Поверхность планет и спутников, лишенных атмосферы, претерпевает большие колебания температуры на протяжении солнечных суток. Насколько глубоко под поверхностью сохраняются эти колебания? И есть ли, например, на Марсе, глубина с постоянной температурой (и какой)?

Краткий ответ: Наверняка мы знаем ответ только в отношении Луны — там уже на глубине 130 сантиметров стабильные примерно -20 градусов Цельсия (на широте 20 градусов). Для других небесных тел мы можем уверенно сказать, что на глубине считанных метров от поверхности температура стабильна и примерно определяется удаленностью планеты от своей звезды. Однако точные значения как глубины, так и температуры нам пока неизвестны.

Полный ответ: Говоря о температуре какого-либо небесного тела, всегда нужно уточнять — о какой именно температуре речь. Чаще всего подразумевается поверхностная температура. Но с планетологической точки зрения едва ли не наибольшую ценность имеет равновесная температура планеты (Planetary equilibrium temperature, T_eq). То есть такая, при которой количество получаемого от звезды тепла равно переизлучаемому планетой в окружающее пространство.

Все планеты Солнечной системы получают от Солнца объем энергии, прямо пропорциональный их размеру, но обратно пропорциональный их альбедо (отражающей способности) и расстоянию от звезды. Последний фактор на самом деле наиболее весомый. Так что чем дальше планета от Солнца, тем ниже ее равновесная температура. Для давно сформировавшихся каменистых небесных тел фактическая температура их внешних слоев — которые, непосредственно и выполняют переизлучение тепла в космос, — всегда будет очень близка к T_eq.

Отличия возможны, если существуют какие-то дополнительные источники тепла или его изоляторы. Например, плотная атмосфера ограничивает испускаемое планетой тепловое излучение за счет парникового эффекта (Венера тут хороший пример). А приливные взаимодействия с другим близко расположенным телом способны разогревать недра планеты на всем диапазоне глубин — например, как в случае с близко обращающимися массивными спутниками планет гигантов. Наконец, активный вулканизм, тектонические явления и геотермальные процессы тоже способствуют более активному переносу тепла из недр в поверхностные слои планеты.

Таким образом, если на интересующем нас небесном теле нет этих четырех явлений — плотной атмосферы, тектоники, вулканизма и геотермальных проявлений, — то температура его пород вблизи поверхности близка к равновесной температуре планеты. Остается только один нюанс, кажущееся противоречие: температура непосредственной поверхности небесного тела может быть гораздо выше (днем) или ниже (ночью), чем T_eq для этого тела.

В общем и целом тут работает ровно тот же принцип, что и для системы звезда-планета, только на меньших масштабах. Чем горячее реголит , тем больше тепла он излучает в космос и передает подлежащим породам. Чем он холоднее, тем меньше излучает, но при этом и накапливает больше тепла, переданного подлежащими породами. На какой-то глубине это взаимодействие становится равновесным. А вот на какой — вопрос отдельный для каждого небесного тела. Поскольку ответ на него зависит от свойств реголита и расположенных ниже пород.

На Луне измерения теплового потока на глубинах 100-230 сантиметров проводились в рамках программы «Аполлон»: на Селене температуры стабильны уже начиная с глубины в метр и держатся на уровне от -17 до -23 градусов Цельсия (255-250 кельвинов) в зависимости от широты, глубины бурения и характеристик грунта. Получается, лунный реголит — отличный теплоизолятор, потому что T_eq для одной астрономической единицы удаления от Солнца как раз примерно и равна -17 градусам Цельсия.

Что насчет Марса — мы не знаем. Зонд InSight как раз должен был уточнить тепловой поток из недр Красной планеты, но соответствующий прибор не смог заглубиться. Равновесная температура для Марса — около -63 °C, что не внушает оптимизма с точки зрения строительства возможных теплых (согреваемых собственных теплом планеты) бункеров для будущих колоний.

Учитывая все вышесказанное, становится понятно, почему равновесная температура столь важна в планетологии. Если температура поверхностных пород небесного тела заметно отличается от T_eq, значит существует какая-то причина для теплового потока.

И последняя ремарка: все вышеописанное — сильное упрощение. В реальности на температуру разных слоев пород оказывает влияние множество факторов. И точно ее предсказать нельзя без комплексного изучения конкретного небесного тела, с прямыми замерами температур на разных глубинах в разное время суток или даже года. Взять вроде бы хорошо исследованную Землю: до сих пор в большинстве регионов планеты глубину промерзания грунта указывают в нормативах оценочно и с большим запасом, а не фактически (где эта характеристика актуальна, естественно).