Модели внутреннего строения планет. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Недра планет недоступны прямым наблюдениям. Даже для Земли керны из глубоких (до 12 км) скважин и фрагменты изверженных глубинных пород дают сведения о составе и структуре вещества лишь приповерхностных слоев внеш. твёрдой оболочки. Данные о породах Луны, Венеры и Марса, изучение спектральных особенностей поверхностей планет и астероидов, атмосфер планет-гигантов также позволяют судить лишь о составе самых внешних оболочек. Поэтому для исследования планетных недр прибегают к построению моделей внутр. строения планет, т. е. расчёту хим. и минерального состава, внутр. гравитационных, тепловых, магн. и др. полей с последующим сравнением теоретич. предсказаний с данными наблюдений. Весьма общие ограничения на возможные состав и структуру планеты дают сведения о её массе М и радиусе R (а следовательно, и о ср. плотности) с учётом распространённости элементов в космосе и данных физики высоких давлений. Для построения моделей планет привлекаются данные по гравитац. и магн. полям планеты, тепловому потоку из недр, собств. колебаниям и (для Земли и Луны) сейсмич. данным.
Планеты земной группы имеют твёрдые оболочки, в к-рых сосредоточена б. ч. их массы. Существенный объём планетных оболочек находится в состоянии, близком к гидростатич. равновесию, поскольку предел текучести пород играет роль лишь для относительно быстрых приповерхностных движений. Распределения давления Р, плотности r и ускорения силы тяжести g по расстоянию от центра планеты r находят из решения системы ур-нпй: ур-ния гидроста-тпч. равновесия

для предполагаемой смеси компонент с плотностью

где

и x_i - плотность и доля i-й компоненты по массе (х_i = т_i/т, т_i - масса i -и компоненты, М - суммарная масса в единичном объёме). Ср. плотности планет и данные по ур-ниям состояния для осн. породообразующих элементов Si, Mg, Fe, Al, Ca и их окислов показывают, что в среднем планеты земной группы на ²/₃ состоят из ферромагнезиальных силикатов и на ¹/₃из железа с примесью никеля и др. элементов. Модели внутр. строения Земли благодаря глубинному сейсмич. зондированию, данным о нутации и прецессии разработаны весьма детально, и осуществляется переход к более сложным моделям, учитывающим особенности горизонтального строения литосферы и верхней мантии под океанич. и континентальными регионами. Для построения моделей планет земной группы широко используются представления об оболочечной структуре, полученные для Земли. Обычно выделяют кору (10 - 100 км), мантию (1000 - 3000 км) и ядро. Ядро - наиб. плотная часть (12 - 13 г/см³ в центре Земли), кора - наименее плотная (для Земли 2,7 - 2,8 г/см³), плотность мантии - промежуточная (для Земли 2,8 - 3,5 г/см³). У Земли ядро подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твёрдое). Предполагают, что жидкое ядро имеется у Меркурия и Венеры. Марс, обладая заметным вращением, имеет сравнительно небольшой магн. момент, и существование расплавленного ядра для него остаётся под вопросом. Внутр. строение Венеры в основном схоже со строением Земли, однако из-за медленного вращения Венеры не удаётся оценить её момент инерции и, следовательно, в отсутствие сейсмич. данных, нет строгого подтверждения существования у неё ядра и соответствующих земным верхней и нижней мантийных оболочек. Отсутствие сейсмич. данных не позволяет также сделать определённые выводы о структуре и размерах оболочек др. планет земной группы. Момент инерции Марса свидетельствует о наличии небольшого (

15% от массы планеты) ядра. Размеры и фазовое состояние ядра зависят от его хим. состава (рис. 1). На больших временах (10⁶ - 10⁸ лет) вещество планетных недр ведёт себя как вязкая жидкость. В результате неравномерных нагрева и распределения состава в оболочках могут возникать конвективные движения, приводящие к тепло- и массопереносу.

Рис. 1. Модель внутреннего строения Марса. Показаны два варианта ядра.

Масштаб конвекции определяется величиной отклонений распределений температуры и состава от равновесных, а интенсивность - вязкостью и др. реологич. параметрами. Оценки температур в недрах планет земной группы основаны на представлениях об их образовании путём аккумуляции из твёрдых тел и относительно раннем формировании оболочек (в ходе этих процессов происходило выделение гравитац. энергии ~10¹¹ эрг/г), а также на данных о содержании радиоакт. элементов U, Th и ⁴⁰К. Согласно оценкам, темп-pa в центре Земли

