В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 83
Текст из файла (страница 83)
109, б). Время коллапса (время седиментации) пылевого компонента в дискравно, по порядку величины, времени нескольких оборотов облака вокруг Солнца. Оно составляет около нескольких тысяч лет для удаленных областей облакаи приблизительно несколько лет для внутренних областей.
Плотность слоя продолжает возрастать по мере того, как продолжают затухать неупорядоченныескорости пылевых частиц. После того как неупорядоченные скорости уменьшаются до значений, меньших нескольких сантиметров в секунду в областипланет земной группы и до нескольких метров в секунду в области планет гигантов, плотность в диске достигает определенного критического значения, и онраспадается на многочисленные сгущения.
В сгущениях силы внутренней гравитации превосходят приливные силы со стороны Солнца, которые пытаютсяразрушить сгущения вновь (рис. 109, в). Эти планетезимали первой генерациипредставляют собой неконсолидированные образования с размерами ∼ 1 км.Последующее сжатие этих сгущений и их консолидация приводит к образованию тел астероидных размеров — вторая генерация планетезималей (рис.
109, г).Продолжительность процесса формирования тел астероидных размеров по порядку величины составляет миллион лет.Так как образование прототел астероидных размеров является статистическим процессом, в котором движения большого числа частиц пылинок и газаусредняются, орбиты таких тел оказываются расположенными в фундаментальной плоскости протопланетного облака и приблизительно круговыми. По меретого как астероиды росли (консолидировались) и число их столкновений возрастало, гравитационные поля этих растущих тел усиливались, из-за гравитационных взаимодействий возникали существенные изменения в их орбитах —возрастали эксцентриситеты и отклонение орбитальной плоскости от фундаментальной плоскости.
Наконец, после того как некоторое протопланетное тело, размеры которого по величине превосходили все другие тела, вычерпываловесь «питательный» материал из зоны своего роста, орбита снова становиласькруговой и близкой к фундаментальной плоскости, благодаря статистическомуусреднению движений. Эта картина, в общих чертах, показывает, как образовывались планеты земной группы и ТК-Л-ядра планет гигантов.
В.С. Сафронов оценил характерное время образования Земли, которое оказалось равным∼ 108 лет. Группа японских астрофизиков во главе с Хаяши (С. Hayashi) получили значительно меньшие значения для временных шкал образования планетземной группы и ТК-Л-ядер планет гигантов. Согласно их расчетам, прототелас размерами больших астероидов (с массами ∼ 1025 г) в области современной Земли и Юпитера, будут вырастать до ME (ME = 6 ⋅ 1027 г — масса Земли)за 106 –107 лет и до 7ME за 107 –108 лет, соответственно.Японский астрофизик Мизуно (H.
Mizuno, 1980) предложил модель, соглас379Рис. 109. Эволюция протопланетного облака (Б.Ю. Левин, 1964)но которой ТК-Л-ядра всех планет группы Юпитера (Юпитер, Сатурн, Урани Нептун) примерно одинаковые и содержат ∼ 10–20ME из ТК-Л-компонента(см. разделы 10.7 и 10.8). Он отметил, что этот замечательный факт не случаен. В развитой им теории образования планет группы Юпитера оказалось, чтогазовый компонент протопланетного облака начинает коллапсировать на ТК-Лзародыши планет из-за гравитационной неустойчивости, когда масса зародышейдостигает значений ∼ 10ME для каждой планеты гиганта. Он принял значение(10ME /107 лет) для скорости образования ТК-Л-ядер и времени коллапса газа меньше, чем один год. Вслед за образованием ТК-Л-зародыша, величиной∼ 10ME , окружающая газовая фаза становится гравитационно неустойчивой иколлапсирует на зародыши.
В это же время прототела из ТК-Л-компонента продолжают падать на растущую планету; эти тела могут частично или полностьюраствориться по мере того как они проходят через горячие водородо-гелиевыеоболочки Юпитера и Сатурна. Эти выводы основаны на построенных моделях типа 2 для Юпитера и Сатурна (В.Н. Жарков, А.Б.
Макалкин и В.П. Тру380бицин, 1974; см. раздел 10.7), водородо-гелиевые оболочки которых содержатТК-Л-компонент. Образование ТК-Л-зародышей планет группы Юпитера сопровождалось диссипацией избыточной газовой фазы из солнечной системы.Ко времени образования ТК-Л-зародышей Урана и Нептуна, газовый компонентна краю солнечной системы был в значительной степени потерян. Обе эти планеты содержат только 6–11% водородо-гелиевого компонента. Юпитер и Сатурнвобрали в себя при образовании значительное количество водорода и гелия, хотяи они также обеднены газовой фазой по сравнению с космическим обилием.Интенсивное корпускулярное и ультрафиолетовое излучения юного Солнца,видимо, являлись физическими факторами, ответственными за удаление газа изранней солнечной системы.Рост планет гигантов был завершен, когда из-за гравитационного взаимодействия они выбросили тела астероидных размеров и частицы меньших размеров,а также оставшийся газ из своих зон питания.
