20.5. СОСТАВ ПЛАНЕТ И СПУТНИКОВ

В табл. 20.5.1а и 20.5.1б приведены известные нам данные о физических параметрах планет и спутников с оцененными погрешностями.

Во многих отношениях наиболее надежной является информация о Земле. Поэтому рассмотрим сначала фактические данные и теории, касающиеся состава нашей планеты.

20.5.1. ЗЕМЛЯ

Состав поверхностей Земли и Луны, единственных планетных тел земной группы, образцы которых изучены непосредственно, свидетельствуют о том, что наиболее распространенным элементом вплоть до значительной глубины является кислород. В Земле на глубине нескольких сотен километров плотность, вероятно, должна по существу определяться плотноупакованными ионами кислорода.

Резкое увеличение плотности на границе ядра и мантии интерпретируется различным образом.

1. Одно из предположений заключается в том, что граница создается фазовым переходом, вызванным высоким давлением. При этом происходит значительное уменьшение удельного объема и замыкание запрещенной зоны, приводящее к возникновению металлической проводимости. Об общих предпосылках этой гипотезы говорилось в разд. 20.4, п. 1. Возражения против нее отчасти основаны на результатах модельных экспериментов, в которых не удалось получить силикатную фазувысокой плотности. Однако эти результаты не полностью убедительны, поскольку в экспериментах использовалась ударная волна с изменяющейся интенсивностью, а не статическое давление; следовательно, превращение с временами релаксации, превышающими длительность ударно-волнового воздействия, безусловно не могло происходить.

2. Чтобы избежать предположения о гипотетической силикатной фазе высокой плотности, предложена другая

(см. скан)

(см. скан)

распространенная интерпретация, согласно которой химический состав ядра резко отличается от состава мантии. При этом ядро состоит в основном из железа и никеля, в сплав которых входит еще 10—20% легких элементов типа кремния или серы. Эта гипотеза нуждается в механизме, объясняющем неоднородное строение Земли. Кроме того, в ней подразумевается наличие высокой концентрации железа в исходном материале, из которого образовалась Земля.

Чтобы объяснить возможное разделение свободного от кислорода металлического ядра и мантии, состоящей в основном из силикатов, были предложены четыре механизма.

1. Металлическое ядро образовалось в результате нагрева в процессе аккреции. Движение теплового фронта аккреции рассматривалось в разд. 12.11-12.12. Анализ показал, что а) внутреннее ядро Земли должно было образоваться в процессе аккреции при низкой температуре; б) увеличивающееся истощение исходного материала в околоземной области космического пространства должно было примерно соответствовать образованию внешнего ядра; в) мантия образуется путем аккреции при низкой средней температуре, но с локальным нагревом при каждом соударении, заставляющем легкие расплавы мигрировать наружу с поверхности растущего планетного зародыша. Следовательно, тяжелые продукты дифференциации, включая металлы, не могли погрузиться дальше дна локально расплавленных полостей. Одновременное крупномасштабное плавление и погружение металла на большие радиальные расстояния должно было бы ограничиваться все еще жидким внешним ядром, полностью расплавленным в фазе убегающей аккреции.

В качестве механизма гравитационного отделения металлического ядра Хзнкс и Андерсон [207] предложили полное плавление всей планеты при катастрофической аккреции. Однако в этом механизме не учитывается распределение вещества перед аккрецией, которое удовлетворяет граничным условиям, обеспечивающим получение современной структуры систем планет и спутников. Кроме того, к нему применимо то же возражение, что и к любой схеме, включающей полное плавление Земли и рассматриваемой ниже в п. 2.

2. Ядро Земли образовалось во время или после аккреции планеты. Теория этого типа была детально разработана Эльзассером [145] и Берчем [67]. Эльзассер предположил, что в процессе аккреции Земля образуется как однородное тело, состоящее из смеси металлов, силикатов и сульфидов, подобной веществу метеоритов. За счет радиоактивного распада происходит постепенный нагрев недр планеты, достигающий точки плавления железа (или эвтектической точки в системе железо — сульфиды,

содержащей приблизительно 44 атомных процента серы [263, 312]) на большей глубине, чем определяется влиянием давления на плавление. При дальнейшем нагреве можно было бы достичь точки, где сила, удерживающая силикатный материал, становится недостаточной для поддержания гравитационной неустойчивости, обусловленной высокой плотностью расплава железа (или железо-сульфидов). В этой точке расплав стекал бы к центру Земли, выделяя потенциальную энергию. Выделение энергии должно было быть достаточным для полного расплавления всей планеты.

