stringtranslate.com

Планетарная наука

Геологическая карта бассейна Sputnik Planitia на карликовой планете Плутон . Анализ планетарных поверхностей и особенностей поверхности является важнейшим компонентом планетной науки

Планетарная наука (или, реже, планетология ) — это научное изучение планет (включая Землю ), небесных тел (таких как луны , астероиды , кометы ) и планетных систем (в частности, Солнечной системы ) и процессов их формирования. Она изучает объекты размером от микрометеоритов до газовых гигантов с целью определения их состава, динамики, формирования, взаимосвязей и истории. Это сильно междисциплинарная область , которая изначально выросла из астрономии и наук о Земле [1] и теперь включает в себя множество дисциплин, включая планетарную геологию , космохимию , науку об атмосфере , физику , океанографию , гидрологию , теоретическую планетологию , гляциологию и экзопланетологию [1] Смежные дисциплины включают космическую физику , когда речь идет о влиянии Солнца на тела Солнечной системы, и астробиологию .

Существуют взаимосвязанные наблюдательные и теоретические ветви планетной науки. Наблюдательные исследования могут включать комбинации космических исследований , в основном с использованием роботизированных космических аппаратов с использованием дистанционного зондирования , и сравнительных экспериментальных работ в наземных лабораториях . Теоретический компонент включает в себя значительное компьютерное моделирование и математическое моделирование .

Планетологи, как правило, работают в отделениях астрономии и физики или наук о Земле университетов или исследовательских центров, хотя в мире есть несколько чисто планетарных научных институтов. Как правило, планетологи изучают одну из наук о Земле , астрономию , астрофизику , геофизику или физику на уровне аспирантуры и концентрируют свои исследования на дисциплинах планетологии. Каждый год проводится несколько крупных конференций и издается широкий спектр рецензируемых журналов . Некоторые планетологи работают в частных исследовательских центрах и часто инициируют партнерские исследовательские задачи.

История

Можно сказать, что история планетарной науки началась с древнегреческого философа Демокрита , который, по свидетельству Ипполита , сказал:

Упорядоченные миры безграничны и различаются по размеру, и что в некоторых нет ни солнца, ни луны, но что в других оба больше, чем у нас, и все же в других больше числом. И что интервалы между упорядоченными мирами неравны, здесь больше, а там меньше, и что некоторые увеличиваются, другие процветают, а другие распадаются, и здесь они возникают, а там они затмеваются. Но что они разрушаются, сталкиваясь друг с другом. И что некоторые упорядоченные миры лишены животных и растений и всей воды. [2]

В более современные времена планетарная наука началась с астрономии, с изучения неразрешенных планет. В этом смысле, первым планетарным астрономом был Галилей , который открыл четыре крупнейших спутника Юпитера , горы на Луне и первым наблюдал кольца Сатурна , все объекты интенсивного последующего изучения. Изучение Галилеем лунных гор в 1609 году также положило начало изучению внеземных ландшафтов: его наблюдение, «что Луна, безусловно, не обладает гладкой и отполированной поверхностью», предполагало, что она и другие миры могут выглядеть «точно так же, как лицо самой Земли». [3]

Достижения в области строительства телескопов и инструментального разрешения постепенно позволили улучшить идентификацию атмосферных и поверхностных деталей планет. Луна изначально была наиболее изученной из-за ее близости к Земле, поскольку она всегда демонстрировала сложные особенности на своей поверхности, и технологические усовершенствования постепенно привели к более подробным геологическим знаниям о Луне. В этом научном процессе основными инструментами были астрономические оптические телескопы (а позднее и радиотелескопы ) и, наконец, роботизированные исследовательские космические аппараты , такие как космические зонды .

Солнечная система в настоящее время относительно хорошо изучена, и существует хорошее общее понимание формирования и эволюции этой планетной системы. Однако существует большое количество нерешенных вопросов, [4] и скорость новых открытий очень высока, отчасти из-за большого количества межпланетных космических аппаратов, в настоящее время исследующих Солнечную систему.