Малая величина Марса и оченьмалая оставшаяся масса в поясе астероидов также могут быть объяснены возмущающим действием гравитационного поля Юпитера, который «выбросил»большое число астероидов из пояса астероидов, как и из зоны «питания» протоМарса. Так как масса Марса составляет только ∼ 0.1ME , то отсюда следует,что Юпитер («виновник» недоразвитого состояния Марса) образовался намногораньше, чем планеты земной группы. Это вытекает из того факта, что температуры в зоне образования Юпитера были существенно ниже, чем в зоне ростапланет земной группы, и конденсат в зоне Юпитера состоял не только из ТК,но также из Л-компонента.
Это также привело к более быстрому образованиюТК-Л-зародыша Юпитера и коллапсу газа на зародыш.Процессы образования спутников повторяют в миниатюре процесс образования планет. Концентрация материала протопланетного облака возникает вокруграстущих планет, образуются группы вращающихся протоспутниковых тел изТК-Л-компонента, которые постепенно укрупняются путем столкновений и образуют спутниковые системы. Кратерированные поверхности этих спутниковзарегистрировали переходные следы этого общего процесса.12.2.3.
Образование низкотемпературного конденсата в окрестностях ранних Юпитера и Сатурна. Эта проблема исследовалась американскими космохимиками Р.Г. Прином и Б. Фегли (R.G. Prinn and B. Fegley) в 1981 г. Они обратиливнимание на тот факт, что физические условия в прото-Юпитеровом и протоСатурновом облаках существенно отличались от тех, которые можно было быожидать в солнечном облаке в области планет-гигантов (рис.
110). Во время образования прото-Юпитерова облака вещество начинало концентрироваться вокруг растущего зародыша планеты, что приводило к условиям, существенно отличающимся от имевшихся в солнечном облаке. Это соответствует возрастанию381газового давления на 4–6 порядков величины. Далее, молодые Юпитер и Сатурнбыли горячими объектами после их коллапса; их светимости превосходили современные значения на много порядков величин.
Расчеты коллапса газа на Юпитер и Сатурн, выполненные П. Боденхеймером, Дж.Б. Поллаком (P. Bodenheimer,J.B. Pollack) и другими, показали, что конденсация воды в прото-Юпитеровомоблаке в зоне орбиты Каллисто должна была происходить через 0.2–2 млн летпосле образования планеты. До этого момента, из-за сильной светимости, молодая планета была слишком горячей, чтобы вода могла конденсироваться. Помере того как светимость Юпитера убывала, происходило постепенное остывание ее облака, и фронт конденсации воды перемещался по направлению к планете, пока он через 0.8–8 млн лет не достигал орбиты Ганимеда. Постепенногазы диссипировали из Юпитерова облака, и образование спутников было завершено после примерно 1.5–15 млн лет, это произошло прежде чем фронтконденсации воды достиг орбит Европы и Ио, так что эти спутники были лишены возможности аккрецировать существенное количество ледяного льда.
Прини Фегли определили параметры Юпитерова протоспутникова облака с помощьюследующего рассмотрения. Они получили значение минимальной массы облакагалилеевых спутников ∼ 3.9 ⋅ 1026 г (конденсат) с массой газового компонента,взятой в солнечной пропорции. Предполагая, что масса конденсата составляла∼ 1.1%, получим (3.9⋅1026 )/0.011 = 3.5⋅1028 г; Масса Юпитера (1.9⋅1030 г) былапринята как верхний предел массы облака. Предполагалось, что облако занимало пространство между орбитами Ио и Каллисто.
Облако рассматривается какгазопылевой диск с максимальной плотностью в фундаментальной плоскостисистемы Юпитера. Перпендикулярно к этой плоскости в обоих направленияхплотность экспоненциально уменьшалась с определенной «шкалой высоты» h,расстоянием, на протяжении которого плотность уменьшается на фактор e. Удаление тепла из молодого Юпитера осуществляется в основном конвективнымтеплопереносом в облаке, и само облако находится в состоянии, близком к гидростатическому равновесию. Соответственно температура в облаке подчиняетсяадиабатическому закону.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
