Планетарная наука - Planetary science

Фотография из Apollo 15 орбитального блока из борозд в непосредственной близости от кратера Аристарха на Луне .

Планетарная наука или, реже, планетология - это научное изучение планет (включая Землю ), лун и планетных систем (в частности, Солнечной системы ) и процессов, которые их формируют. Он изучает объекты размером от микрометеороидов до газовых гигантов , стремясь определить их состав, динамику, формирование, взаимосвязи и историю. Это сильно междисциплинарная область, изначально выросшая из астрономии и науки о Земле , но теперь включающая в себя многие дисциплины, включая планетарную геологию (вместе с геохимией и геофизикой ), космохимию , атмосферную науку , океанографию , гидрологию , теоретическую планетологию , гляциологию и экзопланетологию. . Смежные дисциплины включают космическую физику , когда речь идет о влиянии Солнца на тела Солнечной системы, и астробиологию .

Существуют взаимосвязанные наблюдательные и теоретические разделы планетологии. Наблюдательные исследования могут включать в себя сочетание исследования космоса , преимущественно с полетами роботизированных космических аппаратов с использованием дистанционного зондирования , и сравнительной экспериментальной работой в лабораториях на Земле. Теоретический компонент включает в себя значительное компьютерное моделирование и математическое моделирование.

Ученые-планетологи обычно работают на факультетах астрономии и физики или наук о Земле университетов или исследовательских центров, хотя во всем мире есть несколько чисто планетарных институтов. Ежегодно проводится несколько крупных конференций и большое количество рецензируемых журналов . Некоторые ученые-планетологи работают в частных исследовательских центрах и часто инициируют исследовательские задачи партнерства.

История

Можно сказать, что история планетологии началась с древнегреческого философа Демокрита , о котором, как сообщает Ипполит, сказал:

Упорядоченные миры безграничны и различаются по размеру, и что в одних нет ни солнца, ни луны, но в других оба они больше, чем у нас, а у других больше. И что интервалы между упорядоченными мирами неравны, здесь больше, а там меньше, и что одни увеличиваются, другие процветают, а другие распадаются, и здесь они возникают, а там они затмеваются. Но что они разрушаются при столкновении друг с другом. И что в некоторых упорядоченных мирах нет животных, растений и воды.

В более современное время наука о планетах началась с астрономии, с изучения неразрешенных планет. В этом смысле первоначальным планетным астрономом мог бы быть Галилей , открывший четыре самых больших луны Юпитера , горы на Луне и впервые наблюдавший кольца Сатурна , все объекты интенсивного последующего изучения. Изучение Галилеем лунных гор в 1609 году также положило начало изучению внеземных ландшафтов: его наблюдение, «что Луна определенно не имеет гладкой и полированной поверхности», предполагает, что она и другие миры могут выглядеть «точно такими же, как лицо самой Земли». .

Достижения в конструкции телескопов и инструментальном разрешении постепенно позволили лучше идентифицировать атмосферные и поверхностные детали планет. Изначально Луна была наиболее изученной, так как она всегда показывала детали на своей поверхности из-за ее близости к Земле, а технологические усовершенствования постепенно привели к более подробным лунным геологическим знаниям. В этом научном процессе основными инструментами были астрономические оптические телескопы (а позже и радиотелескопы ) и, наконец, исследовательские космические аппараты- роботы .

Солнечная система в настоящее время относительно хорошо изучена, и существует хорошее общее представление о формировании и эволюции этой планетной системы. Однако есть большое количество нерешенных вопросов, и скорость новых открытий очень высока, отчасти из-за большого количества межпланетных космических кораблей, которые в настоящее время исследуют Солнечную систему.

Дисциплины

Планетарная наука изучает наблюдательную и теоретическую астрономию, геологию (экзогеологию), науку об атмосфере и новую специальность по планетным океанам .

Планетарная астрономия

Это и наблюдательная, и теоретическая наука. Исследователи-наблюдатели в основном занимаются изучением малых тел Солнечной системы: тех, которые наблюдаются с помощью телескопов, как оптических, так и радио, так что характеристики этих тел, такие как форма, вращение, материалы поверхности и выветривание, определяются, а также можно понять историю их становления и эволюции.

Теоретическая планетная астрономия занимается динамикой : применением принципов небесной механики к Солнечной системе и внесолнечным планетным системам. У каждой планеты есть своя ветвь.