Эта схема встречается с трудностями, связанными с временными ограничениями в тепловой эволюции Земли. С одной стороны, процесс образования ядра не может начинаться до тех пор, пока радиоактивный нагрев не повысит температуру исходного вещества до диапазона температур плавления и не доведет силикатный материал до его температуры текучести. С другой стороны, обнаружены сохранившиеся участки коры, имеющие возраст 3,6 млрд лет. Сомнительно, позволили бы эти ограничения произойти полному плавлению в какой-либо период ранней истории Земли, например во время аккреции [261, 289]. Кроме этого, такое явление должно сопровождаться образованием тяжелой атмосферы, содержащей основную долю аккрецированных планетой летучих веществ (см. гл. 26). Вероятно, это должно было препятствовать охлаждению планеты до такой температуры конденсации паров, что океан не мог бы образоваться даже к настоящему времени. Тем не менее признаки сконденсированной воды и возникновения жизни были обнаружены в самых ранних из сохранившихся отложений, возраст которых превышает 3 млрд. лет

Другим наблюдательным фактом, имеющим отношение к вопросу образования ядра, является высокое содержание в силикатах магния из верхней мантии. Если металлическое железо, из которого, как теперь предполагается, состоит ядро, когда-то было равномерно распределено по всей протопланете, как, например, в каменных метеоритах, то расплавленные, мигрирующие капли железа должны были уменьшить содержание ионов никеля в силикатной фазе и перевести образующийся металлический никель в раствор в расплаве [354]; поэтому обычно предполагается, что ядро состоит главным образом из железо-никеля 166]. Аккреционное плавление действительно приводит к такому выделению никеля, что было продемонстрировано состоянием пород лунной поверхности. Они содержат мало металлического никелистого железа, а в силикатах магния содержится на порядок меньше ионов никеля, чем в породах земной мантии. Образование металла ядра за счет аккреционного или постаккреционного восстановления силикатов железа с углеродом [353], вероятно, было бы еще более эффективным способом удаления никеля из силикатной фазы. Следовательно, наличие значительных концентраций

окисленного никеля в земной мантии также свидетельствует против выделения металлического ядра за счет плавления из первоначально однородной планеты.

3. Дифференциация, приводящая в конечном счете к образованию железного ядра, обусловлена процессом взаимодействия твердых зерен в струйном потоке Земли. Было выдвинуто предположение, что сконденсированные железоникелевые металлические частицы могли соединяться вместе при более высоких относительных скоростях и, следовательно, в более ранний период эволюции струйного потока, чем силикатные зерна. Это могло быть обусловлено пластическими свойствами металла [329] или большим сечением процесса аккреции, вызванным намагниченностью зерен [209]. Такая селективная аккреция металлических зерен (если она вообще возможна) может происходить только тогда, когда относительные скорости зерен снижаются до дозвукового диапазона, поскольку столкновения при гиперзвуковых скоростях неизменно приводят к разрушению и испарению в металлических зернах [176, 316].

Данные наблюдений на метеоритах не подтверждают этот тип механизма, когда речь идет о преимущественной аккреции металла при столкновениях или в процессе намагничивания. Исследования состояния металлических зерен в хондритах (например, [406]) не обнаружили сваривания, вызываемого столкновениями. По-видимому, не существует каких-либо данных о наблюдении скоплений металлических зерен, характерных для магнитной аккреции. В противоположность этому такое скопление действительно наблюдается в ферромагнитных кристаллах из окисного железа (магнетит), выросших в космическом пространстве и соединившихся впоследствии в углистых хондритах (см. рис. 22.7.1 [84, 231, 242]). Против магнитостатической аккреции многодоменных зерен никелистого железа имеются возражения, выдвинутые Банерджи [56]. Наконец, убегающая аккреция в струйном потоке Земли должна была бы происходить при массе планеты, составлявшей приблизительно 1/10 от современной, что соответствовало массе ядра. Даже если бы могла происходить селективная аккреция металла, а силикатное вещество оставалось в струйном потоке в период образования внутреннего ядра, все вещество, движущееся по орбитам в области образования Земли, независимо от состава должно было быть сметено в ходе убегающей аккреции, совпадающей с образованием внешнего ядра (разд. 12.6).

