое же количество теплоты, что и во всем Йеллоустонском национальном парке. Фактически Ио — горячая вулканическая зона размером с целый спутник.

Приливная энергия разогревает этот огненный котел, равно как и недра Европы и Ганимеда. Убывание геологической активности на спутниках с увеличением радиуса их орбит можно объяснить с помощью расчетов их приливных взаимодействий: величина силы тяготения, вызывающей приливы, уменьшается по мере увеличения расстояния до Юпитера. Каждый следующий спутник в свою очередь испытывает все меньший нагрев от приливных воздействий, и на его поверхности остается меньше следов внутренней геологической активности. Мы уже видели, что на Ио внутреннее трение превратило весь спутник в одну горячую зону, так что в таком случае мы можем ожидать на Европе? По всей видимости, тепловой энергии, сгенерированной приливным трением, на Европе достаточно, чтобы согреть целый океан, занимающий всю поверхность спутника. И только его внешние слои, наиболее удаленные от горячего ядра, лютый холод межпланетного пространства сковал толстым ледяным панцирем. Но, если на Ио приливной вулканизм провоцирует непрекращающуюся вулканическую деятельность, должны ли мы ожидать, что подобное же явление в немного смягченной форме присутствует на Европе? Можно ли предсказать там наличие подводных вулканов, разогреваемых гравитационной хваткой Юпитера, и какое это имеет значение для возможности существования жизни на этом удаленном спутнике?