В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Следовательно каменные метеориты, в зависимости от наличия или отсутствия хондрсфероидальных силикатных зерен с диаметром ⩾ 1 мм, разделяются на двегруппы: хондриты и ахондриты. Поэтому хондриты могут содержать в себе детальную информацию о пред-астероидной стадии эволюции солнечной системы.Дж.С. Льюис (1974) аргументирует в пользу равновесной конденсации следующим образом. Рассмотрим вначале указания, которые следуют из данных обуглистых хондритах. Эти указания сильно поддерживают представления о процессе равновесной конденсации. В отличие от земной коры, хондриты состоятиз примитивного вещества, которое не испытало разогрева, плавления и дифференциации. Минералогия и относительные обилия элементов этих планетарныхобразцов доступны для прямого изучения.
Минерал, который примерно универсальным образом присутствует в метеоритах, — это троилит, или FeS. Троилитявляется важной особенностью в последовательности событий при равновеснойконденсации, но он отсутствует в последовательности событий неравновеснойконденсации. Следующие наиболее распространенные минералы — пироксени оливин, наиболее часто содержащие 5–20% оксида железа (FeO). Этот оксидявляется существенной частью в последовательности равновесной конденсации.Углистые хондриты обогащены летучими веществами, включая большое количество воды, связанными с другими веществами, такими как минерал серпентин. Интересно, что спектры многих астероидов неотличимы от лабораторныхспектров углистых хондритов. Этого можно ожидать на основе модели равновесной конденсации. Наконец, углистые хондриты являются в высокой степениоднородными телами.
Абсолютно не обнаруживается какой либо тенденции дляметеоритов такого типа астероидов делиться на много различных простых материалов; наоборот, они имеют тенденцию быть хорошо перемешанными.«Имеющиеся данные об атмосферах планет также намного проще понятьна основе процесса равновесной, чем неравновесной, конденсации.
Содержание летучих элементов в планетах образованных путем неоднородной аккреции374375Доля конденсированной массы данного элемента400Fe3O4InBiPb600S8001000AgПолевые шпатыCu1200FeMgSi1600TiTa, Nb,U, Pu,ThCaTiO3CaMgSi1400TiCa2Al2SiO7FeSГидратированные силикатыAlRe1800ZrOs2000Рис. 108. Равновесная конденсация элементов из газа солнечного химического состава при давлении 10−4 бар.Химические формулы для стабильных компонент конденсата помещены напротив температур при которых онистановятся устойчивыми0.0012000.010.1TlMg 2SiO 4CaAl2Si2O8(Mg, Fe)SiO3Окислы железаCo, NiMgSi FeGel2O4CaMgSi2O6Ca2MgSi2O7 MgAGaMgSiO3Редкоземельные элементыAl2O31.0ZrO2должно было бы равняться нулю до тех пор, пока не произойдет конденсацияводы из солнечного облака; после чего сконденсировавшийся материал должен был бы более чем на 60% состоять из воды. С другой стороны, модельравновесной конденсации предсказывает правильное содержание воды для Земли, в то время как оставляет Венеру в сильной степени безводной; эта модельпредсказывает содержание воды на Марсе в шесть раз больше, чем на Земле.»(Замечания переводчика английской версии книги: “Scientific American”, March1974, p.
56.)Как это имеет место во всех моделях в геофизике и планетарной физике, модель однородной конденсации может рассматриваться только как первое приближение к сложной реальности ситуаций, с которыми сталкиваемся на практике.При попытке объяснить детали состава и строения метеоритов мы вынужденыделать эту модель более сложной для объяснения процесса мультистадийнойконденсации (т.е. конденсация происходит через стадии испарения и повторнойконденсации), учитывать радиальный перенос материала в ранней солнечнойсистеме и ряд других процессов.
Однако, если мы игнорируем усложняющиедетали в строении метеоритов, то тогда модель равновесной конденсации позволяет нам понять, в грубых чертах, фундаментальный химический состав планети спутников.12.2.2. Сценарий образования планет. Так как невозможно экспериментальнопроверить, каким образом образовалась наша планетная система, то построениекосмогонических моделей, из-за их гипотетической природы, называют «сценариями». Проблема заключается в следующем: как получить большие массивныепланетные тела из Кант-Лапласовского протопланетного облака? Мы можемсразу сказать, что главной трудностью остается наше недостаточное пониманиетого, каким образом протопланетное облако отделяется от формирующегосяпротосолнца и как это облако взаимодействует с юным Солнцем.
Как мы ужеотмечали, открытым остается вопрос о том, насколько большую роль сыграловзаимодействие с ближайшими молодыми звездами, так как теперь известно, чтозвезды рождаются в скоплениях. В разделе 10.7, посвященном моделям Юпитера и Сатурна, было сделано заключение, что в сравнении с космическимираспространенностями элементов недра обеих этих планет существенно обогащены ТК-Л компонентом. Мы также пришли к заключению, что количествогаза, которое диссипировало из зоны Юпитера, составляет 5–10 планетных масс,а из зоны Сатурна ∼ 15–24 планетные массы. Планеты земной группы полностью лишены газового водородо-гелиевого компонента. Его содержание в Уранеи Нептуне равно приблизительно 11% и 5% соответственно (см. раздел 10.8).Эти факты указывают на то, что образование планет сопровождалось потерейгромадного количества газа из солнечной системы, превосходящего, по крайней376мере по порядку величины, полную массу планет.
Проблема диссипации этогогаза из солнечной системы и влияние этого процесса на образование планет также недостаточно хорошо понята. Несмотря на имеющиеся трудности, появляются приближенные конкретные модельные сценарии, в которых рассматриваютсяпроцессы образования планет. Ученые из многих стран вносят свой вклад визучение этой проблемы.