Дисциплины

Планетарная наука изучает наблюдательную и теоретическую астрономию, геологию ( астрогеологию ), науку об атмосфере и новую специализацию в планетарных океанах , называемую планетарной океанографией . [5]

Планетарная астрономия

Это и наблюдательная, и теоретическая наука. Исследователи, занимающиеся наблюдениями, в основном занимаются изучением малых тел Солнечной системы: тех, которые наблюдаются с помощью телескопов, как оптических, так и радио, чтобы определить характеристики этих тел, такие как форма, вращение, поверхностные материалы и выветривание , а также понять историю их формирования и эволюции.

Теоретическая планетарная астрономия занимается динамикой : применением принципов небесной механики к Солнечной системе и внесолнечным планетным системам. Наблюдение за экзопланетами и определение их физических свойств, экзопланетология , является важной областью исследований помимо изучения Солнечной системы. Каждая планета имеет свою собственную ветвь.

Планетарная геология

В планетной науке термин геология используется в самом широком смысле, обозначая изучение поверхности и внутренних частей планет и лун, от их ядра до магнитосферы. Наиболее известные темы исследований планетарной геологии связаны с планетными телами в непосредственной близости от Земли: Луной и двумя соседними планетами: Венерой и Марсом . Из них Луна была изучена первой с использованием методов, разработанных ранее на Земле. Планетарная геология фокусируется на небесных объектах, которые демонстрируют твердую поверхность или имеют значительные твердые физические состояния как часть своей структуры. Планетарная геология применяет геологию , геофизику и геохимию к планетным телам. [6]

Планетарная геоморфология

Геоморфология изучает особенности на планетарных поверхностях и реконструирует историю их формирования, делая выводы о физических процессах, которые действовали на поверхности. Планетарная геоморфология включает в себя изучение нескольких классов особенностей поверхности:

Историю поверхности планеты можно расшифровать, картографируя особенности сверху вниз в соответствии с последовательностью их осаждения , как это впервые было определено на земных слоях Николасом Стено . Например, стратиграфическое картирование подготовило астронавтов Аполлона к полевой геологии, с которой они столкнутся во время своих лунных миссий. На снимках, полученных программой Lunar Orbiter , были выявлены перекрывающиеся последовательности, которые использовались для подготовки лунной стратиграфической колонки и геологической карты Луны.

Космохимия, геохимия и петрология

Одной из основных проблем при создании гипотез о формировании и эволюции объектов в Солнечной системе является отсутствие образцов, которые можно проанализировать в лаборатории, где доступен большой набор инструментов, и можно использовать весь объем знаний, полученных из земной геологии. Прямые образцы с Луны, астероидов и Марса присутствуют на Земле, отделенные от своих родительских тел и доставленные в виде метеоритов . Некоторые из них пострадали от загрязнения из-за окислительного воздействия атмосферы Земли и инфильтрации биосферы , но метеориты, собранные за последние несколько десятилетий в Антарктиде, почти полностью нетронуты.

Различные типы метеоритов, которые происходят из пояса астероидов, охватывают почти все части структуры дифференцированных тел: существуют даже метеориты, которые происходят из границы ядро-мантия ( палласиты ). Сочетание геохимии и наблюдательной астрономии также позволило проследить метеориты HED до определенного астероида в главном поясе, 4 Веста .

Сравнительно небольшое количество известных марсианских метеоритов предоставило информацию о геохимическом составе марсианской коры, хотя неизбежное отсутствие информации об их точках происхождения на разнообразной марсианской поверхности означало, что они не дают более подробных ограничений для теорий эволюции марсианской литосферы . [ 10] По состоянию на 24 июля 2013 года на Земле было обнаружено 65 образцов марсианских метеоритов. Многие были найдены либо в Антарктиде, либо в пустыне Сахара.

В эпоху Аполлона, в программе Аполлон , было собрано и доставлено на Землю 384 килограмма лунных образцов , а три советских робота «Луна» также доставили образцы реголита с Луны. Эти образцы обеспечивают наиболее полную запись состава любого тела Солнечной системы, кроме Земли. Количество лунных метеоритов быстро растет в последние несколько лет – [11] по состоянию на апрель 2008 года было 54 метеорита, которые были официально классифицированы как лунные. Одиннадцать из них из американской коллекции антарктических метеоритов, 6 из японской коллекции антарктических метеоритов, а остальные 37 из жарких пустынных местностей Африки, Австралии и Ближнего Востока. Общая масса признанных лунных метеоритов приближается к 50 кг.

