Моделі внутрішньої будови планет

РЕАЛЬНА ФІЗИКА

Глосарій з фізики

Надра планет недоступні прямим спостереженнями. Навіть для Землі керни з глибоких (до 12 км) свердловин і фрагменти вивержених глибинних порід дають відомості про склад і структуру речовини лише приповерхневих шарів зовн. твердої оболонки. Дані про породах Місяця, Венери і Марса, вивчення спектральних особливостей поверхонь планет і астероїдів, атмосфер планет-гігантів також дозволяють судити лише про склад самих зовнішніх оболонок. Тому для дослідження планетних надр вдаються до побудови моделей внутр. будови планет, т. е. розрахунку хім. і мінерального складу, внутр. гравітаційних, теплових, магн. та ін. полів з подальшим порівнянням теоретич. передбачень з даними спостережень. Вельми загальні обмеження на можливі склад і структуру планети дають відомості про її масі М і радіусі R (а отже, і про пор. Щільності) з урахуванням поширеності елементів в космосі і даних фізики високих тисків. Для побудови моделей планет залучаються дані по гравитац. і магн. полях планети, тепловому потоку з надр, собств. коливань і (для Землі і Місяця) сейсмич. даними.
Планети земної групи мають тверді оболонки, в яких брало зосереджена б. ч. їх маси. Істотний обсяг планетних оболонок знаходиться в стані, близькому до гидростатич. рівноваги, оскільки межа плинності порід грає роль лише для відносно швидких приповерхневих рухів. Розподілу тиску Р, щільності r і прискорення сили тяжіння g по відстані від центру планети r знаходять з рішення системи ур-нпй: ур-ня гідроста-ТПЧ. рівноваги

ур-ня розподілу маси

і ур-ний стану

для передбачуваної суміші компонент з щільністю де і xi - щільність і частка i -й компоненти по масі (хi = тi / т, тi - маса i-і компоненти, М - сумарна маса в одиничному обсязі). Пор. щільності планет і дані по ур-вам стану для осн. породоутворюючих елементів Si, Mg, Fe, Al, Ca і їх окислів показують, що в середньому планети земної групи на 2/3 складаються з ферромагнезіальних силікатів і на 1/3 із заліза з домішкою нікелю і ін. елементів. Моделі внутр. будови Землі завдяки глибинному сейсмич. зондування, даними про нутації і прецесії розроблені досить детально, і здійснюється перехід до більш складних моделей, що враховують особливості горизонтального будови літосфери і верхньої мантії під океанич. і континентальними регіонами. Для побудови моделей планет земної групи широко використовуються уявлення про оболонкової структурі, отримані для Землі. Зазвичай виділяють кору (10 - 100 км), мантію (1000 - 3000 км) і ядро. Ядро - наиб. щільна частина (12 - 13 г / см3 в центрі Землі), кора - найменш щільна (для Землі 2,7 - 2,8 г / см3), щільність мантії - проміжна (для Землі 2,8 - 3,5 г / см3 ). У Землі ядро ​​поділяється на зовнішнє (рідке) і внутрішнє (тверде). Припускають, що рідке ядро ​​є у Меркурія і Венери. Марс, володіючи помітною обертанням, має порівняно невеликий магн. момент, і існування розплавленого ядра для нього залишається під питанням. Внутр. будову Венери в основному схоже за конструкцією Землі, проте через повільне обертання Венери не вдається оцінити її момент інерції і, отже, за відсутності сейсмич. даних, немає строгого підтвердження існування у неї ядра і відповідних земним верхньої і нижньої мантійних оболонок. Відсутність сейсмич. даних не дозволяє також зробити певні висновки про структуру і розмірах оболонок ін. планет земної групи. Момент інерції Марса свідчить про наявність невеликого ( 15% від маси планети) ядра. Розміри і фазовий стан ядра залежать від його хім. складу (рис. 1). На великих часах (106 - 108 років) речовина планетних надр поводиться як в'язка рідина. В результаті нерівномірних нагрівання і розподілу складу в оболонках можуть виникати конвективні руху, що призводять до тепло- і масопереносу.

Мал. 1. Модель внутрішньої будови Марса. Показані два варіанти ядра.

