Пути формирования планет

Планеты Солнечной системы возникли как обособленные тела в результате наложения двух процессов: конденсации солнечного газа в минеральные частицы разного размера и аккумуляции этих частиц

В свете данных космохимии можно считать, что планеты Солнечной системы возникли как обособленные тела в результате наложения двух процессов: конденсации солнечного газа в минеральные частицы разного размера и аккумуляции этих частиц. Однако, если основные пути конденсации протопланетной туманности поддаются качественной и отчасти количественной реставрации на основе космохимических данных, термохимических расчетов и отчасти модельных экспериментов, то аккумуляция конденсированных частиц до сих пор представляет собой проблему, которая ждет решения.

Современные сведения по составу планет и метеоритов свидетельствуют о том, что процесс аккумуляции протекал весьма разнообразно в зависимости от физико-химических свойств конденсатов и гелиоцентрического расстояния. Важно подчеркнуть, что процесс аккумуляции конденсатов начался вскоре после их появления или одновременно с их появлением, но не во всех случаях. Иногда объединение частиц разных температурных фракций указывает на то, что аккумуляция происходила после завершения конденсации всех фракций. В то же время, если бы в ранней истории Солнечной системы аккумуляция повсеместно совершалась после полной конденсации всех фракций солнечного газа, то в этом случае мы бы имели однородный состав планет земной группы и родоначальных метеоритных тел. Фракционирование силикатных и металлических компонентов было основным фактором при формировании планет. Оно связано с последовательностью конденсации веществ из остывающего солнечного газа, избирательной аккрецией конденсатов по мере их появления, удалением и рассеиванием вещества первичной туманности, которое не успело еще сконденсироваться и аккумулироваться. Средние плотности планет могут быть прямым результатом физических и химических условий в структуре первичной туманности при изменении температур, а также гелиоцентрического расстояния. Так, например, высокая плотность Меркурия может быть связана с агломерацией в условиях, при которых конденсировалось металлическое железо, но магнезиальные силикаты еще только начали конденсироваться.

В результате работ Г. Лорда, Дж. Ларимера и Э. Андерса, Ф. Хойла и Н. Викрамасинга, Л. Гроссмана, Дж. Льюиса и других исследователей металлосиликатное фракционирование все четче представляется как сочетание процессов конденсации и аккумуляции в определенной последовательности.

Химические равновесия в солнечном веществе первичной туманности были рассмотрены Дж. Льюисом, несколько упростившим задачу и принявшим во внимание только восемь элементов — H, C, O, S, Si, Mg, Ca, Fe. Поскольку имеются погрешности в оценке солнечного соотношения Fe:Si, при расчетах приняты три значения — 1,06, 0,96 и 0,86.

Давление в первичной туманности по модели А. Камерона связано непосредственно с гелиоцентрическим расстоянием и отмечает места образования планет. Второй график показывает изменение плотности конденсатов вдоль изобарического разреза при 10^-3 кгс/см² общего давления в зависимости от температуры конденсации, которая на данном графике указана в пределах от конденсационной температуры металлического железа до 400 К.

Наиболее существенными особенностями процессов, указанных на графиках, являются конденсация и удаление из газовой туманности металлического железа, конденсация магнезиальных силикатов (в данном случае для упрощения принят только MgSO₃), удаление из газа H₂S путем реакции с твердым железом, окисление оставшихся частиц железа до FeO и вхождение его в состав силикатов.

Характерная черта конденсационной последовательности состоит в уменьшении плотности от чистого железа (атомная масса 55,8) до MgSiO₃, затем, когда образуется FeS, плотность повышается и далее падает примерно на 5%, когда металлическое железо окисляется до FeO. Так как средняя атомная масса серы 32, то ее выделение в виде FeS увеличивает среднюю атомную массу на 1%. При этом содержание серы увеличивается примерно на 5%. Отсюда повышенная на 1 % средняя плотность Земли относительно Венеры может быть обязана повышенной концентрации тяжелой серы в Земле. Нетрудно заметить, что плотности веществ, предсказанные теорией, и реальные плотности вещества земных планет коррелируются очень хорошо.

Рассмотренные процессы приводят к следующим моделям строения и состава планет.

Вещество Меркурия характеризуется высоким содержанием тугоплавких окислов Fe, Ca, Al, Ti, Ni и др. и небольшим — окислов Mg, Si, К, Na. Его массивное железоникелевое ядро окружено маломощной мантией, сложенной магнезиальными силикатами. В ней присутствуют тугоплавкие окислы Са, Al, Ti. Летучие элементы находятся в минимальном количестве.

Вещество Венеры при нулевом давлении имеет несколько меньшую плотность, чем вещество Земли. Венера представляет собой сферическое тело, в недрах которого находится железоникелевое ядро. Массивная мантия, обволакивающая ядро, состоит из силикатов и незначительного количества железа (²Fe). Кора Венеры обогащена кремнеземом, калием и по составу близка к земной коре, что подтверждено данными радиометрических измерений автоматической космической станции «Венера-8». Вещество Венеры в процессе конденсации формировалось в условиях, устойчивых для щелочного полевого шпата, температура при этом, вероятно, была выше температуры формирования FeS и гидратированных силикатов.

