Загадки Меркурия и Венеры

Пятая сила

Меркурий - ближайшая к Солнцу планета, а потому влияние солнечных приливов должно проявляться в его движении наиболее заметно. Расчеты показывают, что солнечные приливы способны в несколько раз замедлить вращение Меркурия за время около 1 миллиард лет. Действительно, суточное вращение Меркурия происходит очень медленно: планета совершает оборот вокруг своей оси (звездные сутки) за 58,646 суток, тогда как вокруг Солнца она обходит за 87,969 суток. Это означает, что за время трех оборотов вокруг своей оси Меркурий дважды обходит вокруг Солнца - такое движение называют резонансным в отношении 3:2.

На первый взгляд не ясно, почему приливные силы не синхронизовали суточное и орбитальное вращение планеты в отношении 1:1, как в случае Луны. Основываясь на оптических наблюдениях, проделанных Дж.Скиапарелли и другими, астрономы почти целое столетие заблуждались, полагая, что Меркурий вращается, обратив к Солнцу одно из своих полушарий (как Луна к Земле). Однако проведенная в 1965 году радиолокация Меркурия показала, что период его вращения в 1,5 раза короче меркурианского года. Любопытно, что астрономы-оптики, пересмотрев вслед за этим свои прежние наблюдения, также сделали вывод о 59-суточном периоде вращения Меркурия.

Итак, вопрос не в том, почему Меркурий вращается медленно, а в том, почему его орбитальное и суточное вращения находятся в резонансе 3:2, а не 1:1?

Оказывается, все дело в том, что орбита Меркурия имеет сравнительно большой эксцентриситет e=0,206. В перигелии Меркурий приближается к Солнцу на 0,307 астрономической единицы, а в афелии удаляется на 0,467 астрономической единицы. Это на первый взгляд небольшое различие в расстоянии приводит к существенным вариациям напряженности приливного поля: в районе перигелия солнечные приливы на поверхности планеты в 3,5 раза сильнее, чем в афелии. Поэтому можно считать, что приливное поле как бы включается только в тот период, когда планета проходит через область перигелия орбиты, а в остальное время приливы практически отсутствуют. Следовательно, именно в перигелии приливы синхронизуют орбитальное и суточное вращение планеты и стремятся выровнять их угловые скорости.

Согласно второму закону Кеплера, скорость орбитального вращения планеты максимальна в перигелии и минимальна в афелии. Воспользовавшись формулами эллиптического движения, легко рассчитать, что в той окрестности перигелия орбиты Меркурия, где приливные силы еще имеют заметную напряженность, угловая орбитальная скорость примерно в 1,5 раза превосходит свое среднее значение. Вот в чем причина странного резонанса 3:2 - именно в окрестности перигелия суточное вращение Меркурия подстраивается под орбитальное, которое происходит здесь быстрее, чем в других частях орбиты.

Возможно также, что в поддержании точного резонанса в движении играет роль и распределение массы внутри Меркурия. Если планета имеет немного вытянутую форму, то в приливном поле Солнца она будет стремиться сориентировать свою большую ось вдоль направления на Солнце. Очевидно, что постоянно поддерживать такую ориентацию планета не может: суточное вращение происходит с постоянной скоростью, а орбитальная скорость периодически меняется. Значит, синхронизация будет происходить в области наибольшей напряженности приливного поля - в окрестностях перигелия. При этом за время одного орбитального периода планета должна совершить целое число суточных полуоборотов (именно полуоборотов, поскольку в приливном поле обе ориентации вытянутой планеты, различающиеся на 180 градусов, будут одинаково устойчивыми). Из всех возможных вариантов - 1/2, 1, 3/2 оборота и так далее - лишь при 3/2 оборота за орбитальный период у планеты в перигелии будет не только синхронизовано положение большой оси с направлением на Солнце, но наименьшим станет различие между угловыми скоростями орбитального и суточного вращений. Это приведет к минимальному приливному трению и, следовательно, к устойчивости данного состояния.