5000 - 6000 К, на границе ядро - мантия - 3500 - 4000 К. Темп-ры центральных областей Венеры, по-видимому, на 100 - 300 К ниже земных. В ядрах Меркурия и Марса темп-pa, вероятно, ок. 2500 - 3000 К.
Плутон, по-видимому, имеет силикатное ядро и ледяную оболочку.
Астероиды. О внутр. строении астероидов также известно мало. Метеоритные данные указывают на то, что вещество малых планет (по крайней мере многих из них) прошло через интенсивную ударную переработку, нагрев и дегазацию уже в ходе их образования. Существование каменных и железных метеоритов свидетельствует о том, что недра отд. астероидов были нагреты до температур плавления, обеспечивших возможность расслоения (дифференциации) первичного вещества на силикаты и железоникелевый сплав. Осн. особенностью внутр. строения малых планет являются сравнительно низкие температуры и давления, а также относительно большая толщина неконсолидиров. пород (рего-лита), образованного ударами др. тел. Не исключено, что астероиды, от к-рых поступает дифференциров. вещество, не расслоены на соответствующие оболочки, а содержат лишь отд. области, испытавшие высокотемпературный нагрев и местную дифференциацию вещества (модель "изюминки в тесте").
Планеты-гиганты принято считать газожидкими телами с конвективными оболочками, в к-рых распределение температуры близко к адиабатическому. Это заключение основано на след, данных наблюдений. По данным ИК-наблюдений, поток тепла из недр планет оказался равным 10⁴ эрг/см²х с (для Юпитера) и 3 х 10³эрг/см²х с (для Сатурна). Поскольку такой поток более чем на 4 порядка превышает поток тепла за счёт молекулярной теплопроводности, то это указывает на конвективное состояние внеш. зоны или всей планеты. Юпитер, Сатурн, Уран и, возможно, Нептун обладают собств. магн. полем, к-рое, вероятно, генерируется в конвективном ядре. Эволюция орбит спутников Юпитера, Сатурна и Урана, измерения гравитац. поля Юпитера также указывают на жидкое, близкое к гидростатически равновесному, состояние планет.
Хим. состав планет-гигантов резко отличается от состава планет земной группы. Согласно теории происхождения Солнечной системы, в протопланетном облаке в области планет-гигантов температуры после остывания облака не превышали 150 К, а газовое давление 10^-5 - 10^-7 бар (в зоне Юпитера и Сатурна) и 10^-7 - 10^-8 бар (в зоне Урана и Нептуна). При таких условиях большинство элементов образуют гидриды и окислы. Вещества, из к-рых построены планеты-гиганты, принято разделять по летучести на газовую компоненту - Г(Н₂, Не, Ne), "льды" - Л(СН₄, NH₃, H₂O) и тяжёлую компоненту - TK(SiO₂, MgO, FeO, FeS, Fe, Ni, ...) . Сведения о хим. составе недр планет-гигантов даёт расчёт моделей внутр. строения планет, удовлетворяющих наблюдаемым значениям массы, радиуса и зональных гармоник гравитац. поля планет. Из-за относительно большой угл. скорости вращения

в ур-ние (1) входит дополнит. член

а вследствие довольно высоких температур (

10³ К) в недрах планет в ур-нии (3) учитывают температурные поправки

Простейшие модели (двухслойные) состоят из наружной оболочки (Г + Л) и ядра (ТКЛ). Однако наблюдениям лучше удовлетворяют многослойные модели (см., напр., рис. 2). В оболочках Юпитера и Сатурна происходит переход молекулярного водорода в металлический. Давление перехода

3-10⁶бар и слабо зависит от температуры. При переходе к твёрдой фазе плотность скачкообразно увеличивается на

10%. В расплавл. состоянии (в жидкой фазе) переход происходит непрерывным образом. Расчёты моделей показали, что Уран (рис. 3) и Нептун, в отличие от Юпитера и Сатурна, обладают сильноперемешанными оболочками. Эти планеты имеют маленькие ТК-ядра (0,3 - 1% от полной массы планеты), массивные ледяные мантии с добавкой ТК-компоненты (с относит. содержанием, близким к солнечному) и наружные оболочки из Г- и Л-компонент. Построенные модели выявили след. тенденции в ряду планет-гигантов: при переходе от Юпитера к Нептуну содержание свободного водорода систематически убывает, а концентрация Л-компоненты в наружных оболочках растёт. Это может быть связано с различиями во временах формирования планет-гигантов и диссипацией газа из протопланетного облака.

Рис. 2. Четырёхслойная модель Юпитера с двухслойной молекулярной оболочкой. Справа показано распределение давления Р, температуры Т и плотности

по относительному радиусу

= r/R_ю (Дю - радиус Юпитера). Слева дан разрез модели с указанием значении плотности на границах раздела и отношения Л(ТКЛ)/Г в оболочках. Полные значения масс Г-, Л- и ТКЛ-компонент выражены в массах Земли.

Рис. 3. Двух- и трёхслойная модели Урана с различной степенью смешения Г-, Л- и ТК-компонент. Обозначения те же, что и на рис. 2.

Широкое распространение получает численное моделирование динамических (2- и 3-мерных) и эволюционных (1 - 2-мерных) моделей внутр. строения планет. Исследуются структура и интенсивность конвективных течений, вызванных разл. источниками тепла, влияние фазовых переходов и хим. превращений. Для планет земной группы предложены модели дифференциации и фракционирования внутр. оболочек, основанные на ур-ниях баланса потоков вещества с привлечением изотопных данных.

Литература по моделям внутреннего строения планет

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.