Масштаб конвекції визначається величиною відхилень розподілів температури і складу від рівноважних, а інтенсивність - в'язкістю і ін. Реологич. параметрами. Оцінки температур в надрах планет земної групи засновані на уявленнях про їхню освіту шляхом акумуляції з твердих тіл і відносно ранньому формуванні оболонок (в ході цих процесів відбувалося виділення гравитац. Енергії ~ 1011 ерг / г), а також на даних про зміст радиоакт. елементів U, Th і 40К. Згідно з оцінками, темп-pa в центрі Землі 5000 - 6000 К, на кордоні ядро ​​- мантія - 3500 - 4000 К. Темп-ри центральних областей Венери, мабуть, на 100 - 300 К нижче земних. В ядрах Меркурія і Марса темп-pa, ймовірно, ок. 2500 - 3000 К.
Плутон, мабуть, має силікатне ядро ​​і крижану оболонку.
Астероїди. Про внутр. будову астероїдів також відомо мало. Метеоритні дані вказують на те, що речовина малих планет (принаймні багатьох з них) пройшло через інтенсивну ударну переробку, нагрів і дегазацію вже в ході їх утворення. Існування кам'яних і залізних метеоритів свідчить про те, що надра від. астероїдів були нагріті до температур плавлення, що забезпечили можливість розшарування (диференціації) первинного речовини на силікати і железонікелевий сплав. Осн. особливістю внутр. будови малих планет є порівняно низькі температури і тиску, а також відносно велика товщина неконсолідіров. порід (Рего-літа), утвореного ударами ін. тел. Не виключено, що астероїди, від яких брало надходить дифференциров. речовина, що не розшаровані на відповідні оболонки, а містять лише від. області, які відчули високотемпературний нагрів і місцеву диференціацію речовини (модель "родзинки в тісті").
Планети-гіганти прийнято вважати газорідку тілами з конвективними оболонками, в яких брало розподіл температури близько до адіабатичному. Цей висновок грунтується на слід, даних спостережень. За даними ІК-спостережень, потік тепла з надр планет виявився рівним 104 ерг / см2 х с (для Юпітера) і 3 х 103 ерг / см2 х с (для Сатурна). Оскільки такий потік більш ніж на 4 порядки перевищує потік тепла за рахунок молекулярної теплопровідності, то це вказує на конвективное стан зовн. зони або всієї планети. Юпітер, Сатурн, Уран і, можливо, Нептун мають власної. магн. полем, до-рої, ймовірно, генерується в конвективному ядрі. Еволюція орбіт супутників Юпітера, Сатурна і Урана, вимірювання гравитац. поля Юпітера також вказують на рідке, близьке до гідростатично рівноважного, стан планет.
Хім. склад планет-гігантів різко відрізняється від складу планет земної групи. Відповідно до теорії походження Сонячної системи , В протопланетному хмарі в області планет-гігантів температури після охолодження хмари не перевищували 150 К, а газовий тиск 10- 5 - 10-7 бар (в зоні Юпітера і Сатурна) і 10-7 - 10-8 бар (в зоні Урана і Нептуна). При таких умовах більшість елементів утворюють гідриди і оксиди. Речовини, з яких брало побудовані планети-гіганти, прийнято розділяти по летючості на газову компоненту - Г (Н2, Не, Ne), "льоди" - Л (СН4, NH3, H2O) і важку компоненту - TK (SiO2, MgO, FeO, FeS, Fe, Ni, ...). Відомості про хім. складі надр планет-гігантів дає розрахунок моделей внутр. будови планет, які відповідають спостережуваним значенням маси, радіуса та зональних гармонік гравитац. поля планет. Через відносно великий кут. швидкості обертання в ур-ня (1) входить доповнить. член а внаслідок досить високих температур ( 103 К) в надрах планет в ур-ванні (3) враховують температурні поправки Найпростіші моделі (двошарові) складаються із зовнішньої оболонки (Г + Л) і ядра (ТКЛ). Однак спостереженнями краще задовольняють багатошарові моделі (див., Напр., Рис. 2). В оболонках Юпітера і Сатурна відбувається перехід молекулярного водню в металевий. тиск переходу 3-106 бар і слабо залежить від температури. При переході до твердої фазі щільність стрибкоподібно збільшується на 10%. У розплавлений. стані (в рідкій фазі) перехід відбувається безперервним чином. Розрахунки моделей показали, що Уран (рис. 3) і Нептун, на відміну від Юпітера і Сатурна, мають сільноперемешаннимі оболонками. Ці планети мають маленькі ТК-ядра (0,3 - 1% від повної маси планети), масивні крижані мантії з добавкою ТК-компоненти (з відносить. Змістом, близьким до сонячного) і зовнішні оболонки з Г-і Л-компонент. Побудовані моделі виявили слід. тенденції в ряду планет-гігантів: при переході від Юпітера до Нептуна зміст вільного водню систематично убуває, а концентрація Л-компоненти в зовнішніх оболонках росте. Це може бути пов'язано з відмінностями в часах формування планет-гігантів і диссипацией газу з протопланетної хмари.