4. Дифференциация происходит в сочетании с процессами размещения газа и конденсации. Предположение этого вида, представляющее теперь главным образом исторический интерес, было выдвинуто Эйкеном [151]. Недавно оно было возрождено в

модифицированном виде Турекьяном и Кларком [399], но без применения физических ограничений на конденсацию [47] или динамику аккреции (см. разд. 12.1-12.7). Гипотеза такого рода могла бы быть в принципе физически и химически возможна, если ad hoc предположить, что состав способных конденсироваться примесей в области внутренних планет земной группы изменялся во времени, имея более высокое содержание железа в первые лет выпадения вещества (приблизительно такое время требовалось для аккреции земного ядра; см. разд. 12.8-12.9).

Если бы удалось убедительно показать, что высокие плотности Земли и Венеры обусловлены высоким содержанием железа, этот факт дал бы наблюдательное подтверждение предположения об изменении во времени состава исходных материалов этих планет. В настоящее время такое предположение, хотя и умозрительное, получает некоторую поддержку благодаря взаимосвязям, рассмотренным в разд. 21.12.2.

20.5.2. МЕРКУРИЙ

Меркурий с радиусом имеет в центре такое же низкое давление, какое существует в верхней мантии Земли [279]. Несмотря на это Меркурий обладает высокой плотностью, достигающей Это можно понять с позиций обобщенного механизма фракционирования во внутренней области Солнечной системы, рассмотренного в разд. 20.5.1.

20.5.3. ВЕНЕРА

Рассуждения относительно состава Земли в разд. 20.5.1 применимы также к Венере, объем которой составляет 85,5% объема Земли, а масса — 81,6% массы Земли. Ее плотность, оцененная в лишь на 5% меньше плотности Земли. Если исходить из предположения о ядре из уплотненных силикатов, то Венера могла бы иметь такой же состав, как Земля, Луна и Марс. С другой стороны, если для объяснения высокой объемной плотности Земли и Венеры необходим избыток железа (что весьма вероятно), то эти две планеты вместе с Меркурием должны четко отличаться от группы Марс-Луна (см. рис. 20.7.1а).

20.5.4. ЛУНА И МАРС

Поскольку имеются веские указания на то, что Луна является захваченной планетой [3, 4, 6, 7, 19, 20, 183, 402], она рассматривается здесь как составная часть планетной системы.

Наблюдаемый химический состав лунной поверхности не может характеризовать ее недра. Если высокое содержание тория и урана в породе, лежащей на поверхности, сохраняется и на глубине, то недра Луны должны быть расплавлены на большом протяжении. Однако сейсмические наблюдения указывают на возможное частичное плавление только в центральной области глубже

Кроме того, породы того состава, который наблюдается на поверхности Луны, в глубоких недрах и в ограниченной зоне нижней коры, по-видимому, должны превращаться в высокоплотные соединения (сейсмические данные как будто указывают на подобное превращение в нижней коре [394]). Если эти фазы высокой плотности преобладают в недрах Луны, то ее средняя плотность должна быть значительно выше наблюдаемого значения [425]. Следовательно, более высокое содержание радиоактивных элементов во внешней части коры, а также ее базальто-анортозитный состав позволяют предположить, что либо при образовании Луны происходила последовательная аккреция веществ различного химического состава [41, 48, 172], либо процесс дифференциации избирательно переносил необходимые компоненты из внутренних областей к поверхности.

