107366 (Некоторые обобщения по солнечной системе)

Некоторые обобщения по солнечной системе

Отцом среди своих планет

И за Землёй следя особо -

Распространяло Солнце свет...

Семён Кирсанов

Солнце и Луна и остальные светила... ... стали образовываться и увеличиваться благодаря прибавлению и вращению некоторых мелких природ, или ветряных, или огнеобразных...

Эпикур (III - IV века до н.э.)

Расстояния между планетами

Каждая последующая планета отстоит от Солнца в 1,4 - 2,0 раза дальше предыдущей (в среднем в 1,7 раза). Эта закономерность известна в качестве правила Боде, популяризовавшего идею Тициуса. Соотношение нарушается только для Юпитера, что послужило поводом для поиска планеты, вместо которой был открыт пояс астероидов. В это соотношение также не совсем укладывается Плутон, но по совокупности признаков он не является "полноценной" большой планетой. Правило Боде в какой-то степени применимо и к спутниковым системам планет (см. ниже).

Правило Боде вполне объяснимо, если учесть, что планеты образовались из единого газово-пылевого облака путём гравитационного слипания частиц. Для того, чтобы частицы "слиплись" они должны обладать небольшими относительными скоростями, то есть принадлежать определённой полосе, края которой не сильно отличаются по орбитальной скорости частиц. Чем дальше от Солнца, тем такая полоса шире.

Относительная масса планет

Масса образующейся планеты зависит от следующих показателей:

плотность газово-пылевого облака на данном расстоянии от Солнца (она зависит от изначальной плотности облака и от расстояния до Солнца: из ближайших окрестностей Солнца свет и солнечный ветер выдувают водород и гелий - основные компоненты первичного облака);

ширина полосы, в которой идёт объединение частиц с близкими скоростями, то есть от удалённости от Солнца (чем дальше, тем полоса шире);

наличие или отсутствие по соседству особенно массивной планеты (Юпитера), которая разрушает "зародыш" планеты резонансными явлениями и оттягивает на себя часть вещества.

В непосредственной близости от Солнца газово-пылевое облако было изначально густым, но водород и гелий были выдавлены отсюда светом и солнечным ветром, полоса близких скоростей была самой узкой, большой планеты не было, но могло быть торможение вещества от трения о солнечную атмосферу и выпадение его на Солнце; поэтому здесь возникла "полноценная" планета, но самая маленькая из них - Меркурий.

Следующая полоса отличается только большей шириной и меньшим тормозящим влиянием солнечной атмосферы. Здесь возникла значительно более массивная Венера.

Следующая полоса отличается от предыдущей, в основном, тоже только шириной, и здесь должна была бы возникнуть планета раза в полтора-два массивнее Венеры, но стабильность этого участка Солнечной системы уже в какой-то степени нарушалась близостью Юпитера. Поэтому Земля оказалась лишь чуть-чуть массивней Венеры. Кроме того, она столкнулась с каким-то достаточно массивным телом (вроде Марса), и на околоземную орбиту было выброшено вещество (земная мантия), из которого возникла Луна. Удалённость от Юпитера и Солнца позволила удержать Луну. Есть предположение, что Земля возникла в восстановительной среде; силикаты были здесь безводными, а железо и никель не окислены; но Юпитер "отшвырнул" сюда часть ледяных планетезималей из своих окрестностей, и Земля оказалась богата водой, имея два химических начала [Жарков, 1998].

Следующая полоса была ещё шире, но в её пределах слишком сильно сказывалась дестабилизирующая близость Юпитера. Некоторые из планетных "зародышей" сбились с круговой орбиты и были выброшены из этой полосы (либо поглотились Юпитером, либо столкнулись с Землёй). Поэтому здесь возникла сравнительно маленькая планета - Марс. Спутники Марса появились очень поздно. Это маленькие захваченные астероиды. В этом проявилась близость к поясу астероидов.

В следующей полосе из-за близости к Юпитеру большая планета так и не возникла. Планетные "зародыши", в основном, поглотились Юпитером, стали его спутниками или были отброшены в другие части планетной системы. Из остальных образовались астероиды, суммарная масса которых очень мала по сравнению с планетами. Предположительно в поясе астероидов преобладали гидросиликаты [Жарков, 1998].

Следующая полоса была ещё шире, но, главное, что на этом расстоянии от Солнца протопланетное облако долгое время было непрозрачным для света и солнечного ветра; сюда сдувались водород и гелий из окрестностей Солнца. Поэтому здесь возник самый массивный планетный "зародыш", который поглотил также часть вещества, "предназначавшегося" для астероидов, Марса и даже Земли. Так возник Юпитер - самая массивная планета и обладающая самой массивной и самой большой по диаметру спутниковой системой. Ни один "сосед" не мог оторвать его спутники (Марс и астероиды малы, а Сатурн далёк). В полосе Юпитера преобладали льды в широком смысле (вода, метан, аммиак) [Жарков, 1998].

