Brown & Mussett The Inaccessible Earth 04 Chapter (1119257), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Это приводит к медленному сжатию тумаыности и ее разогреву. В лаборатории сжатие газа при постоянной температуре не только приводит к уменьшению его объема, но и повышает его дааление, так что наступает момент, когда внутреннее пповое давление уравновешивает приложенное внешнее давленые. Но в крупной самосжимающейся массе газа этот простой механизм досппкения равновесия ие действует. Так происходит потому, что сжатие, сближая все частицы веществе, повышает силу тяготения, причем эта сила растет быстрее, чем давление, обусловленное сжатием. Единственная возможность достичь равновесия — оставить в облаке часть тепла, выделяющегося при сжатизь подняв тем самым его температуру ы, следователъно, давление газа Отсюда и казяущийся парадокс: потеря тепла заставляет облако нагреваться и одновременно сжиматься, причем часть выделенной тепловой энергии идет на то, чтобы обеспечить достаточные потери внешнего тепла а часть-на поднятие внутренней температуры, Этот процесс играет в выездной эволюции первенствующую роль (равд.

4.6.2). Эта фаза медленной эволюции заканчивается, когда сясатие поднимает температуру до урвана достаточного для испарения зерен твердых газов (СО, ХН и т.д.), так как при этом тепло поглощается, что препятствует компенсационному росту температуры, описанному выше. Вещество туманности начинает падать по направлению к центру, и стабильность не восстанавливается до тех пор, пока не будут исчерпаны все возможности скрытой теплоты (ые толысо испарение, но и диссоциация газовых молекул, напрнмйр Нэ, ыа атомы и нх ионизация). Когда это произойдет, диаметр протозвезды должен быль 4. ОБРА3ОВАние сОлнечнОЙ системы 67 всего лишь в несколько раз больше диаметра нынешнего Солнца, а температура составит тысячи градусов.

Зтот коллапс захватывает только самую внутреннюю часть облака, составляюпбло несколько процентов его массы, так как именно зта часп, первой достю ает температуры испарения. После резкого сокращения объема она восстанавливает свою стабильность уже как центральное чадре», прежде чем внешняя часть успевает испытать дальнейшее сжатие. Внешняя часть продожкает сжиматься, но затем переходит в стабильное состояние вследствие подъема температуры, вызванного как собственным сжатием, так и теплом, исходящвм от горячего центрального яядрюь Прентнс считает, что на этой стадии туманность долина иметь примерно такой же диаметр, как у орбиты Нептуна, и быть сильно турбулентной.

Предположение о турбулентности нмеет важное значение, так как обмен веществом между внутренними и внешними частями туманности не позволяет внутренним частям вращаться быстрее внешних частей, что имело бы место в сжимающейся туманности в ином случае, Это переносит момент количества движения изнутрв туманности к нетурбулентному кольцу на ее краю. В конце концов внешнее кольцо отчленяется от туманности, продолжающей сжиматься. Через какие-то промежутки времени этот процесс повторяется, в результате чего образуется серия колец примерно одной и той же массы, но располагающихся все теснее друг к другу по мере приближения к центральному ядру.

Таким образом, согласно этой теории, Лаплас был прав, когда допускал, что должны появляться кольца Образование колец, отвечающих существующим планетам, заняло бы только около 0,2 млн. лет, хотя окончательное сжатие туманности с преобразоваивем ее ядра в настоящее солще заняло бы несколько миллионов лет. Авьвен ~Я в 1978 г.

предположил, что юпочевую роль в развитии туманности играет магнитное поле, если вещество туманности частично ионизировано. Злектромагнитные силы (см. врвложение 4) переносят момент количества движения во внешние области, позволяя тем самым основной массе сжиматься и производя часпгщуто сепарацию элементов. Другие предложенные теории также основаны на привлеченви мшпитных нли турбулентных вязких сил, способствующих коллапсу туманности, но этн теории различаются только в деталях в здесь не рассматриваютсж Образование планет.

В результате эволюции туманности ббльшая часть ее массы сосредотачивается в небольшом горвчем центральном теле, которое пока еще не стало настоящим солнцем, однако часть вещества остается вне этого тела на расстояниях, соответствующих планетным, в виде дйска или колец. Как зто вепжство собралось вместе и образовало планеты? По этому поводу существуют различные мненвя, но все согласны в том, что процесс развивался в несколько стадий.

В облаке каждый элемент с точкой плавления, меньшей температуры облака, может существовать только в виде пара или газа Однако если точка плавления выше этой температурьь то такие элементы лишь частично присутствуют в виде твердых зерен. Так происходят потому, что все вещества имеют какое-то давление пар~ хотя оно н очень мало, если температура значительно ниже точки плавления.

В межзвездном облаке давление настолько низкое, что значительная часть равномерно распределенного железа и силикатов существует в виде пара (прн таких низких давлениях жидкая фаза отсутствует). Когда. нз части межзвездного облака образуется солнечная туманность, рост давления приводит к тому, что часть пара конденсируется в зерна.

Одновременно гравитационное ба 4. ОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ тяготение материала туманности стягивает эти зерна к срединной плоскости, так как хотя центробежная сила не позволяет им двигаться к оси вращения, эта сила ие мешает движению перпендвкулярно срединной плоскости (см. рис. 4.6).

