Сравнение вулканических извержений Земли, Ио и Венеры

Земля не обладает статусом самого вулканически активного тела в Солнечной системе. Хотя у нас есть вулканизм, и вполне неплохой, сотни и тысячи активных и потенциально активных вулканов, а также прямые свидетельства мощных извержений. Но вулканизм Земли ограничивается относительно небольшими участками. Вулканизм сыграл важную роль в становлении юной жизни на Земле и, возможно, сыграет на других планетах Солнечной системы. Чем отличается Земля от вулканически активных сестер по звездной системе, вроде Ио и Венеры?

Извержения на Ио

Давайте посмотрим на юпитерианскую луну Ио. Эта отважная маленькая луна почти полностью покрыта вулканическими отложениями, благодаря приливным силам, действующим на нее под действием силы тяжести Юпитера. Когда New Horizons прошел мимо Ио в 2007 году, космический аппарат зафиксировал гигантский вулканический шлейф от «Тваштар Патера» (вместе с более слабыми шлейфами Масуби и Зала). Оценивая размеры Ио, можно оценить высоту шлейфа Тваштар Патера: более 165 километров. Это много даже по земным стандартам, ведь самое высокое извержение на Земле достигало 60-70 километров (от извержения Таупо в 186 году до нашей эры. Чтобы оценить масштабы действия на Ио, представьте извержение на Земле, которое выдало бы шлейф на высоту 560 километров. Высоко? Да, если вспомнить, что Международная космическая станция вращается на высоте между 330 и 435 километров.

Так почему бы нам не обзавестись такими высокими извержениями на Земле? Есть ряд факторов, которые контролируют высоту вулканического извержения, и их можно свести в простое уравнение (относительно простое): H = k(MΔT)1/4. В этом уравнении H — высота извержения в километрах, M — скорость извержения относительно массы (сколько вещества извергается в единицу времени, обычно м³/с), ΔT — разница температур извергающегося материала (750-1200 градусов Цельсия) и атмосферы (-10-25 градусов у поверхности).

А вот k — немного сложнее. Можно рассматривать ее как коэффициент, который собирает в пачку ряд факторов, связанных с атмосферой. Чем больше атмосферы, чем толще она, тем меньше фактор k. Получается, на планетах с толстой турбулентной атмосферой, извержения будут небольшие, а вот у планет с тонкой атмосферой извержения могут быть крайне высокими.

Теперь мы начинаем понимать, что k для Ио сравнительно с Землей выше, а значит спутник Юпитера обладает тонкой и хрупкой атмосферой, если она вообще есть. Поднимающаяся магма испытывает меньше давления, поэтому пузыри формируются быстрее, что приводит к фрагментации и… к взрывному извержению. В некотором смысле, если в лаве Ио есть какие-либо растворенные газы, извержение будет взрывным.

Если мы подумаем о разнице температур, Ио будет обладать гораздо большей ΔT, чем земное извержение, поскольку лава Ио извергается при более высоких температурах (близких к 1400 градусов Цельсия). Температура поверхности Ио ниже и составляет в среднем -130 градусов. Оба этих факторов приводят к высоким извержениям.

Что можно сказать о скорости извержения относительно массы на Ио? На Земле средний показатель составляет 100-1000 м³/с. Пиковый показатель извержения на Ио гораздо выше — 6000 – 18 000 м³/с. Даже по этому показателю извержение на Ио должно быть выше.

Сложите все эти факторы вместе, и станет понятно, почему извержения на Ио настолько огромны в пропорциях относительно земных.

Что же происходит на другом конце палки?

Извержения на Венере

В этом году на конференции, посвященной лунной и планетарной наукам, Шалыгин и другие представили свои изыскания по активным вулканам на Венере. Используя изображения миссии ESA Venus Express, ученые обнаружили «яркие» пятна на поверхности планеты в области Ganiki Chasma, которые были эфемерными — то появлялись, то исчезали с течением времени. Сегодня уже есть ряд потенциальных объяснений этим ярким пятнам, но все сводится к тому, что это активные вулканические потоки низких выбросов. Это наблюдение должно стать первым, посвященным активным вулканическим процессам на Венере, хотя предыдущие миссии показали, что большая часть поверхности Венеры геологически молодая: геологические процессы все еще продолжают создание планеты.

Теперь же, если мы подумаем о высоте вулканических извержений на Венере, мы можем предположить, что они будут крайне низкими. Температура поверхности Венеры — 460 градусов в среднем, что значительно выше, чем у Земли и Ио. Следовательно, ΔT будет ниже. Также можно предположить, что k будет меньше, поскольку атмосфера значительно плотнее и турбулентнее, нежели земная или ионианская.

Уровень выброса массы на Венере сложнее оценить, поскольку мы не видели никаких активно происходящих извержений (кроме косвенных доказательств из Ganiki Chasma). Мы можем предположить только на основе наблюдений за поверхностью Венеры, а также характеристик, которые говорят о том, что большая часть Венеры — базальтовая. Получается, подойдут земные аналоги.

Сложим все эти факторы и поймем, почему мы до сих пор не обнаружили реальных вулканических извержений в атмосфере Венеры, хотя она такая же по толщине, как земная. Высота выбросов венерианских извержений будет ниже, чем у земных аналогов, если допустить одинаковый уровень выброса массы. Поверхностные извержения на Венере будут во многом напоминать земные подводные извержения. Таким образом, у нас есть противоположный Ио вариант, в котором вместо высоких выбросов мы наблюдаем низкие.

Чем больше мы смотрим на Солнечную систему, тем больше форм вулканизма мы наблюдаем, будь то силикатные вулканы, как на Земле и Ио (и вероятно, на Венере и Марсе), или же криовулканы, которые мы наблюдаем на Энцеладе, Титане или Тритоне. Запомните, вулканизм происходит только там, где есть тепло внутри луны или планеты, а тепло — неизменный спутник жизни. Мы не можем утверждать, что они идут рука об руку, но допустить то, что теплые планеты вполне могут обзавестись жизнью, можем.