Следующая полоса была шире предыдущей, но изначальное облако здесь было уже не столь густое, в результате чего возник Сатурн - вторая по величине планета и обладающая тоже большой спутниковой системой.

Для каждой последующей планеты (Уран, Нептун) полоса ещё шире, но резко уменьшается изначальная густота облака. Возникают две примерно одинаковые гигантские планеты, но значительно уступающие по размерам Юпитеру и Сатурну.

На ещё большем расстоянии от Солнца облако ещё более разреженное, и частицы не смогли собраться в единую планету. Возник второй пояс астероидов или же пояс, в котором планетообразование ещё не завершилось.

Спутники планет

Самый далёкий из известных планетных спутников удалён от планеты на 23,7 млн. км (Синопе в системе Юпитера). Плутон же удалён от Солнца на 5913,5 млн. км, то есть планетная система примерно в 250 раз больше самой большой спутниковой. Если же учитывать облако Оорта, то Солнечная система по диаметру в 750 000 раз больше системы Юпитера. Но и система Юпитера не мала - лишь в два-три раза меньше расстояния от Солнца до Меркурия и в 61 раз больше системы Земля-Луна.

Для самых близких к Солнцу планет спутники не характерны. Либо их нет вообще (Меркурий, Венера), либо их слишком мало для каких-либо обобщений (Земля, Марс), причём спутники эти очень разные по размеру и расстоянию от планеты. Дальше всего находится от Земли Луна - в среднем на 384 395 км, или на 30 земных и 110 лунных диаметров. Это самый большой по диаметру спутник планеты земной группы - 3476 км, или 0,27 диаметра планеты. Самыми маленькими и близкими спутниками обладает Марс: до Фобоса 9500 км (чуть больше диаметра планеты), до Деймоса - 23 500 км, если диаметр Фобоса 30 км, то Деймос в 2-3 раза меньше. Харон наиболее близок по размеру к "своей" планете: 0,5 диаметра Плутона (1190 км). От него до Плутона 8,5 диаметров этой планеты (19640 км).

Спутниковые системы открыты также у четырёх астероидов, причём они предельно малы по общему размеру и по размеру составляющих тел. Километровый Дактиль кружится в 100 км от 56-километровой Иды, относительно Диониса столь подробных сведений нет, а другие двойные астероиды, возможно, являются и вообще контактными.

Спутниковые системы планет-гигантов аналогичны Солнечной системе, если не считать того, что в их составе имеются тела, захваченные уже сформировавшимися. Однако, и в Солнечной системе на её периферии (во внешнем облаке Оорта) могут быть объекты, "отнятые" у других звёзд или самостоятельно вращавшиеся вокруг центра Нашей Галактики. Исконные спутники планет движутся против часовой стрелки (при взгляде с северного полюса Земли), а захваченные - по-разному; они маленькие и чёрные [Хартман, 1990]. В Солнечной системе кометные ядра внешнего облака Оорта тоже движутся в самых разных направлениях, что заметно при появлении комет из этой периферийной части Солнечной системы.

Выделяется несколько групп спутников:

ближайшая к планетам; для неё характерны маленький и реже средний размер тел, "кучность", соотношения Боде обычно не соблюдаются, но могут и соблюдаться (особенно в периферийной части этого пояса); некоторые тела этой группы кружатся внутри колец или являются "пастухами" колец, а некоторые - близки к пределу Роша, где крупный спутник должен быть разорван приливными силами планеты; возможно, некоторые из этих спутников защищены от разрыва своими малыми размерами или уже представляют собой обломки разорвавшихся небесных тел (особенно, когда на одной орбите несколько подобных тел); эти тела аналогичны планетам земной группы; возможно, эту группу нужно разделить на две:

внутренняя часть - нестабильные спутники в кольцах или вблизи них, обломки на одной и той же орбите и т.п. (Адрастея и Метида у Юпитера; Новая луна, Атлас, Пандора, Прометей, Янус и Эпиметей у Сатурна; 7 - 8 ближайших у Урана; Наяда, Таласса, Деспойна и Галатея у Нептуна);

наружная часть - истинные аналоги планет земной группы, которые удалены от колец и подчиняются правилу Боде (Амальтея и Феба у Юпитера; Мимас, Энцелад и некоторые другие у Сатурна; Пук у Урана; Ларисса и Протей у Нептуна);

вторая по удалённости группа; обычно это крупные или средние по относительному размеру тела, для которых довольно чётко соблюдается правило Боде; аналогична планетам-гигантам;