Движение Меркурия любопытным образом связано с движением Земли. С точки зрения земного наблюдателя, Меркурий совершает один оборот вокруг Солнца за 115,85 суток - это так называемый синодический период. За это время Меркурий успевает сделать почти точно 2 оборота вокруг своей оси. Правда, отсюда вовсе не следует, что в каждом нижнем соединении с Землей (то есть когда при наибольшем сближении обе планеты и Солнце расположены на одной прямой) Меркурий обращен к нашей планете одной своей стороной (к сожалению, это странное заблуждение встречается не только в научно-популярной литературе, но и в некоторых учебниках). Действительно, в нижнем соединении направление от Меркурия к Земле фиксирует линия "Солнце-Земля", которая поворачивается с угловой скоростью движения Земли по орбите (w=1/365,26 суток). Таким образом, один оборот относительно этого направления поверхность Меркурия совершает за 1/(v-w)=69,863 суток, где v=1/58,646 суток. Этот период не кратен синодическому году Меркурия (115,85/69,863=1,6582), хотя, с точностью до сотых долей выполняется резонанс 3:5.

Возможно, это и послужило причиной ошибки Дж.Скиапарелли. Ведь наблюдать Меркурий можно лишь в течение одного сравнительно короткого периода в году - в летние месяцы, когда после захода Солнца планета видна сравнительно высоко над горизонтом. В течение земного года Меркурий успевает сделать почти точно 3 оборота вокруг Солнца и 5 раз повернуться вокруг оси (все это относительно движущейся по орбите Земли). Скиапарелли провел первые наблюдения Меркурия в 1881 году и повторил их ровно через год. Разумеется, никаких изменений во внешнем виде планеты он не заметил и решил, что она всегда ориентирована одной стороной к Солнцу.

Теперь обратимся к Венере. Ее орбитальный период составляет 224,7 суток, ему соответствует синодический год 583,9 суток. Суточное же вращение Венеры происходит в обратном направлении с периодом 243,0 суток. Учитывая тот факт, что направление суточного вращения обратное, нетрудно вычислить период вращения поверхности Венеры относительно линии "Солнце-Земля": 1/(v+w)=145,9 суток, где v=1/243 и w=1/365,26. Таким образом, за время между двумя последовательными нижними соединениями Венеры с Землей поверхность Венеры успевает сделать почти 584/146=4 оборота относительно направления на Землю. Таким образом, в отличие от Меркурия, Венера каждый раз в нижнем соединении обращена к нашей планете одной и той же стороной своей поверхности.

Приливное влияние Земли на Венеру даже при их наибольшем сближении в 20 тысяч раз слабее солнечного. Почему же Венера не синхронизовала свое вращение с движением вокруг Солнца, а предпочла синхронизацию только с Землей? Кроме того, почему Венера вращается в обратном направлении?

Расчеты показали, что солнечные приливы могли заметно затормозить вращение Венеры. Возможно также, что медленное обратное вращение планеты вызвано взаимодействием солнечного притяжения с горбом термического прилива в мощной атмосфере Венеры. А вот анализ взаимодействия Венеры с Землей пока нельзя считать законченным. В принципе, если бы фигура Венеры была достаточно асимметричной, то приливное влияние Земли могло бы синхронизовать ее современное вращение.

У слабого приливного поля Земли по сравнению с солнечным то преимущество, что в период нижнего соединения планет угловая скорость перемещения Венеры относительно Земли совпадает с относительной скоростью ее суточного вращения. Иначе говоря, Венера на подходе к соединению и некоторое время после него "смотрит" на Землю одним боком. В то же время относительно Солнца Венера вращается довольно быстро (солнечные сутки на ней длятся 117 суток), поэтому влияние солнечных приливов на постоянные (не приливные) горбы Венеры усредняется и на больших интервалах времени может быть слабее земных приливов.

Окончательно этот вопрос пока не решен - необходимы экспериментальные исследования внутреннего строения Венеры и детальные численные расчеты.

Владимир Георгиевич Сурдин, 2002 год