Планетарная геофизика и космическая физика

Космические зонды позволили собрать данные не только в видимой области света, но и в других областях электромагнитного спектра. Планеты можно охарактеризовать по их силовым полям: гравитационным и магнитным полям, которые изучаются геофизикой и космической физикой.

Измерение изменений ускорения, испытываемых космическими аппаратами по мере их движения по орбите, позволило составить карту мельчайших деталей гравитационных полей планет. Например, в 1970-х годах возмущения гравитационного поля над лунными морями измерялись с помощью лунных орбитальных аппаратов, что привело к открытию концентраций массы, масконов , под бассейнами Дождей, Ясности, Кризисов, Нектара и Гуморума.

Солнечный ветер отклоняется магнитосферой (не в масштабе)

Если магнитное поле планеты достаточно сильное, его взаимодействие с солнечным ветром образует магнитосферу вокруг планеты. Ранние космические зонды обнаружили общие размеры земного магнитного поля, которое простирается примерно на 10 радиусов Земли в направлении Солнца. Солнечный ветер , поток заряженных частиц, вытекает и огибает земное магнитное поле и продолжается за магнитным хвостом, на сотни радиусов Земли вниз по течению. Внутри магнитосферы находятся относительно плотные области частиц солнечного ветра, радиационные пояса Ван Аллена .

Планетарная геофизика включает в себя, помимо прочего, сейсмологию и тектонофизику , геофизическую гидродинамику , физику минералов , геодинамику , математическую геофизику и геофизическую разведку .

Планетарная геодезия

Планетарная геодезия (также известная как планетарная геодезия) занимается измерением и представлением планет Солнечной системы, их гравитационных полей и геодинамических явлений ( движение полюсов в трехмерном, изменяющемся во времени пространстве). Наука геодезия имеет элементы как астрофизики, так и планетарных наук. Форма Земли в значительной степени является результатом ее вращения, которое вызывает ее экваториальную выпуклость , и конкуренции геологических процессов, таких как столкновение плит и вулканизм , которым сопротивляется гравитационное поле Земли . Эти принципы можно применить к твердой поверхности Земли ( орогенез ; немногие горы выше 10 км (6 миль), немногие глубоководные впадины глубже этого, потому что, попросту говоря, гора высотой, например, 15 км (9 миль), создаст такое большое давление у своего основания из-за гравитации, что порода там станет пластичной , и гора опустится обратно на высоту примерно 10 км (6 миль) за геологически незначительное время. Некоторые или все эти геологические принципы можно применить к другим планетам, помимо Земли. Например, на Марсе, чья поверхностная гравитация намного меньше, самый большой вулкан, Олимп , имеет высоту 27 км (17 миль) на своей вершине, высоту, которая не могла бы поддерживаться на Земле. Геоид Земли по сути является фигурой Земли, абстрагированной от ее топографических особенностей. Таким образом, геоид Марса ( ареоид ) по сути является фигурой Марса, абстрагированной от его топографических особенностей. Геодезия и картография являются двумя важными областями применения геодезии.

Планетарная атмосферная наука

На Юпитере отчетливо видны полосы облаков .

Атмосфера является важной переходной зоной между твердой поверхностью планеты и более разреженными ионизирующими и радиационными поясами. Не все планеты имеют атмосферы : их существование зависит от массы планеты и расстояния планеты от Солнца — встречаются слишком далекие и замороженные атмосферы. Помимо четырех планет-гигантов , три из четырех планет земной группы ( Земля , Венера и Марс ) имеют значительные атмосферы. Две луны имеют значительные атмосферы: луна Сатурна Титан и луна Нептуна Тритон . Разреженная атмосфера существует вокруг Меркурия .

Эффекты скорости вращения планеты вокруг своей оси можно увидеть в атмосферных потоках и течениях. Из космоса эти особенности проявляются в виде полос и вихрей в облачной системе и особенно заметны на Юпитере и Сатурне.

Планетарная океанография

Экзопланетология

Экзопланетология изучает экзопланеты , планеты, существующие за пределами нашей Солнечной системы . До недавнего времени средства изучения экзопланет были крайне ограничены, но с нынешним темпом инноваций в исследовательских технологиях экзопланетология стала быстро развивающейся подобластью астрономии .