третья по удалённости группа; имеется или открыта не у всех планет-гигантов; маленькие по размеру тела, которые вращаются в стандартном направлении и иногда "кучно" (соотношение Боде не соблюдается); аналогична малым планетам второго пояса или кометным телам внутренней части облака Оорта;

группа самых далёких спутников; маленькие по размеру тела, которые могут вращаться противоположно вращению планеты, иногда орбиты бывают сближенными (у Юпитера); орбиты бывают вытянутыми; плоскость орбиты тяготеет не к экватору планеты, а к плоскости орбиты планеты; группа аналогична телам внешней части облака Оорта; впрочем, истинной аналогии с облаком Оорта может и не быть из-за относительной близости других больших планет, которые дестабилизируют внешние части спутниковых систем (звезда от звезды отстоит относительно дальше). Эту группу обычно рассматривают вместе с предыдущей [Сурдин, 1998в].

Периоды обращения планет вокруг своей оси

Ближайшие к Солнцу планеты (Меркурий, Венера), по-видимому, сильно приторможены приливными силами Солнца и совершают оборот вокруг оси за десятки или сотни земных суток.

Значительно быстрее вращаются Земля и Марс (24 и 24,5 часа). Земля в протерозое вращалась ещё быстрее (18 часов), но на 6 часов приторможена Луной.

Планеты-гиганты характеризуются особенно короткими сутками - от 10 до 16 часов, причём быстрее всего вращаются самые массивные из них.

Плутон делает оборот за 6 суток. Это соответствует времени обращения вокруг него Харона. Плутон всегда повёрнут к Харону одной стороной, так как остановлен его приливными силами (это самая двойная планета Солнечной системы).

Значит, имеются одновременно несколько тенденций:

чем дальше от Солнца планета, тем она быстрее вращается вокруг своей оси;

чем массивнее планета, тем она быстрее вращается (спутникам труднее её приостановить своими приливными силами?);

чем ближе и массивнее спутники планеты, тем она медленнее вращается.

Химические различия в составе планет, магнитные поля и внутреннее строение планет

Различия между планетами земной группы и планетами-гигантами возникли уже в самом начале развития планетной системы, когда в результате сгущения газово-пылевого облака заканчивался процесс образования Солнца [Садил, Пешек, 1967]. Температура Солнца в это время повысилась до миллиона градусов (сейчас - 14 млн.), и в его ядре пошли термоядерные реакции. Помимо инфракрасных лучей, Солнце стало излучать видимый свет, под действием которого в пока ещё едином протопланетном облаке произошли огромные изменения.

Это протопланетное облако на всём протяжении, кроме мелких пылевидных частиц, содержало также свободные атомы и молекулы. Особенно много было водорода, значительно меньше гелия, а тяжёлые элементы присутствовали в ничтожных количествах. Давление солнечных лучей вытеснило водород и гелий из ближайших окрестностей Солнца, как это сейчас происходит с частицами кометных хвостов. В результате этого протопланетное облако вблизи Солнца потеряло основную массу и в процентном отношении обогатилось более тяжёлыми элементами (Fe, Si, O и другие). Здесь возникли планеты земной группы - не очень массивные, зато плотные [Садил, Пешек, 1967].

Вдали от Солнца солнечные лучи поглощались первичной туманностью и не влияли на атомы и молекулы лёгких элементов. Поэтому планеты-гиганты оказались такими массивными и содержащими преимущественно водород и гелий [Садил, Пешек, 1967]. Кроме того, эти массивные планеты смогли удержать водород и гелий в условиях относительно низких температур. Если к Земле, например, добавить эти элементы до уравнения их концентрации с солнечной, то Земля окажется массой с Юпитер [Блэк, 1991].

На ещё больших расстояниях от Солнца в результате гравитационного "слипания" мелких частиц возникло кометное облако. В условиях крайне низких температур здесь могли существовать свободные радикалы вроде CH, CN, CO, OH и т.п. В кометных ядрах мелкие твёрдые пылинки соединены в одно целое замёрзшими газами, которые начинают испаряться, если комета приближается к Солнцу.

В планетах земной группы вскоре после их образования началось нагревание за счёт радиоактивного распада некоторых тяжёлых элементов (в основном, урана, тория и радиоактивного калия) и за счёт тепла, выделяющегося при соединении свободных радикалов. Недра планет расплавились, и тяжёлые элементы (прежде всего - железо) опускались вглубь, формируя железные ядра, а оксиды кремния и другие относительно лёгкие вещества всплывали на поверхность, формируя мантию, верхний переостывший слой которой образовал тонкую кору. Аналогичные процессы шли и в недрах планет-гигантов, но их изначальный состав был другим.