СПУТНИКИ МАРСА

  История открытия и названия
  Основные параметры спутников Марса
  Орбитальные элементы
  Основные возмущения в движении и резонансы
  Теории движения
  Размеры и форма
  Масса и гравитационное поле
  Параметры вращения
  Светоотражательные свойства поверхности
  Изображения и картография
  Физический и химический состав
  Атмосфера
  Вулканическая активность

История открытия и названия

В 1726 г. Джонатан Свифт в книге "Путешествия Лемюэля Гулливера" в главе "Задача, решенная современной философией и астрономией" пишет:
"Кроме того, они (лапутяне) открыли две маленькие звезды или два спутника, обращающихся около Марса, из которых ближайший к Марсу удален от центра этой планеты на расстояние, равное трем его диаметрам, а более отдаленный находится от нее на расстоянии пяти таких же диаметров. Первый совершает свое обращение в течение десяти часов, а второй в течение двадцати одного с половиной часа, так как квадраты времен их обращения почти пропорциональны кубам их расстояний от центра Марса, каковое обстоятельство с очевидностью показывает, что означенные спутники управляются тем же самым законом тяготения, которому подчинены другие небесные тела."

В 1877 г. в год великого противостояния Марса американский астроном, иностранный член-корреспондент Петербургской АН Асаф Холл (1829-1907) на 26-дюймовом рефракторе Морской обсерватории открыл два спутника Марса.

Английская школьница предложила Холлу названия для новых небесных тел - имена детей Марса - Фобос и Деймос.  В античных мифах бога войны Марса всегда сопровождали его дети - Страх и Ужас, по-гречески Фобос и Деймос, сыновья Афродиты, братья Гармонии.

Основные параметры спутников Марса

Орбитальные данные
Орбитальные данные получены на основе всех имевшихся космических и наземных наблюдений спутников со дня их открытия (Емельянов Н.В. и др., 1993) [3]

Здесь
а,е и i - большая полуось, эксцентриситет и наклон (в радианах) орбит спутников к экватору Марса ,
l,g,h - угловые элементы орбиты, аналогичные средней аномалии, угловому расстоянию перицентра от восходящего узла, долготе узла орбиты,
λ = l + g + h - долгота спутника,
n₀  - невозмущенное среднее движение промежуточной орбиты
n - невозмущенное среднее аномалистическое движение спутника.

Фобос обращается вокруг Марса на расстоянии 9400 км от центра планеты, причем скорость его обращения столь велика, что один оборот он совершает за треть марсианских суток (7 час. 39 мин), обгоняя суточное вращение планеты. За сутки Фобос успевает совершить три полных оборота и еще пройти дугу в 78 градусов. Из-за этого Фобос восходит на западе и опускается за горизонт на востоке. Деймос ведет себя более привычно для нас. Его удаление от центра планеты составляет более 23 тыс. км, и на один оборот у него уходит почти на сутки больше, чем у Фобоса.
    Сильное приливное трение, возникающее вследствие близкого расположения Фобоса к Марсу, уменьшает энергию его движения, и спутник медленно приближается к поверхности планеты, чтобы в конце концов упасть на нее, если к тому времени гравитационное поле Марса не разорвет его на куски (гравитация планеты разорвет этот спутник на части через 50 миллионов лет или через 100 - он упадет на планету)

Основные возмущения в движении спутников и резонансы

Основными возмущающими факторами в движении спутников являются [6]:
- нецентральность гравитационного поля Марса (для Фобоса влияние сжатия Марса имеет порядок 6 x 10^-4 от центрального притяжения, для Деймоса 10^-4);
- притяжение Солнца (для Фобоса 4x10^-7, для Деймоса 7x10^-7);
- взаимные возмущения спутников (влияние Фобоса на Деймос составляет 2x10^-8, Деймоса на Фобос 3x10^-9),
- влияние приливов Марса, вызванных притяжением Солнца.

Возможный захват Фобоса в резонанс в будущем может произойти при a ≈ 2.619 R_M. При этом наклон орбиты Фобоса может достичь очень большой величины. Сравнение с классическим захватом в резонанс средних движений показало интересные отличия в этой проблеме. Важную роль при этом играет учет эксцентриситета орбиты Марса [5].

Амплитуда вынужденной либрации Фобоса составляет (1.1±0.2) град, а приливной фактор Марса Q = 76.6±0.2 [11].