Последнее объяснение представляется реальным, поскольку трудно уклониться от вывода, что через мантии планет земной группы, включая мантию Луны, продвигался тепловой фронт аккреции (см. разд. 12.9-12.12). Такая перемещающаяся зона плавления, вероятно, вызывает вынос к поверхностной области планеты компонент с низкими температурами плавления, низкой плотностью или большим ионным радиусом [415, 416]. Из таких веществ состоит кора Земли и Луны (если не считать того, что в слабом гравитационном поле Луны значительная часть летучих компонент, по-видимому, выделилась [термическим путем (см. гл. 26).

Первое из двух упомянутых выше предположений (а именно: что исходное вещество недр Луны отличается по составу от вещества, образовавшего внешний слой Луны), по-видимому, более подходит к данному случаю. Однако подтверждение ему дает близость и, возможно, частичное перекрытие облаков в которых конденсировались исходные вещества планет земной группы. Эти взаимосвязи рассматриваются в разд. 21.12.2.

Независимо от причины дифференциации в Луне, из ее низкой средней плотности (см. табл. 20.5.1) четко следует, что по химическому составу Луна отличается от Меркурия, вероятнее всего, более низким содержанием железа. Кроме того, возможно, что Луна значительно отличается от Земли и Венеры по объемному химическому составу. Это предположение стало бы реальным, если бы удалось подтвердить, что высокие плотности

двух последних планет обусловлены высоким содержанием железа (см. разд. 20.5.1).

Объемная плотность Марса, равная позволяет предположить, что для него объемное отношение содержания тяжелых элементов к содержанию легких почти такое же, как для Луны и, следовательно, ниже, чем для Венеры и Земли (см. рис. 20.7.1а).

20.5.5. АСТЕРОИДЫ

Эти тела имеют достаточно малые размеры, поэтому можно пренебречь фазовыми переходами, вызванными давлением. С другой стороны, астероиды с размерами более обладают полем тяготения, которое, вероятно, достаточно велико, для того чтобы эффективно сжать рыхлое вещество. Следовательно, некоторые неопределенности в интерпретации данных, описанные в разд. 20.4, не относятся к таким большим астероидам. Их плотности в тех немногих случаях, когда они вообще известны, дают многообещающую информацию об общем химическом составе.

Определение масс по гравитационным возмущениям орбит другими астероидами было сделано только для Весты и Цереры [371]. Полученные значения в сочетании с результатами наиболее точных измерений радиусов [302] позволили получить для Цереры плотность и для Весты В телах, подобных этим (размерами в несколько сотен километров), пористость может сохраняться только в малой приповерхностной области. Поэтому низкие плотности (если они верны) свидетельствуют о наличии водосодержащих минералов или льдаво внутренних областях или (что менее вероятно) о породах, по существу не содержащих железа. Оптические измерения Чепмена и др. [106] показали, что поверхностный слой Весты состоит из вещества, абсорбционные свойства которого почти такие же, как у метеоритов, известных под названием богатых кальцием эвкритов (плотность которые также похожи на некоторые образцы лунных пород. Церера, наоборот, имеет более низкое альбедо и более синеватый цвет, чем Веста, и в ее спектре отсутствуют подходящие для диагностики полосы поглощения; она не имеет близкого сходства ни с одним из известных типов метеоритов [103].

Оптические свойства пылевого материала поверхности околоземного объекта 1685 Торо [179] подобны свойствам хондритов наиболее распространенного типа [104]. Однако в целом поверхности астероидов имеют сильно различающиеся оптические свойства [106]. Нам все еще не известно, имеются ли вообще (а если имеются, то в какой степени) соответствующие различия в их объемном химическом составе.

20.5.6. ЮПИТЕР И САТУРН

Массы этих планет настолько велики, а мы настолько мало знаем о поведении вещества при высоких давлениях, что никаких детальных предположений об их химическом составе сделать невозможно. Нельзя даже провести значимого сравнения Юпитера и Сатурна из-за большого различия их размеров.

Делались попытки создания моделей различных планет-гигантов но использованные при этом предположения были неизбежно весьма неопределенными. Выполненные расчеты, как правило, основаны на произвольном предположении, по которому состав исходного материала всех планет и спутников одинаков и подобен составу солнечной фотосферы. Такое предположение противоречит изменению в широком диапазоне значений объемной плотности, наблюдаемых среди малых тел Солнечной системы.