В СССР это О.Ю. Шмидт и его ученики и последователи — Л.Э. Гуревич, А.И. Лебединский, Б.Ю. Левин, В.С. Сафронов и др.Планетные системы образуются из вращающихся газо-пылевых дискообразныхструктур. Эти диски симметричны относительно фундаментальной плоскости,в центре которой находится Солнце. Фундаментальная плоскость ориентированаперпендикулярно вектору углового момента солнечной системы.
Важной чертойсолнечной системы является то, что почти вся масса сосредоточена в Солнце(⩾ 99%), в то время как почти весь угловой момент (∼ 98%) содержится в орбитальном движении планет. Плоскости солнечного экватора и орбит планет(исключая орбиты Меркурия и Плутона, расположенных на краях планетнойсистемы) наклонены к фундаментальной плоскости не более чем 1–2 градуса.Хорошая коррелированность вращения Солнца и планет — весомый аргументв пользу совместного образования Солнца и планет.Часто говорят, что строение спутниковых систем планет гигантов повторяет в миниатюре строение солнечной системы. В самом деле, орбитальныеплоскости спутников Юпитера и Сатурна практически совпадают с экваториальными плоскостями планет и их вращение происходит в одном направлении.Это с определенностью указывает на совместное образование планет и спутников и что были независимые газопылевые диски, окружавшие ранние планеты гиганты, эволюция которых формировала, с одной стороны, планеты, ас другой — спутниковые системы.
Однако имеются заметные количественныеразличия между солнечной системой и системой Юпитера и Сатурна. Отношение массы спутников к массе планеты равно ∼ 2 ⋅ 10−4 для системы Юпитераи ∼ 2.5 ⋅ 10−4 для системы Сатурна. Соответствующее отношение масс для солнечной системы составляет ∼ 10−3 . Более существенное различие этих системсвязано с распределением углового момента. Угловой момент, связанный с вращением Юпитера, равен IΩ = 2.4 ⋅ 1049 г ⋅ см2 ⋅ 1.76 ⋅ 10−4 1/с = 4.3 ⋅ 1045 г ⋅ см2 /с,где I — момент инерции относительно оси вращения и Ω — угловая скоростьвращения Юпитера.
Для Сатурна получаем IΩ = 4.4 ⋅ 1048 ⋅ 1.64 ⋅ 10−4 = 7.2 ⋅1044 г ⋅ см2 /с. Легко просуммировать угловые моменты спутников M = m0 vK ⋅ R,где m0 — масса спутника, vK = (GM/R)1/2 — кеплеровская скорость орбитального движения, R — орбитальный радиус и M — масса планеты, G — гравитационная постоянная. Выполняя эти вычисления для галилеевых спутников,находим, что MГал ∼ 3.9 ⋅ 1043 г ⋅ см2 /с, и для основного спутника Сатурна, Ти377тана, MТитан ∼ 0.92 ⋅ 1043 г ⋅ см2 /с.
Следовательно угловой момент в системахЮпитера и Сатурна, в общем, сконцентрирован во вращательном движениипланет. Орбитальный угловой момент галилеевых спутников в 110 раз меньше,чем вращательный момент Юпитера, и орбитальный момент Титана, в 78 разменьше, чем вращательный момент Сатурна. Следовательно, распределение углового момента в системах Юпитера и Сатурна существенно отличается отраспределения углового момента в солнечной системе. Тот факт, что распределение углового момента в солнечной системе, в общем, сконцентрированов орбитальном вращении планет, указывает на то, что во время формированияСолнца и отделении его от протопланетного облака, происходило сильное взаимодействие (вязкое и магнитное) между обеими системами, которое позволилопротосолнцу передать «избыточный» вращательный момент протопланетномуоблаку.При анализе распределения удельного углового момента в системах Юпитераи Сатурна обнаруживается «обогащение» угловым моментом материала спутников, но это «обогащение» на много порядков величины меньше, чем в солнечнойсистеме.
Такая ситуация, конечно, не случайна, а обусловлена очень активнойэнергетикой молодого Солнца. По сравнению, ранние Юпитер и Сатурн представляются как «холодные» и не очень энергичные объекты. Тот факт, что громадное количество газового компонента было отделено от ранней солнечнойсистемы, также указывает на то, что молодое Солнце очень сильно взаимодействовало с юным протопланетным облаком.Теоретически, можно представить себе два пути, по которым начинается концентрация материала в газопылевом облаке. Согласно первому, гравитационнаянеустойчивость разбивает протопланетный диск на кольца, материал которыхзатем собирается в планеты; согласно второму, пылевые частицы собираютсяв сгущения, рост которых в планеты происходит путем конденсации этих объектов при столкновениях.
Этот второй путь представляется более правдоподобным. Древние кратерированные поверхности многих планетных тел в солнечнойсистеме (Луна, Меркурий, Ганимед, Каллисто и ледяные спутники Сатурна) свидетельствуют в пользу этого пути. Кратеры и кратерные бассейны содержат следы остатков ударявших тел, которые завершали образование планет и спутников.В соответствии с современными идеями, планеты земной группы, а такжеТК-Л-ядра планет гигантов образовались в результате процессов, изображенных на рис. 109. Материал облака после затухания беспорядочных движенийпродолжает занимать обширную, уплощенную область в виде тора (рис. 109, а).Из-за взаимных столкновений и торможения газом пылевые частицы гасят ихотносительные скорости и оседают к фундаментальной плоскости, где формируется тонкий пылевой диск, плотность которого возрастает со временем378(рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