По радиометрическим измерениям «Венеры-8» содержание калия в ее коре составляет около 4%. Сера присутствует в очень небольших количествах, что отражается на составе атмосферы планеты. Следует подчеркнуть, что в ее плотной атмосфере с температурой у основания 750 К никаких газов, содержащих серу, не обнаружено. В то же время в атмосфере планеты относительно мало воды, что может быть результатом как первичных условий^- формирования с минимальным количеством гидратированных минералов, так и вторичных эффектов, связанных с вековым «высыханием» Венеры (диссоциация молекул Н₂О и диссипация водорода).

Внутреннее малое ядро Земли состоит из сплава Fe—Ni, а обширное внешнее ядро — из сплава Fe—FeS. Земная мантия содержит до 10% FeO. Уменьшение содержания халькофильных элементов в коре и верхней мантии и заметный дефицит S, К, Rb и Cs обусловлены экстракцией их в расплаве сернистого железа. Общий состав Земли приближается к H-группе хондритов, но не идентичен им. Земная гидросфера и кора содержат массу воды, равную примерно 0,05% общей массы планеты. Отсюда представляется, что вещество Земли сформировалось ниже температуры образования FeS. Земля захватила в процессе аккумуляции гидратированные силикаты (в частности, возможно, тремолит), которые в дальнейшем явились главными источниками воды на нашей планете.

Марс существенно обеднен свободным железом. Он может содержать ядро, сложенное FeS—Fe, но с малым содержанием Fe по сравнению с эвтектикой (FeS—Fe). Мантия Марса обогащена FeO. Во время аккреции гидратированные минералы попали на Марс в значительном количестве. Современная кора Марса выделилась в процессе дифференциации мантии, но она более богата железом, чем кора Земли, что заметно проявляется в характере окраски поверхности планеты.

Один из важных выводов теории состоит в том, что присутствие дипольного магнитного поля на Земле и отсутствие его на Венере и Марсе может быть связано с различным составом их ядер. Обширное железосернистое ядро Земли является благоприятной средой для возникновения динамоэффекта и возбуждения магнитного поля.

Дальнейшее формирование твердых тел Солнечной системы в пределах астероидального кольца и в районе внешних планет (Юпитера и Сатурна) в общем происходило при пониженных температурах относительно области внутренних планет.

Астероиды имеют средние плотности, близкие к плотностям каменных метеоритов, обогащенных летучими, т. е. они подобны углистым хондритам. Все современные данные о природе астероидов свидетельствуют о том, что они могут быть сложены обычными метеоритными, а также серпентинизированными железомагнезиальными силикатами. Спектральная отражательная способность многих астероидов, которая сравнивалась с лабораторными спектрами отражения известных классов метеоритов, показывает, что материал типа углистых хондритов является наиболее распространенным в астероидальном поясе, в то время как материал обычных хондритов редок или вообще отсутствует. Галилеевы спутники Юпитера Ганимед и Каллисто имеют плотность 1,73 и 1,48 г/см³ соответственно и сложены преимущественно льдом. В то же время в их атмосферах отсутствует метан. Отсюда можно заключить, что оба спутника сформировались при температуре ниже конденсационной температуры водного льда, но выше конденсационной температуры -метана. Каллисто наряду с водным льдом может содержать гидрат аммония.

Титан имеет среднюю плотность 2,1 г/см³, но при нулевом давлении его плотность близка к плотности Ганимеда или Каллисто. Титан имеет массивную метановую атмосферу, что дает нам право предполагать конденсацию его материала внутри поля устойчивости метана.

Планеты возникли при аккумуляции частиц разного состава. Несомненно, что в разных частях первичной солнечной тумманности условия для этого были разными. Отсюда можно выдвинуть предположение, что аккреция была гетерогенной в широком смысле слова и зависела от температуры района охлаждающейся туманности и свойств конденсирующихся частиц. Вблизи Солнца практически не было резкой границы между конденсацией и аккрецией. Вдали от Солнца происходила аккреция преимущественно холодных частиц в наиболее гомогенном виде, что мы видим в хондритовых метеоритах, в которых раннетемпературные конденсаты перемешаны с позднетемпературными. Типичный случай такого контраста представляет собой хондрит С2 метеорита Альенде. Вблизи Солнца в пространстве между ним и Меркурием происходила аккреция тугоплавких окислов и силикатов, которые длительное время под влиянием солнечного нагрева пребывали вблизи точки плавления, легко слипались, образуя компактные массы. Интенсивная радиация Солнца удаляла из этой области легкие газы и летучие вещества, что способствовало ускорению аккреции. Аккреция при относительно низких температурах могла происходить аналогично коагуляции коллоидов в дисперсных системах (твердое тело — газ). Слипание частиц при столкновениях могло происходить согласно уравнениям, впервые выведенным М. Смолуховским в связи с теорией твердых растворов. Его модель с постоянным коэффициентом слипания, не зависящим от масс, приемлема также для частиц дыма. Некоторые вопросы слипания космической пыли были рассмотрены Б. А. Трубниковым. В. Л. Поляченко и А. М. Фридман изучали гравитационные колебания пылевого диска с центральным телом и рассчитали распределение плотности, при которой гребни стоячих волн совпали бы с современным расположением планет в Солнечной системе, согласно правилу Тициуса — Боде.

Литература:

1. Зооинженерный факультет МСХА: http://www.activestudy.info
2. Г.В. Войткевич. Основы теории происхождения Земли. Изд-во «Недра». Москва. 1979

Дата публикации: 02/06/2015