Теории движения

Вашковьяк С.Н., 1969 (на основе промежуточной орбиты задачи двух неподвижных центров с учетом возмущений от сжатия Марса, от Солнца и взаимного влияния спутников);
Синклер (1972, 1989) (учет долгопериодических солнечных возмущений и тессеральных гармоник от гравитационного потенциала Марса);
Емельянов Н.В., Насонова Л.П. (1989) (теория Фобоса  с учетом нецентральности гравитационного поля Марса, притяжения Солнца и Деймоса, приливов Марса, вызванных притяжением Солнца);
Кудрявцев С.М. и др. (1989) (учет возмущений от нецентральности гравитационного поля Марса и от Солнца до второго порядка относительно сжатия и учет векового ускорения Фобоса);
Шапрон-Тузе (1988, 1990) (полуаналитические теории движения Фобоса и Деймоса)
Шор В.А. (1988)

Полуаналитические теории ESAPHO для Фобоса и ESADE для Деймоса (Chapront-Touze M., 1990) основаны на большой коллекции наблюдений, включая наземные наблюдения, а также с космических аппаратов Маринер 9, Викинг 1 и 2, Фобос 2. Стандартные ошибки эфемерид Фобоса от 2 до 4 км на интервале времени 1989-2000. Для Деймоса они выше и составляют от 7 до 10 км.

Вековое ускорение Фобоса составляет (0.9518 ± 0.0063)×10^-8 град/сут², это значение согласуется с величиной, ранее определенной другими авторами. Вековое ускорение Деймоса равно (-0.377 ± 0.047)×10^-9 град/сут².

Размеры и форма

Изучение спутников Марса в течение более тридцати лет космическими аппаратами и с помощью наземных наблюдений показало два совершенно разных объекта, причем каждый из них представляет собой совершенно уникальный ансамбль особенностей поверхности, отличающийся от других малых тел солнечной системы. Поверхность спутников

Масса и гравитационное поле спутников

Масса Фобоса впервые была определена при пролете КА Viking 1, а масса Деймоса - при пролете Viking 2 в 1977 г. Последние определения массы Фобоса с помощью КА Viking Orbiter (Konopliv, 2006) приведены в таблице и совпадают со значениями масс, определенных ранее КА Фобос (Колюка и др., 1990) и Berthias, 1990. Первоначальное определение массы Деймоса (Yuan et al., 2001) показало завышенную величину из-за неучета негравитационных сил. Более точное значение массы получено с помощью КА Viking Orbiter (Konopliv, 2006).  

Гравитационное поле Фобоса

  Параметры вращения

     Оба спутника испытывают сильное приливное воздействие со стороны Марса, поэтому они всегда повернуты к нему одной стороной. Рекомендуемые величины для направления на северный полюс вращения и первый меридиан спутников Марса ( 1994, IAUWG )¹/.
     Прямое восхождение и склонение являются геоэкваториальными координатами северного полюса планеты или спутника, отнесенными к геоэкватору эпохи J2000 (1.5 января 2000 г., JD=2451545.0 TDB). Угол W указывает положение первого планетографического меридиана, т.е. это угол, отсчитываемый вдоль экватора планеты или спутника (в восточном направлении для северного полушария) от узла - точки пересечения геоэкватора эпохи J2000 с экватором планеты или спутника до точки пересечения первого меридиана с экватором планеты или спутника. Так как угол W линейно изменяется со временем вследствие вращения планеты или спутника, то увеличение угла W со временем означает прямое вращение планеты или спутника, уменьшение W соответствует обратному движению. Т - интервал в юлианских столетиях (по 36525 дней) от эпохи J2000, d - интервал в сутках от эпохи J2000.  

Светоотражательные свойства поверхности

В инфракрасной области  (1-13 μm) величина Деймоса в L, M и узкой полосе N (10.2 μm) составляет 7.7 ± 0.1, 4.9 ± 0.1 и 0.79 ± 0.09 соответственно.

Величина Фобоса в L, M и узкой полосе N (10.2 μm) составляет 6.4, 3.8, and -0.52соответственно, все ±0.07.

Цветовая температура Деймоса и Фобоса на длине волны 5-12 μm была 344 ± 5 и 357 ± 5 K соответственно, что значительно выше, чем тепловая температура равновесия черного тела и быстрого ротатора на гелиоцентрическом расстоянии Марса (237 K) или быстрого ротатора (282 K). The high brightness temperatures of Deimos and Phobos in the thermal infrared of 310-330 and 320-340 K, respectively, are not understood, but they are somewhat consistent with the high color temperatures.

