Краткая гипотеза: разнообразие геологических и атмосферных процессов в Солнечной системе обусловлено сочетанием (1) источников внутреннего тепла (приёмы: приливное нагревание, радиогенный распад, выделение при дифференциации), (2) состава и доли летучих веществ (воды, N${}_2$, CH${}_4$, CO), (3) размера и гравитации (способность удерживать атмосферу/пары), (4) орбитальной конфигурации и внешних воздействий (приливы, столкновения, инсоляция) и (5) механических свойств материалов (вязкость льдов, пористость, трещиноватость). Эти факторы в разных комбинациях дают Io (интенсивный вулканизм), Энцелад (водяные выбросы) и Плутон (гляциальные/атмосферные циклы).
Ключевые физические зависимости (в сыром виде):
- Приливная мощность (приближённо): ${\dot{E}}_{\mathrm{tide}}\propto \frac{e^2}{Q}\frac{M_{\mathrm{prim}}^2{R}^5{n}^5}{a^6}$, где $e$ — эксцентриситет, $Q$ — фактор демпфирования, $M_{\mathrm{prim}}$ — масса центрального тела, $R$ — радиус спутника, $n$ — средняя орбитальная частота, $a$ — большая полуось.
- Радиогенное тепло: масштабируется с массой/долевым содержанием тяжёлых элементов: $H_{\mathrm{rad}}\propto M_{\mathrm{rock}}{X}_{\mathrm{radionuclides}}$.
- Удержание атмосферы (Дже́нсова параметризация): $\lambda =\frac{GMm}{kTR}$ — большие $\lambda$ удерживают тяжёлые газы дольше.
- Теплопроводность и поток: $q=-k\nabla T$, интегрируемый тепловой поток определяет скорость таяния/конвекции льда.
Примеры применений:
- Io: сильный вулканизм объясняется мощным приливным нагреванием из-за резонансных орбиталей (высокое $e$, малый $Q$, большая гравитационная тяготение Юпитера и сравнительно большой радиус). Ожидаемый тепловой поток у Io >> типичный тепловой поток планет-карликов, что поддерживает частичное расплавление силикатного мантийного слоя и быстрый цикл серных/магматических веществ.
- Энцелад: небольшая масса, но орбитальная резонансная динамика и локализованное нагревание на "тигровых полосах" приводят к плавлению подповерхностного слоя и существованию солёного океана; проспекты: индукция магнитного поля от солёной жидкости и состав паров (солёная вода, органика) в струях.
- Плутон: низкие температуры, высокий запас летучих (N${}_2$, CH${}_4$) и сравнительно толстая слабая ледяная кора дают конвективную или вязкую сублитовую динамику (например, ячейки конвекции в водородо-азотных глациях Sputnik Planitia), сезонные переносы льдов и редкая атмосферная динамика при изменении инсоляции и подповерхностного тепла (Радионуклиды в ядре дают слабый, но длительный нагрев).
Какие наблюдения/эксперименты подтвердили бы гипотезу (конкретно, что измерить и зачем):
1. Гравиметрия и момент инерции
- Точная Doppler-гравиметрия орбитального аппарата → $C/M{R}^2$ для оценки дифференциации (наличие жидкого слоя/ядра).
2. Магнитные измерения
- Магнитометр для поиска индуцированных полей → подтверждение солёного подповерхностного океана (как у Европы). Индукция даёт подпись проводимости океана.
3. Тепловые карты и поток
- Тепловая инфракрасная съёмка высокой разрешающей способности + радиометрия поверхности и тепловые зонды (в идеале) для измерения локального теплового потока $q$ и сопоставления с предсказанным ${\dot{E}}_{\mathrm{tide}}$ и $H_{\mathrm{rad}}$.
4. Состав выбросов / атмосферы
- Мас-спектрометры в зоне выбросов (fly-through plume sampling) → молекулярный состав, солёность, изотопные соотношения (D/H, ${}^{18}O{/}^{16}O$, C/N и др.) — укажут источник (подповерхностный океан против поверхностного льда) и историю.
5. Сейсмология
- Сейсмоменты/сеизмометры (на приземных платформах) → толщина коры, наличие и глубина жидкости, механические свойства литосферы.
6. Радиолокация / GPR
- Радарное просвечивание (Ground Penetrating Radar) → картирование слоёв льда/ледяных структур, детекция океанов и каналов.
7. Долговременное наблюдение
- Мониторинг изменений на годичных/десятилетних масштабах (термические аномалии, змеиная активность, изменение атмосферного давления) для оценки сезонных и долгопериодных процессов.
8. Лабораторные и моделирующие эксперименты
- Лабораторные измерения вязкости/реологии смесей N${}_2$/CH${}_4$/H${}_2$O при низких температурах; численные модели приливно-термо-реологических циклов и конвекции ледяных слоёв.
9. Изотопный анализ
- Измерения изотопов в газах/частицах выбросов → возраст и источник летучих, эволюция запасов.
Конкретные проверки для примеров:
- Io: измерить суммарный локальный тепловой поток (спектрометр/инфракрас) и времена изменения орбиты $e(t)$ для проверки соответствия ${\dot{E}}_{\mathrm{tide}}$. Поиск мас-спектра вулканических газов для оценки состава мантийного расплава.
- Энцелад: fly-through с масс-спектром и анализом частиц пыли + магнитометр + высокоразрешающая тепловая карта тигровых полос; сейсмический прибор/гравиметр для оценки глубины океана.
- Плутон: высокоразрешающая топография и гравиметрия для поиска признаков тектоники/true polar wander, карты температур и составов поверхностных льдов, радара для поисков подповерхностных слоёв; долгосрочный мониторинг атмосферы.
Краткий вывод: объединённая проверка внутренних источников энергии (приливы vs радиогенное), состава/доли летучих и механических свойств материалов через гравиметрию, магнитометрию, тепловые карты, масс‑спектрометрию, радар и сейсмику даст убедительное подтверждение гипотезы о причинах разнообразия геологии и атмосфер в Солнечной системе.