В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 68
Текст из файла (страница 68)
В настоящеевремя автор книги и В.П. Трубицын построили теорию фигуры пятого приближения. Это позволит в будущем при построении моделей использовать первыепять четных моментов J2 , J4 , J6 , J8 , J10 . Точность определения моментов J2и J4 Юпитера, достигнутая с помощью космических аппаратов «Пионер-10»и «Пионер-11», в настоящее время такова, что при построении моделей приходится использовать теорию фигуры четвертого приближения.10.3.Адиабатическая модельНиже перечислены пять основных аргументов в пользу того, что Юпитер является газожидким телом с адиабатическим распределением температуры внутри планеты.
Из этих аргументов вытекает также, что Юпитер находится в конвективном состоянии, т.е. вынос из него тепла осуществляется механизмом конвекции и он находится в состоянии, близком к гидростатически-равновесному.1. Если Юпитер образовался как горячее тело (трудно представить, чтобы такаяогромная планета не разогрелась при своем образовании), то за время своегосуществования tп ∼ 4.5⋅109 лет он не мог остыть, так как длина его остывания√(195)lост ∼ χ ⋅ tппорядка 5 ⋅ 102 км (χ ∼ 10−2 –10−3 см2 /с — коэффициент температуропроводности молекулярного водорода).3102. Поток тепла из недр планеты по данным широкополосных инфракрасных измерений, подтвержденных данными аппаратов «Пионер-10» и «Пионер-11»,оказался равным ∼ 104 эрг/(см2 ⋅ с) (соответственно для Сатурна∼ 3 ⋅ 103 эрг/(см2 ⋅ с)), что указывает на конвективное состояние глубокойнаружной зоны или всей планеты в целом, так как такой поток более чемна четыре порядка превышает максимальный вынос тепла за счет механизма молекулярной теплопроводности (т.е.
подсчитанный по формуле (47);так, для Юпитера и Сатурна имеем qЮ ≲ 0.2 эрг/(см2 ⋅ с), qС ∼0.1 эрг/(см2 ⋅ с)). Интересно отметить, что поток тепла из недр обеих планетпримерно ранен потоку тепла, который они получают от Солнца.3. Юпитер обладает собственным магнитным полем, формирующимся в еговнутренней металлической водородной оболочке (отстоящей от поверхностина две десятые радиуса планеты), которая опять-таки должна быть в конвективном состоянии.4. Рассматривая эволюцию спутниковых орбит Юпитера, Сатурна и Урана, американские астрофизики Голдрайх и Сотер оценили значения удельной диссипативной функции Q для этих планет (смысл функции Q разъясняетсяв §3.2). Оказалось, что QЮ ≳ 2.5 ⋅ 104 , QС ⩾ 1.4 ⋅ 104 , QУ ≳ 5 ⋅ 103 что на двапорядка больше, чем типичные значения для вещества в твердом состоянии,в частности для мантии Земли и планет земной группы.
Таким образом, этиоценки могут быть истолкованы как указание на жидкое состояние Юпитера,Сатурна и Урана.5. Измерения гравитационного поля Юпитера аппаратами «Пионер-10» и «Пионер-11» не обнаружили «следов» первого нечетного момента J3 с точностьюдо 10−6 в гравитационном потенциале планеты, что указывает на близостьЮпитера к гидростатически-равновесному состоянию.Разъясним теперь смысл утверждения «планеты-гиганты — газожидкиетела». Критическое давление и критическая температура водорода равны 13 атми 33 K.
При давлении и температуре выше критических не существует границы между газовой и жидкой фазами молекулярного водорода. Юпитер и Сатурнпочти сплошь состоят из водорода, а Уран и Нептун покрыты водородными оболочками толщиной примерно в две десятых радиуса планеты, причем во всехчетырех планетах водород находится в закритической области.
В результате помере погружения в глубь планеты газовая атмосфера уплотняется под давлениемлежащих выше слоев и непрерывно переходит в жидкое, сравнительно плотноесостояние, причем границы между газовой атмосферой и лежащей под ней жидкой планетой не существует. Далее, температура плавления водорода в условияхнедр Юпитера и Сатурна в несколько раз меньше адиабатических температурв этих планетах. Температура плавления воды — второй по значению компо311ненты планет-гигантов — вероятно, меньше, чем адиабатические температурыв большей части Урана и Нептуна. На основании этих аргументов и говорят, чтонедра всех планет-гигантов находятся в газожидком состоянии, исключая, бытьможет, их небольшие центральные области. Представление о газожидком состоянии планет-гигантов было разработано автором и В.П. Трубицыным в СССРи Хаббардом в США.10.4.Данные наблюденийДанные наблюдений, используемые при расчете моделей, сведены в табл.
27.Там же указаны некоторые дополнительные характеристики планет-гигантов.Атмосферы Юпитера и Сатурна находятся в состоянии дифференциального вращения, т.е. угловые скорости вращения различных широтных поясов не совпадают. Поэтому довольно трудно выбрать правильное значение периода вращенияпланеты τ . За период вращения Юпитера как планеты выбирают период вращения его магнитосферы, так как источники большого собственного магнитногополя расположены в металлической оболочке планеты, отстоящей от облачногослоя на 0.2 радиуса Юпитера. Этот период практически совпадает с периодом вращения среднеширотных и полярных областей облачного слоя планеты.Дифференциальное вращение атмосферы Сатурна заметно больше (до 10%).До пролета мимо Сатурна американской межпланетной станции «Вояджер-1»1период вращения его магнитосферы не был известен.
Однако теперь он известени, так же как и для Юпитера, дает значение периода вращения тела планеты.Период вращения Урана по данным разных групп наблюдателей попадаетв широкий интервал значений от 10.8 до 24 ч, наилучшая оценка 19.5 ± 1.2 ч.То же самое имеет место и для Нептуна — от 11 до 22 ч, наилучшая оценка —17–18 ч.При построении адиабатических моделей планет-гигантов важное значениеимеет выбор граничного давления p1 и температуры T1 , которые связаны междусобой законом адиабаты. Удобно в качестве граничной выбрать поверхность, накоторой p1 = 1 бар.
Тогда значение T1 определяют по моделям атмосфер планет.При p1 = 1 бар T1 для Юпитера равно 170 ± 20 K, для Сатурна 135 ± 15 K, для1 Запущена5 сентября 1977 г. с мыса Канаверал (шт. Флорида, США). В марте 1979 г. станцияпрошла мимо Юпитера, произведя исследования планеты и ее спутников, — были открыты мощные действующие вулканы на галиллеевом спутнике Ио, находящемся на расстоянии 422 тыс. кмот планеты. В ноябре 1980 г. автоматическая станция прошла мимо системы Сатурна и передалауникальную информацию о планете, ее кольцах и спутниках. Двойник «Вояджера-1» «Вояджер-2»прошел мимо Юпитера в июле 1979 г. и мимо Сатурна в августе 1981 г. В январе 1986 г.
станциядолжна пролететь мимо Урана и передать фотографии планеты на Землю.312313м/с259.55.216Вторая космическая скоростьна экваторе, км/сСреднее расстояние от Солнца, а. е.Число спутников22.91.334 ± 0.006Средняя плотность ρ̄ , г/см3Ускорение силы тяжести на экваторе,0.065 ± 0.00050.083m(192)Динамическое сжатие α9.9249τ , часы179.5435.69.10.69 ± 0.010.096 ± 0.00150.13910.657519.221.27.81.26 ± 0.070.0230.03610.8–24; 15.5(−29 ± 13) ⋅ 10−6(−937 ± 38) ⋅ 10−6(−587 ± 7) ⋅ 10−624 700 ± 300230.123.6111.67 ± 0.10.0330.02111–20; 18−55 ⋅ 10−6?(41 ± 4) ⋅ 10−417.23(±0.08)14.58(±0.1)26 145 ± 300J460 00095.147(3352 ± 5) ⋅ 10−671 398Экваториальный радиус a, км0.103Нептун0.0872Уран(14 733 ± 4) ⋅ 10−6 (16 479 ± 18) ⋅ 10−6318.05Масса (Земля-1)0.569СатурнJ21.902ЮпитерМасса M, 1030 гПараметрДанные наблюдений для планет группы ЮпитераТаблица 27Урана и Нептуна эту температуру полагают ∼ 75–80 K и 70–75 K соответственно.По тем оценкам, которые приведены выше, следует, что граничная поверхностьс p1 , T1 расположена во всех четырех планетах глубже облачных слоев, так как,согласно наблюдениям, температуры облачного слоя планет-гигантов меньше,чем T1 .10.5.Распространенность элементов и группыкосмохимических веществПервая современная сводка космической распространенности химическихэлементов сыграла важную роль в создании водородной концепции строенияЮпитера и Сатурна.
Еще большую роль данные о распространенности элементов и предполагаемом химическом составе протопланетного облака будут игратьв ближайшие годы при построении детальных моделей планет-гигантов. Наоборот, построение моделей планет-гигантов позволяет получить интегральныесоотношения между различными наиболее обильными элементами, которые характеризуют как иротопланетное облако, так и протосолнце. Фундаментальныесводки распространенности химических элементов были опубликованы американскими геохимиками Зюссом и Юри (1956 г.) и астрофизиком Аллером(1961 г.). В последнее время опубликовано несколько сводок распространенности элементов. Например, сводка американского геохимика Льюиса (1972 г.)имеет вид: Н (2.8 ⋅ 104 , Не (1.8 ⋅ 103 ), О (16.6), С (10.0), N (2.4), Ne (2.1),Si (1.00), Mg (0.85), Fe (0.80), S (0.46), Ar (0.15), Al (0.07), Ca (0.06), Na (0.043),Ni (0.05), .
. . . Число в скобках за символом химического элемента указывает,сколько атомов данного элемента приходится на один атом кремний. Если бы были точно известны обилие гелия в Солнце и отношение H/He по числу частиц, тоэти данные можно было бы использовать при расчете моделей планет-гигантов.К сожалению, отношение H/He ∼ 12–20 все еще недостаточно надежно, хотя большинство исследователей принимают такие значения средней массовойконцентрации водорода (X ) и гелия (Y ): X ∼ 70–80%, Y ∼ 30–20%.По современным представлениям в протопланетном облаке на расстоянияхпланет-гигантов температуры (после остывания облака), вероятно, не превышают 150 K, а газовое давление 10−5 –10−7 атм в зоне Юпитера и Сатурнаи 10−7 –10−9 в зоне Урана и Нептуна.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