Физический и химический состав

Самая примечательная деталь на Фобосе - огромный кратер Стикни (Stickney), названый так по девичьей фамилии жены Хейла, открывшего Фобос. Размеры кратера сравнимы с размерами самого спутника. Образовавший Стикни удар был такой силы, что почти разломил Фобос. Это же событие, вероятно, вызвало образование системы загадочных параллельных борозд возле кратера Стикни. Они прослеживаются на расстояниях до 30 км в длину и имеют ширину 100-200 м при глубине 10-20 м.

Ряды углублений и вмятин на поверхности Фобоса, очевидно, являются последствием столкновений с метеорами. Загадочная особенность поверхности Фобоса - ясно видимые на фотографии борозды. Возможно, они связаны с глубинными трещинами ударного происхождения. Инфракрасные измерения, выполненные советским "Фобосом-2", показали, что на поверхности этого марсианского спутника находится раздробленный материал (реголит), похожий на лунный, но, по-видимому, с частицами несколько большего размера. Подозревается существование тороидального пылевого облака (кольца?) на его орбите. Не исключено, что вещество Фобоса первично, т.е. сохранилось со времени формирования Солнечной системы.
Последние наблюдения Фобоса подтвердили, что вся его поверхность покрыта метровым слоем мельчайшего песка. Это доказали инфракрасные снимки Фобоса, на которых показано, что поверхность спутника очень быстро остывает после захода Солнца. Кроме того поверхность Фобоса очень темная, этот спутник является самым темным из планетных спутников в Солнечной системе. Повидимому, Фобос - это астероид, состоящий из смеси льда и темных богатых углеродом скальных пород С-типа.

На Деймосе толстый слой пыли покрывает абсолютно всю поверхность спутника. Этот слой, будто одеяло, сгладил большие кратеры, полностью засыпал мелкие. А над ним возвышаются стометровые каменные глыбы.

Плотности спутников столь низки, что они не могут состоять целиком из скальных пород, а скорее являются смесью скал и льда.

 Советский космический аппарат Фобос-2 зафиксировал небольшие, но стабильные выбросы газа с Фобоса. К сожалению, Фобос-2 погиб до того, как смог определить состав выбрасываемого материала; вероятнее всего это была вода.

Литература:

1. Lambeck, K. On the orbital evolution of the Martian satellites. Journal of Geophysical Research, vol. 84, Sept. 10, 1979, p. 5651-5658.
2. Chapront-Touze, M. Orbits of the Martian satellites from ESAPHO and ESADE theories. Astron. Astrophys. 240, 159-172, 1990.
3. Emelyanov, N. V.; Vashkovyak, S. N.; Nasonova, L. P. The dynamics of Martian satellites from observations. 1993. Astronomy and Astrophysics, vol. 267, no. 2, p. 634-642.
4. Titarenko, E. Y.; Avdyushev, V. A.; Bordovitsyna, T. V. Numerical Simulation of the Motion of Martian Satellites.  Dynamics of Natural and Artificial Celestial Bodies. Proceedings of the US/European Celestial Mechanics Workshop, held in Poznan, Poland, 3-7 July 2000. Edited by Halina Pretka-Ziomek, Edwin Wnuk, P. Kenneth Seidelmann, and David Richardson. Partly reprinted from Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, Vol. 81, Nos. 1-2, 2001. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, p.225-226
5. Yokoyama, T.; Mana, M. R.; do Nascimento, C.; Santos, M. T.; Callegari, N., Jr. On the dynamics of some resonances of Phobos in the future. Astronomy and Astrophysics, v.429, p.731-738 (2005)
6. Вашковьяк С.Н. Система Марса. Сб. Динамика спутников планет. Итоги науки и техники. т. 35, стр. 4-26.
7. Вашковьяк С.Н. Сообщения ГАИШ, 1971, № 160, с. 3.
8. Емельянов Н.В., Вашковьяк С.Н., Насонова Л.П. Результаты определения динамических и кинематических параметров системы спутников Марса из наблюдений. Астрон. ж., 1992, т. 69, вып. 4, стр. 863-872.
9. P.K.Seidelmann (chair), V.K.Abalakin et al. Report of the IAU / IAG Workihg Group on cartographic coordinates and rotational elements of the planets and satellites: 2000. Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, 2002, 82(1), p. 83-111.
10. Konopliv, A. S.; Yoder, C. F.; Standish, E. M.; Yuan, D-N.; Sjogren, W. L. A global solution for the Mars static and seasonal gravity, Mars orientation, Phobos and Deimos masses, and Mars ephemeris. 2006. Icarus, Volume 182, Issue 1, p. 23-50.