Мал. 2. Чотиришарова модель Юпітера з двошаровою молекулярної оболонкою. Справа показано розподіл тиску Р, температури Т і щільності за відносним радіусу = R / R ю (Дю - радіус Юпітера). Зліва дан розріз моделі із зазначенням значенні щільності на кордонах розділу і відносини Л (ТКЛ) / Г в оболонках. Повні значення мас Г, Л-і ТКЛ-компонент виражені в масах Землі.

Мал. 3. Дво- і тришарова моделі Урана з різним ступенем змішування Г-, Л-і ТК-компонент. Позначення ті ж, що і на рис. 2.

Широке поширення отримує чисельне моделювання динамічних (2- і 3-мірних) і еволюційних (1 - 2-мірних) моделей внутр. будови планет. Досліджуються структура і інтенсивність конвективних течій, викликаних разл. джерелами тепла, вплив фазових переходів і хім. перетворень. Для планет земної групи запропоновані моделі диференціації та фракціонування внутр. оболонок, засновані на ур-нях балансу потоків речовини з залученням ізотопних даних.

Література за моделями внутрішньої будови планет

1. Жарков В. Н., Трубіцин В. П., Фізика планетних надр, М., 1980;
2. Хаббард У., Внутрішня будова планет, пров. з англ., М., 1987;
3. Планетна космогонія і науки про Землю. Сб., Під ред. В. А. Магницького, М., 1989.

А. В. Витязь, В. В. Леонт'ев

Чи знаєте Ви,

що в 1965 році два американця Пензиас (емігрант з Німеччини) і Вільсон заявили, що вони відкрили випромінювання космосу. Через кілька років їм дали Нобелівську премію, как-будто ніхто не знав робіт Е. регенера , Виміряти температуру космічного простору за допомогою запуску болометра в стратосферу в 1933 р Детальніше читайте в FAQ по ефірної фізиці . НОВИНИ ФОРУМУ
Лицарі теорії ефіру 11.07.2019 - 7:14: ВІЙНА, ПОЛІТИКА І НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема державного тероризму - Карім_Хайдаров.
11.07.2019 - 7:13: ЕКОЛОГІЯ - Ecology -> Біологічна безпека населення - Карім_Хайдаров.
11.07.2019 - 6:57: СОВІСТЬ - Conscience -> РОСІЙСЬКИЙ СВІТ - Карім_Хайдаров.
07.07.2019 - 9:52: НОВІ ТЕХНОЛОГІЇ - New Technologies -> ПРОБЛЕМА ШТУЧНОГО ІНТЕЛЕКТУ - Карім_Хайдаров.
07.07.2019 - 9:49: ВИХОВАННЯ, ОСВІТА, ОСВІТА - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвітництво від О.Н. Четверикова - Карім_Хайдаров.
03.07.2019 - 5:38: ВИХОВАННЯ, ОСВІТА, ОСВІТА - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвітництво від В'ячеслава Осієвського - Карім_Хайдаров.
27.06.2019 - 10:01: Сейсмологи - Seismology -> Запаси води під Землею - Карім_Хайдаров.
27.06.2019 - 10:00: ЕКОЛОГІЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМА прісної води - Карім_Хайдаров.
27.06.2019 - 9:57: ЕКОНОМІКА І ФІНАНСИ - Economy and Finances -> ПРОБЛЕМА криміналізації економіки - Карім_Хайдаров.
27.06.2019 - 9:56: ВІЙНА, ПОЛІТИКА І НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДІЯ.НЕТ - Карім_Хайдаров.
27.06.2019 - 9:53: НОВІ ТЕХНОЛОГІЇ - New Technologies -> "Зеніт" и з "Протон" ами будуть падати - Карім_Хайдаров.
27.06.2019 - 9:47: ВІЙНА, ПОЛІТИКА І НАУКА - War, Politics and Science -> Расчеловечивания ЛЮДИНИ. КОМУ ЦЕ ТРЕБА? - Карім_Хайдаров.