Вначале зерна, преодолевая сопротивление газа, падают медленно, но затем, по мере того как растут их размеры в результате конденсации нз пара, зерна начинают падать все быстрее. Если пар не истощенный, то зерна при диаметре 3 см должны достягнугь срединной плоскости через 10 лет 184]. Если общая масса вещества на единицу площади (т. е, поверхностная плотность) пылевого диска в каких-то местах оказывается достаточно большой, то случайные скопления вещества в этом диске будут сжнматься под действием собственного тяготенвя. В результате такого процесса пылевое облако соберется в локальные агрегацнв, так называемые лланевжзнмаен, имеющие, вероятно, около 100 м в поперечнике. В свою очередь рзспределение планетезималей также нестабильно, и они собираются в планетезимали второй генерации с поперечником около 5 км, на что уходит несколько тысяч лет 184].

После этого рост свален не толью с притяжением, но и со столкновениями тел, и в течение примерно 0,1 млн. лет образуютса планеты'. В других теориях главным процессом, приводящим к аккреции, считается слипание зерен. Керридж 1121] перечисляет несколько механизмов слипания„включая сварку при столкновениях н электростатическое притяжение. Указывалось и иа роль магнятного притяжения между зернами железа.

Когда планетезималь доствгает достаточно больших размеров, важным фактором даньнейшего добавления материала становится гравитационное притяжение. Специалисты согласны в том, что механизм спивания требует, чтобы аккреция продолжалась в течение десятков миллионов лет„т.е. Много дольше, чем характерное время действия механизма гравитационной неустойчивости, описанного выше. Поэтому слипание не имело бы большого значения, если бы в диске, находящемся в сосгоянви азжрецви, не было турбулентностть препятствующей росту планетезимелей.

Соглажо другим теориям, материал солнечной туманности (небулы) под действием гравитационных сил сначала собирается в отдельные облака, или протопланеты, и только после этого начвнают действовать описанные выше механизмы аккреции, приводящие к тому, что протопланеты становятся теми планетами, которые мы знаем. Фракционирование элементов и роль температуры. В ходе процесса образованна центрального солнца и планет из части межзвездного облака существует много возмохшостей для того, чтобы элементы испытали в какой-то мере сегрегацшо, иля фраквионнроеание (т.е. разделились бы на фракции). Один из главных фаторов-отличие зерееь сложенвых менее летучими и обычно более тяжелыми элементами, от газов.

Фрнкшюнирование могло происходить путем простого оседания зерен в газе, как это отмечалось при описании образования пылевого диска; оно может быть связано с тем, что зерна гораздо реже, чем газовые часпщы, получают электрический заряд в, таким образом, подвергаютсв действию электромагнитных сил; фракционироваиие могло быль вызвано способностью зерен слипаться посредством различных описанных здесь механизмов. Вероятно также, что зерна силнкатов могли отделяться от зерен металлов из-за их различной плотности, а эксперименты показали, что при столкновении зерен металлов их слипаиие гораздо более вероятно, чем при столкновении зерен силикатов.

Помимо ' По-ендвмоыу, должно быть сказано не «десятая дола миллиона лет», а «десятка ынлляовон лат»;Прим. дед. а ОБРАВОВАние сОлинчнОИ системы 69 этого, если магнитное притяжение между зернами имеет сколько-нибудь важное значение, то оно, очевидно, благоприятствует аккреции железа и никеля. До сях пор температура упоминалась только изредка, но она играет ключевую роль в большинстве теорий аккреции и состава планет. То, какие элементы или соединения сформируют зерна, зависит, в ряду других факторов, от температуры, так как все вещества способны испариться, если температура достаточно высока. Кроме того, все согласны, что туманность должна прн сжатии нагреваться, причем самая высокая температура будет вблизи ее центра.

Однако различные теории расходятся в вопросе о том, когда оказывает температура наибольшее воздействие-на ранних стадиях эволюции туманности, разогревая ее, илн же позже, когда протопланеты станут остывать и зерна начнут снова образовываться при конденсации.

Прентнс [1741 в своей теорви предполагает, что хотя внутри орбиты Меркурия н образовались кольца, температура была там слишком высока, чтобы могли существовать какие-либо зерна, и поэтому начало аккреции там оказалось невозможным. На орбите Меркурия температура составляет около 1000'С, и только наиболее тугоплавкие вещества-некоторые металлы и силикаты — могут там конденсироваться, что и объясняет высокую плотность этой планеты. В широком смысле это относится ко всем планетам земной группы, тогда как Юпитер является самой близкой к центру планетой, при образовании которой могла происходить аккреция более летучих и более легких элементов, таких, как соединения Н, С„Н и О (см.

также разд. 5.2). С аехоторыми из этих механизмов фракционирования связаны, вероятно, различна в общем составе планет, особенно различия между планетами земной группы и планетами-гигантами, в то время как другие механизмы могли привести к расслоению планеты путем аккреции одних элементов раньше других. Что же мы узналн, попытавшись проникнуть в суть проблем, связанных с образованием Солнечной системы7 Хотя здесь остается еще много неопределенностей, некоторые общие заключения можно сделать.

Характеристики

Список файлов книги