Планета: Тема: Названа в честь (примечание: эти термины используются редко)

Планетарная геология

Основная статья: Планетарная геология
Смотрите также: Геология солнечных планет земной группы и Ледяной луны

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 сначала была изучена Луна с использованием методов, разработанных ранее на Земле.

Геоморфология

Основная статья: Геоморфология

Геоморфология изучает особенности на поверхности планет и реконструирует историю их образования, делая выводы о физических процессах, которые действовали на поверхности. Планетарная геоморфология включает изучение нескольких классов поверхностных особенностей:

  • Особенности удара ( многокольцевые бассейны , кратеры)
  • Вулканические и тектонические особенности (потоки лавы, трещины, риллы )
  • Ледниковые особенности
  • Эолийские особенности
  • Космическое выветривание - эрозионные эффекты, вызванные суровыми условиями космоса (непрерывная бомбардировка микрометеоритами, дождь из частиц высокой энергии, ударное садоводство ). Например, тонкий пылевой покров на поверхности лунного реголита - результат бомбардировки микрометеоритами.
  • Гидрологические характеристики: используемая жидкость может варьироваться от воды до углеводорода и аммиака , в зависимости от местоположения в Солнечной системе. В эту категорию входит изучение палеогидрологических особенностей (палеоканалов, палеозер).

История планетарной поверхности может быть расшифрована отображением особенности сверху вниз в соответствии с их последовательностью осаждения , а первый , определенная на земной толщи от Николя Steno . Например, стратиграфическое картирование подготовило астронавтов Аполлона к полевой геологии, с которой они столкнутся в своих лунных миссиях. Перекрывающиеся последовательности были идентифицированы на изображениях, сделанных программой Lunar Orbiter , и они были использованы для подготовки лунной стратиграфической колонки и геологической карты Луны.

Дополнительная информация: Геология Луны.

Космохимия, геохимия и петрология

Основные статьи: космохимия , геохимия и петрология

Одной из основных проблем при создании гипотез о формировании и эволюции объектов в Солнечной системе является отсутствие образцов, которые можно было бы проанализировать в лаборатории, где доступен большой набор инструментов и полный объем знаний, полученных из земной геологии. может быть приведен в действие. Прямые образцы с Луны, астероидов и Марса присутствуют на Земле, сняты с их родительских тел и доставлены в виде метеоритов . Некоторые из них пострадали от загрязнения в результате окислительного воздействия атмосферы Земли и инфильтрации биосферы , но те метеориты, которые были собраны в последние несколько десятилетий в Антарктиде , почти полностью остались нетронутыми.

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

Сравнительно немногочисленные известные марсианские метеориты позволили получить представление о геохимическом составе марсианской коры, хотя неизбежное отсутствие информации об их точках происхождения на разнообразной поверхности Марса означает, что они не дают более подробных ограничений на теории эволюции литосфера Марса . По состоянию на 24 июля 2013 года на Земле 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 также 3 советских робота « Луна» 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 - по состоянию на апрель 2008 года насчитывалось 54 метеорита, которые были официально классифицированы как лунные. Одиннадцать из них взяты из коллекции антарктических метеоритов США, 6 - из коллекции японских антарктических метеоритов, а остальные 37 - из жарких пустынь в Африке, Австралии и на Ближнем Востоке. Общая масса распознанных лунных метеоритов приближается к 50 кг.

Геофизика

Основные статьи: Геофизика и космическая физика

Космические зонды позволили собирать данные не только в области видимого света, но и в других областях электромагнитного спектра. Планеты могут быть охарактеризованы их силовыми полями: гравитацией и их магнитными полями, которые изучаются с помощью геофизики и космической физики.

Измерение изменений ускорения космических аппаратов на орбите позволило нанести на карту мельчайшие детали гравитационных полей планет. Например, в 1970-х годах возмущения гравитационного поля над лунными морями измерялись с помощью лунных орбитальных аппаратов, что привело к обнаружению концентраций массы, масконов , под бассейнами Имбриум, Серенитатис, Кризиум, Нектарис и Хуморум.

Солнечный ветер отклоняется магнитосферы (не в масштабе)

Если магнитное поле планеты достаточно сильное, его взаимодействие с солнечным ветром формирует магнитосферу вокруг планеты. Ранние космические аппараты обнаружили общие размеры земного магнитного поля, которое простирается примерно на 10 радиусов Земли по направлению к Солнцу. Солнечный ветер , поток заряженных частиц, потоки, и вокруг магнитного поля Земли, и продолжается за магнитный хвостом, сотни радиусов Земли вниз по течению. Внутри магнитосферы есть относительно плотные области частиц солнечного ветра, радиационные пояса Ван Аллена .

