В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 88
Текст из файла (страница 88)
Как результат, наружнаяоболочка Европы должна состоять из воды. В простейшей модели, Европа обладает обширным ядром, состоящим из дегидратированных горных пород плотностью ρ1 = 352 г/см3 (равной средней плотности Ио) и внешней мантии изводы с ρ2 = 1 г/см3 . Параметры этой модели приведены в табл. 31. Так какв недрах Европы генерируется тепло, то температура от поверхности должнавозрастать вглубь спутника. Лупо предложил следующую модель для водянойоболочки Европы.
Внешний слой от r = 1564 км до 1485 км состоит из льда Iсρ = 0.932 г/см3 с температурой, изменяющейся от 105 K до 262 K. Глубже этого слоя от r = 1485 км до 1460 км расположен слой жидкой воды плотностьюρ = 0.937 г/см3 при постоянной температуре 262 K. Глубже расположено ядроиз горных пород. Так как недра Европы должны быть достаточно разогреты,то, возможно, они испытали дальнейшую дифференциацию на обычные горныепороды с ρ = 3.3 г/см3 и FeS (ρ ∼ 4.6 г/см3 ) или Fe–FeS (ρ ∼ 5 г/см3 ). В этомслучае спутник будет иметь трехслойное строение, которое легко рассчитать.12.4.3.
Ганимед, Каллисто и Титан. Близкие значения радиусов и среднихплотностей этих спутников позволяют объединить их в одну группу. В конце раздела 12.2 была высказана мысль, что эти три спутника должны иметьнесколько различающийся химический состав (см. рис. 111). Используя терминологию разделов 10.5 и 12.1, можно сказать, что Ганимед состоит из ТК-ЛIIIкомпонента, а Каллисто из ТК-ЛII и ТК-ЛI-компонентов.
Титан должен иметьсостав, аналогичный составу Каллисто. Однако Каллисто, по-видимому, потерялметановый компонент, в то время как на Титане СН4 входит в состав атмосферных газов, и, возможно, поверхность спутника покрыта океаном из метана.Тела, из которых образовались Каллисто и Титан, содержали NH3 и СН4 в видекристаллогидритов, NH3 Н2 О и СН4 7Н2 О (см. табл. 34). Эти материалы имеютнизкие температуры плавления и плавились во время аккреции этих спутниковиз планетезималей (протопланетные тела астероидных размеров), и во времяпоследующей тепловой эволюции их недр из-за радиогенного разогрева.Из-за отсутствия данных в настоящее время разумно рассмотреть внутреннеестроение всех трех спутников, используя упрощенные двухслойные модели иххимического состава, состоящие из горных пород и водяных льдов. Однако такиемодели являются еще достаточно неопределенными из-за того, что трудно оценить начальную степень дифференциации, которая сопровождала образованиеспутников.
Более того, модель усложняется из-за большого числа полиморфныхмодификаций водяного льда (см. фазовую диаграмму на рис. 112). Наконец,совершенно не ясно произошла или нет дегидратация горных пород в недрах398Ганимеда, Каллисто и Титана. В настоящее время нет ясности при рассмотрении вопроса о разделении горных пород на троилитовое ядро и окружающуюего мантию из обычных горных пород с значением плотности ρ ∼ 3.3 г/cм3 .Однако последнюю возможность нельзя полностью исключить, так как степеньразогрева спутника во время аккреции и из-за распада короткоживущих радиоактивных изотопов, например Al26 , недостаточно ясна. Последний фактор можетбыть существенным при короткой временной шкале (∼ 105 –106 лет) образованияпланет гигантов и их спутников.
С учетом этих оговорок рассмотрим моделидля двух предельных случаев: 1) химически дифференцированная двухслойнаямодель (внешняя оболочка состоит из Н2 О, а ядро из горных пород), и 2) химически однородная модель (спутник состоит из однородной смеси водяного льдаи горных пород).Первая модель соответствует случаю полной дифференциации на Н2 О и горные породы, в то время как вторая модель подразумевает отсутствие дифференциации в недрах спутника.
Используя эти предельные модели, читатель можетсам достаточно просто проанализировать более сложные альтернативные модели спутников. Таким образом, реальное внутреннее строение Ганимеда, Каллисто и Титана может заметно отличаться от двухслойной модели, параметрыкоторой приведены в табл.
31.Фундаментальная особенность льда Н2 О — его низкая эффективная вязкость при температурах вблизи кривой плавления. Следовательно при медленном радиогенном разогреве недифференцированных зон недр спутника возникновение тепловой конвекции будет приводить к выносу избыточного сверхадиабатического тепла из этих зон без плавления льда и дифференциации материала недр. Дифференциация могла произойти в результате ударного разогреваво время заключительной стадии образования спутника.Слишком мало данных есть о Титане.
Относительно Каллисто многие специалисты высказывали предположение, что этот спутник — почти недифференцированное тело, хотя сильно кратерированная поверхность Каллисто, подобнотому, как это наблюдается на лунных материках, не сохранила следов эндогенной активности, и это наводит на мысль, что Каллисто в результате дифференциации разделился на верхний слой Н2 О мощностью ∼ 200 км и слой горныхпород толщиной ∼ 100 км. Материал горных пород, из-за его большой плотности, должен постепенно «стекать» к центру и образовывать ядро. В результатемы приходим к трехслойной модели: маленькое ядро из горных пород, обширнаянедифференцированная мантия, и толстая ∼ 200 км кора из льда Н2 О.Сильно кратерированная поверхность Ганимеда покрыта большими протяженными желобами, свидетельствующими о тектоническом расширении.
Одноиз объяснений этого факта основывается на предположении, что Ганимед испы399тал намного большую дифференциацию, чем Каллисто, во время заключительной стадии своего формирования. Предположим, что внешний слой спутникамощностью ∼ 1000 км дифференцирован. Соответственно, образовалось болеемощное, чем у Каллисто, ядро из горных пород. Ядро разогревалось из-за радиогенной теплогенерации, что могло приводить к постепенной дегидратациисиликатов и некоторому расширению ядра и спутника, как целого.В 1982 г.
Лупо построил модели Ганимеда, Каллисто и Титана для двух предельных случаев: когда спутник дифференцирован и когда он недифференцирован. Лупо принял, что «горные породы» состоят из Ио-подобного материаласо средней плотностью ∼ 3.5 г/см3 . Это несколько непоследовательно; болеепоследовательно было бы принять для модели горных пород средний Европаподобный материал со средней плотностью ∼ 3 г/см3 . Однако рассматриваемыемодели не будут сильно зависеть от принятой средней плотности горных пород.Параметры этих моделей собраны в табл.
36. Лупо классифицировал предлагаемые им модели на кондуктивные и конвективные, в зависимости от того с помощью какого механизма тепло выносится из недр спутника. В обоих случаяхнедра спутников остаются весьма холодными. Температуры в недрах спутниковнесколько ниже в конвективных моделях, чем в кондуктивных. Параметры длякондуктивных моделей приведены в табл. 36.Проиллюстрируем использование таблицы на примере дифференцированноймодели Ганимеда. В нижней строчке таблицы найдем значение радиуса спутника 2638 км, плотность коры из льда 0.932 г/см3 , давление на поверхности(0 бар), температура поверхности 101 K, концентрация жидкой воды в кореравна нулю.
Выше этой строчки найдем те же данные для значения радиуса,равного 2575 км. Первое фазовое изменение, плавление льда I, происходит призначении радиуса 2515 км. От этого уровня до значения радиуса 2375 км расположен полностью жидкий слой, который глубже заменяется фазой лед V вплотьдо границы с ядром, состоящим из горных пород. Здесь концентрация жидкойводы никогда не равна нулю и вода вначале сосуществует с льдом V, а затемс льдом VI.Радиус ядра равен 1770 км, давление на границе ядра 16 796 бар, температура 328 K.
Плотность ядра не приводится; хотя, как это было указано выше, онаблизка к значению 3.5 г/см3 . Результаты для однородной модели приведены всоседних столбцах вплоть до значения радиуса, равного 105 км. Здесь, по меретого как мы продвигаемся от поверхности к центру, встречается большое числоразличных фаз льда, так как имеется намного более широкая область давлений,в которой находится лед воды. Строение моделей, которые мы рассмотрели, видно на диаграммах, показанных на рис. 114 (для дифференцированной модели)и рис. 115 (для химически однородной модели).4003000Лед III +жидкость+жЛед VII +жидкостьдVдIдко1000ЛестьевПотьоснрхЛе1500идкость2000ЖиРасстояние от центра, км2500Силикаты500Радиус, км0050010001500200025003000Рис.
114. Локальный состав дифференцированных моделей спутников, которые содержат по весу 60% Н2 О и 40% «Ио-образных горных пород», как функция расстояния отцентра для тел с различными радиусами. Это для кондуктивных моделей (см. текст).Температура поверхности равна 103 K. Тела с радиусами меньше 1200 км обычно неполностью дифференцированы3000Расстояние от центра, км250020001500вПоьстнохер1000VI500VIIIIII0VII0500Радиус, км10001500200025003000Рис. 115.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