Сравнительная планетология

Планетарная наука часто использует метод сравнения, чтобы лучше понять объект исследования. Это может включать сравнение плотных атмосфер Земли и спутника Сатурна Титана , эволюцию внешних объектов Солнечной системы на разных расстояниях от Солнца или геоморфологию поверхностей планет земной группы, и это лишь несколько примеров.

Основное сравнение, которое можно сделать, это сравнение с особенностями на Земле, поскольку это гораздо более доступно и позволяет проводить гораздо больший диапазон измерений. Аналоговые исследования Земли особенно распространены в планетарной геологии, геоморфологии, а также в атмосферной науке.

Использование земных аналогов впервые описал Гилберт (1886). [8]

В художественной литературе

Профессиональная деятельность

Журналы

Профессиональные организации

Этот неполный список включает в себя те учреждения и университеты, в которых основные группы людей работают в области планетологии. Используется алфавитный порядок.

Государственные космические агентства

Крупные конференции

Небольшие семинары и конференции по конкретным направлениям проводятся по всему миру в течение года.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Taylor, Stuart Ross (29 июля 2004 г.). «Почему планеты не могут быть похожи на звезды?». Nature . 430 (6999): 509. Bibcode : 2004Natur.430..509T. doi : 10.1038/430509a . PMID  15282586. S2CID  12316875.
  2. ^ Ипполит (Антипапа); Ориген (1921). Philosophumena (Оцифровано 9 мая 2006 г.). Том 1. Перевод Фрэнсиса Легге, FSA Оригинал из Гарвардского университета.: Общество содействия христианскому знанию . Получено 22 мая 2009 г.
  3. ^ Тейлор, Стюарт Росс (1994). «Тишина на вершине в Дариене». Nature . 369 (6477): 196–197. Bibcode : 1994Natur.369..196T. doi : 10.1038/369196a0 . S2CID  4349517.
  4. ^ Стерн, Алан. «Десять вещей, которые я хотел бы знать в планетарной науке» . Получено 22 мая 2009 г.
  5. ^ Подавлена ​​ли внеземная жизнь в подповерхностных океанических мирах из-за недостатка биологически важных элементов?, The Astronomical Journal, 156:151, октябрь 2018 г.
  6. ^ "Планетарная геология". Энциклопедия геологии (второе издание), 2021. Получено 12 марта 2022 .
  7. ^ аб Харгитай, Хенрик; Керестури, Акос, ред. (2015). Энциклопедия планетарных форм рельефа . Нью-Йорк: Спрингер. дои : 10.1007/978-1-4614-3134-3. ISBN 978-1-4614-3133-6. S2CID  132406061.
  8. ^ abc Харгитай, Хенрик; Керестури, Акос, ред. (2015). Энциклопедия планетарных форм рельефа . Нью-Йорк: Спрингер. дои : 10.1007/978-1-4614-3134-3. ISBN 978-1-4614-3133-6. S2CID  132406061.
  9. ^ Лефорт, Александра; Уильямс, Ребекка; Кортениеми, Ярмо (2015), «Перевернутый канал», в Харгитае, Хенрик; Керестури, Акос (ред.), Энциклопедия планетарных форм рельефа , Нью-Йорк: Springer, стр. 1048–1052, doi : 10.1007/978-1-4614-3134-3_202, ISBN 978-1-4614-3133-6
  10. ^ "UW – Ларами, Вайоминг | Университет Вайоминга".
  11. ^ {curator.jsc.nasa.gov/antmet/lmc/lmcintro.pdf}
  12. ^ abcd Герберт, Фрэнк (1965). Дюна (1-е изд.). Chilton Books. ISBN 0441172717.
  13. ^ abc Герберт, Брайан; Андерсон, Кевин Дж. (1 августа 2000 г.). Дюна: Дом Атрейдесов (1-е изд.). Спектры. ISBN 0553580272.
  14. ^ Бузе, Кэтрин (2010). Кортиэль, Жанна; Ханке, Кристина; Хутта, Ян Саймон; Милберн, Колин (ред.). Практики спекуляции Глава 2: Рабочий планетолог . Германия: Transcript Verlag. С. 51–76. ISBN 978-3-8394-4751-2.
  15. ^ Seitzinger, Sybil (1 декабря 2020 г.). «Устойчивая планета требует, чтобы ученые думали наперед». Nature . 468 (601): 601. doi : 10.1038/468601a . PMID  21124410.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки