В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 70
Текст из файла (страница 70)
Так, в типичных моделях I типадля обеих планет, показанных на рис. 92 и 93, T1 = 140 K, a X = 0.68 (в оболочке). В этой модели ядра Юпитера и Сатурна состоят из ТКЛ II. Полная массоваяконцентрация ТКЛ-вещества в планете обозначена ZТКЛ .Модели I типа соответствуют схеме образования планеты, по которой вначале образуется ядро из конденсата, а затем происходит аккреция газа на об318p, барpT, 103 Kg, м/c21 40ρ, г/см3106ρ1qg1043010−20.520T10010210−4q00.20.40.6β0.81Рис. 92. Модель Юпитера: ρ — плотность, p — давление, T — температура, g — гравитационное ускорение, q — относительная масса, заключенная в сфере радиуса β , какфункции относительного радиуса βp, барρ, г/см3102pq106T, 103 Kg, м/с2ρg301104q10−20.520102100010−4T0.20.40.60.8 β1Рис. 93. Модель Сатурна.
См. подпись к рис. 92319разованное таким образом ядро. Ясно, что это предельная идеализированнаясхема, поэтому истинная модель планеты должна быть промежуточной между моделью I и II типов. Для Сатурна модель I типа с T1 = 90 K являетсяпредельной, так как в такой модели концентрация гелия Y = 0, что неприемлемо с позиций космохимии. Для Юпитера модель I типа с T1 = 250 K такжеявляется предельной, так как при этой граничной температуре T1 у планетыпропадает ядро из ТКЛ-вещества и при бо́льших T1 для сохранения условияполной массы в модель пришлось бы ввести разуплотнение вещества в центре, что физически бессмысленно.
Это единственная модель Юпитера, котораяимеет среднесолнечный состав. Во всех остальных моделях планета обогащенаТКЛ-компонентой по сравнению со среднесолнечной пропорцией элементов.В общем исследование моделей Юпитера и Сатурна показывает, что обепланеты должны обладать ядрами из ТКЛ-вещества. По массе ядро Юпитера составляет 3–4%, а ядро Сатурна 26–28% от полной массы. Величина ZТКЛ ,приведенная в табл. 29, позволяет оценить минимальные массы вещества протопланетного облака в зонах образования этих планет. Масса всего вещества в зоне0 ), где Z 0по отношению к массе планеты M3 /M = (ZТКЛ /ZТКЛТКЛ ∼ (0.012–0.018) —предполагаемое обилие ТКЛ-компоненты в протопланетном облаке, равное солнечному обилию. Тогда масса потерянного из зоны вещества равна ΔM/M =(MЗ /M) − 1.
Эта величина для различных моделей приведена в последнемстолбце табл. 29. По этим оценкам масса газа, диссипировавшего из зоныЮпитера, заметно различается для изученных моделей. Для Юпитера грубойоценкой будет (ΔM/M)Ю ∼ 5–10. Для Сатурна эта величина заключена между∼ 15 и ∼ 24 планетными массами для моделей с ядрами из ТКЛ I – ТКЛ III,(ΔM/M)С ∼ 15–24.Тот факт, что обе планеты находятся в конвективном состоянии, т.е.
являются адиабатическими, позволил надежно рассчитать распределение температурыв Юпитере и Сатурне (см. рис. 92 и 93) из условия постоянства энтропии в ихнедрах1 . Мы уже отмечали выше, что переход в металлическую фазу молекулярного водорода происходит при p ∼ 3 Мбар. В модели Юпитера, показанной нарис. 92, это соответствует значению относительного радиуса β = r/R (R — средний радиус планеты), равному βм = 0.765. Металлическая оболочка в Юпитерепростирается до границы с ТКЛ-ядром при βя = 0.15. На этом уровне давлениеравно 42.3 Мбар, в центре планеты p0 = 78 Мбар.1 Энтропия — это термодинамическая величина, остающаяся постоянной при адиабатическомпроцессе, когда не происходит обмена теплом между различными элементами среды.
Она неимеет столь наглядного смысла, как температура или давление, являясь в то же время не менееважной термодинамической переменной.320Таблица 29Химический состав Юпитера и СатурнаПланетаT1 , KТипмоделейЮпитер140IIIIIIIIII250Сатурн140901Z1Обилие в оболочке1XYZ20.680.3100.710.180.100.510.470.010.600.160.230.680.3100.710.180.100.9900Обилие в планетеXYZТКЛ0.660.300.040.690.180.120.510.470.010.600.160.230.500.230.260.530.140.330.6800.31ΔM/M28017192424= 0.01 во всех моделях.В модели Сатурна (см.
рис. 93) металлическая оболочка расположена в интервале 0.465 ⩾ β ⩾ 0.267. Давление па границе с ядром из ТКЛ-компонентысравнительно невелико: pя = 8.12 Мбар (βя = 0.267). Давление в центре Сатурнаp0 = 48 Мбар. Температуры в центре обеих планет равны ∼ 2.5 ⋅ 104 K. В действительности может оказаться, что вещества, из которых состоят ТКЛ-ядраЮпитера и Сатурна, дифференцированы по плотности. Однако имеющихся пока данных явно недостаточно для количественного исследования этого вопроса.Юпитер обладает мощным собственным магнитным полем. Это поле было открыто и исследовано по радиоизлучению планеты в 1954–1960 гг.