Геофизика включает сейсмологию и тектонофизику , геофизическую гидродинамику , физику минералов , геодинамику , математическую геофизику и геофизические исследования .

Планетарная геодезия (также известная как планетарная геодезия ) занимается измерением и представлением планет Солнечной системы, их гравитационных полей и геодинамических явлений ( полярное движение в трехмерном, изменяющемся во времени пространстве. Наука геодезия имеет элементы как астрофизика, так и планетология. Форма Земли в значительной степени является результатом ее вращения, которое вызывает ее экваториальную выпуклость, и конкуренции геологических процессов, таких как столкновение плит и вулканизма , которым противодействует гравитационное поле Земли. Эти принципы могут быть применены к твердой поверхности Земли ( орогенез ; немногие горы выше 10 км (6 миль), несколько глубоководных желобов глубже, чем это, потому что, попросту говоря, гора высотой, например, 15 км ( 9 миль), из-за силы тяжести у своего основания возникнет такое сильное давление , что скала там станет пластичной , и гора снова упадет до высоты примерно 10 км (6 миль) в геологически незначительном время. Некоторые или все эти геологические принципы могут быть применены к другим планетам помимо Земли. Например, на Марсе, у которого сила тяжести на поверхности намного меньше, самый большой вулкан, Олимп Монс , имеет высоту 27 км (17 миль) на пике, высоту, которую невозможно сохранить на Земле. Геоид Земли - это, по сути, фигура Земли, абстрагированная от ее топографических характеристик. Следовательно, геоид Марса ( ареоид - это, по сути, фигура Марса, абстрагированная от его топографических характеристик. Геодезия и картографирование являются двумя важными областями применения геодезии.

Атмосферная наука

Основные статьи: Атмосферная наука и Глобальная климатическая модель
Полосы облаков хорошо видны на Юпитере .

Атмосфера является важной переходной зоной между твердой поверхностью планеты и более разреженными ионизирующими и радиационными поясами. Не у всех планет есть атмосферы: их существование зависит от массы планеты и расстояния планеты от Солнца - бывают слишком далекие и замороженные атмосферы. Помимо четырех газовых планет-гигантов, почти все планеты земной группы ( Земля , Венера и Марс ) имеют значительные атмосферы. Две лун имеют значительные атмосферы: Сатурн «s луна Титан и Нептун » s луна Тритон . Вокруг Меркурия существует разреженная атмосфера .

Влияние скорости вращения планеты вокруг своей оси можно увидеть в атмосферных потоках и течениях. Если смотреть из космоса, эти объекты проявляются в виде полос и водоворотов в облачной системе и особенно хорошо видны на Юпитере и Сатурне.

Экзопланетология

Основная статья: Экзопланетология

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

Сравнительная планетология

Основная статья: Сравнительное планетология

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

Основное сравнение, которое можно провести, - это объекты на Земле, поскольку они гораздо более доступны и позволяют проводить гораздо больший диапазон измерений. Исследования аналога Земли особенно распространены в планетарной геологии, геоморфологии, а также в атмосферных науках.

Использование земных аналогов было впервые описано Гилбертом (1886).

Профессиональная деятельность

Журналы

Профессиональные органы

Основные конференции

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

Основные учреждения

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

Национальные космические агентства

Другие учреждения


Базовые концепты

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Карр, Майкл Х., Сондерс, Р.С., Стром, Р.Г., Вильгельмс, Д.Е. 1984. Геология планет земной группы . НАСА.
  • Моррисон, Дэвид. 1994. Изучение планетарных миров . WH Freeman. ISBN  0-7167-5043-0
  • Hargitai H et al. (2015) Классификация и характеристика планетных форм рельефа. В: Hargitai H (ed) Encyclopedia of Planetary Landforms. Springer. DOI : 10.1007 / 978-1-4614-3134-3 https://link.springer.com/content/pdf/bbm%3A978-1-4614-3134-3%2F1.pdf
  • Hauber E et al. (2019) Планетарное геологическое картирование. В: Харгитай Х (ред) Планетарная картография и ГИС. Springer.
  • Страница D (2015) Геология планетных форм рельефа . В: Hargitai H (ed) Encyclopedia of Planetary Landforms. Springer.
  • Росси А.П., ван Гассельт С. (ред.) (2018) Планетарная геология. Springer

внешние ссылки