Тогда жебыло установлено, что полярность магнитного поля Юпитера обратна полярности земного магнитного поля. Данные, полученные с помощью космическихаппаратов «Пионер-10, -11», позволили охарактеризовать это поле количественно. Определены следующие коэффициенты Гаусса в магнитном потенциале W(формула (42)) планеты:дипольные коэффициенты:g01 = 4.129,g11 = −0.492,h11 = 0.531 Гс(этим коэффициентам соответствует напряженность диполя на экваторе планетыB1 = 4.19 Гс; ось диполя наклонена к оси вращения на угол ∼ 10∘ ),квадрупольные коэффициенты:g02 = 0.42,g12 = −0.738,g22 = 0.324,h12 = −0.050,h22 = −0.381Гс,(B2 = 0.89 Гс).321Определены также октупольные коэффициенты и соответственно B3 = 0.61 Гс.Интересно, что отношения B2 /B1 ∼ 0.2 и B3 /B1 ∼ 0.14 близки к аналогичнымотношениям для земного поля.
Поле Юпитера является полем эксцентрического диполя, центр которого отстоит от оси вращения на ∼ 0.2RЮ и на ∼ 0.1RЮсмещен в северное полушарие. Из-за этого максимальное значение поля на поверхности Юпитера в северном полушарии составляет ∼ 14 Гс, а в южном полушарии 11 Гс. Магнитный момент Юпитера MЮ = B1 ⋅ R3Ю = 1.35 ⋅ 1030 Гс ⋅ см3 .Источники магнитного поля Юпитера расположены в его обширной металлической оболочке.Пролет КА «Пионер-11» в 1979 г.
мимо Сатурна позволил измерить магнитное поле планеты. В отличие от магнитных полей других планет, магнитноеполе Сатурна оказалось почти чисто дипольным с осью диполя, совпадающей с осью вращения планеты с точностью до 1∘ , а центр диполя совпадаетс центром масс планеты с точностью до ∼ 0.01RС , RС — радиус Сатурна. Напряженность поля на экваторе равна B0 ≈ 0.2 Гс. Магнитный момент СатурнаMС = B0 ⋅ R3С ≈ 4 ⋅ 1028 Гс ⋅ см3 .Выше отмечалось, что тепловые потоки из недр обеих планет очень велики;они равны потокам, получаемым планетами от Солнца. Это аномальное явление еще не получило однозначного объяснения, хотя большинство исследователей склоняется к объяснению этого теплового потока гравитационным сжатиемпланеты.10.8.Модели Урана и НептунаДвухслойные адиабатические модели обеих планет показаны на рис.
94 и 95.Отношение Y /X в водородо-гелиевой оболочке (из Г I) выбрано в солнечнойпропорции (Y /X = 0.26). Для ядра принят состав ТКЛ I (CH4 + NH3 + H2 O +TK) в соответствии с предположением о низкой начальной температуре в области образования Урана и Нептуна. Модели Урана и Нептуна принадлежат к моделям II типа, так как их тонкие водород-гелиевые оболочки содержат примесь10% ТКЛ I-компоненты. Основные параметры моделей следующие: относительный радиус и масса ТКЛ I-ядер равны соответственно 0.78 и 0.94 для Урана и0.85 и 0.97 для Нептуна.
Давление на границе ядра у Урана pя = 117 кбар, ау Нептуна pя = 74.6 кбар. Давление в центре Урана p0 = 5.83 Мбар, а в центреНептуна p0 = 7.4 Мбар, температура в центре Урана 11 тыс. град, а в центреНептуна 12 тыс. град (граничная температура T1 = 100 K).Обе планеты имеют близкий химический состав: H2 O — (0.39–0.4); CH4 —(0.22–0.23); NH3 — 0.08; TK — (0.24–0.25); (H2 + He) — (0.03–0.06) по массе. Этимодели имеют значение момента J2 для Урана 0.01, а для Нептуна 0.004, что322p, бар107pq1.0106T, 103 Kg, м/с2ρ180.8ρ, г/см310510104110310−110210−21010−3110−414T0.6100.46g0.2q2000.20.60.40.8 βРис.
94. Модель Урана. См. подпись к рис. 92p, бар107pT, 103 Kqg,106м/с2ρ1.0ρ, г/см310510104110310−110210−21010−3110−4180.8140.6T100.4g6q0.22000.20.40.60.8βРис. 95. Модель Нептуна. См. подпись к рис. 92323близко к наблюдаемым значениям, приведенным в табл. 27. Данных об Уранеи Нептуне еще слишком мало, поэтому модели обеих планет следует рассматривать как предварительные. В частности, из физических соображений ясно,что ядра планет должны быть дифференцированы по плотности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