Далее, чтобы сделать выводы о химическом составе из значения средней плотности тела, необходимо знать распределение температуры внутри тела. Однако оценка внутренних температур в большой степени зависит от предполагаемого состава и неизвестных свойств рассматриваемых элементов при высоких давлениях. Если считать, что внутренняя область Юпитера должна иметь относительно низкую температуру и состоять из твердых водорода и гелия в металлическом состоянии, то теплота аккреции может быть эффективно удалена посредством теплопроводности. Однако открытие избыточного излучения Юпитера [69, 224] показало нереалистичность этой общепринятой картины и оставило открытым вопрос относительно внутренней температуры и химического состава. Следует отметить, что в период планетезимальной аккреции первичное распределение тепла, вероятно, было весьма различным для разных планет (см. разд. 12.11, рис. 12.11.1). Это распределение должно было повлиять на существующий в настоящее время профиль температуры внутри планеты.

Наконец, сильное магнитное поле, имеющееся на Юпитере и, вероятно, на других планетах-гигантах, может оказывать сильное влияние на теплоперенос в жидких или газообразных недрах планеты за счет подавления конвекции. Отсюда следует, что температура в недрах планет-гигантов может быть значительно выше тех значений, которые даются существующими моделями, и, кроме того, соответственно выше будет средняя атомная масса.

Хотя космические полеты к планетам-гигантам безусловно обеспечат дополнительную информацию, прямо или косвенно связанную с проблемой внутреннего состояния, эта проблема еще в течение долгого времени останется на уровне

предположений. Интересную информацию о совершенно неизвестном составе нелетучего вещества в планетах-гигантах, вероятно, можно получить по остаткам исходного материала в областях их образования. Из такого материала могут состоять малые тела в точках Лангранжа случае Юпитера — астероиды-Троянцы).

20.5.7. УРАН И НЕПТУН

Неопределенности химического состава, усложненные неизвестным внутренним термическим состоянием Юпитера и Сатурна, характерны также для Урана и Нептуна. Однако из-за близости размеров (Нептун, возможно, имеет несколько меньшие размеры, но определенно более плотен, чем Уран, — см. табл. 20.5.1) до некоторой степени имеет смысл сравнить физические свойства этой пары. Интересно отметить, что плотность Нептуна ( находящегося на расстоянии 30 а. от Солнца, больше плотности Урана ( расположенного на расстоянии 19 а. и обе планеты намного плотнее Сатурна, удаленного от Солнца на 9 а. (см. рис. 20.7.1а).

20.5.8. ТРИТОН

Обратное орбитальное движение этого тела, являющегося теперь спутником Нептуна, указывает на то, что Тритон был захвачен с планетной орбиты [281] и претерпел эволюцию, частично похожую на предполагаемую эволюцию Луны [19, 20, 183]. Масса и радиус Тритона были измерены с оцененными погрешностями соответственно. Комбинация крайних значений позволяет получить нижнее предельное значение плотности и верхний предел, превышающий «наилучшее» значение приблизительно равно

20.5.9. ПЛУТОН

Даже учитывая наибольшие из «возможных» ошибок в значениях массы и диаметра Плутона, трудно не прийти к выводу, что его плотность значительно превышает В качестве наилучшей оценки принимается плотность (Она вычислена в предположении, что радиус Плутона равен что близко к точному верхнему предельному значению радиуса определенному при покрытии звезд [318, стр. 253; Комбинация предельного значения объема, определенного при покрытии, с массой, соответствующей отрицательной ошибке в ее определении и равной 25% от наилучшей оценки, дает минимальное значение плотности Для получения более низких значений массы необходимо было бы предположить наличие существенно

больших погрешностей в оценках масс Нептуна и Сатурна [205], чем принято теперь [318]. Нижнее предельное значение радиуса определяется с меньшей точностью, чем верхнее, но оно не может намного отличаться от оцененного наилучшего значения, поскольку уменьшение радиуса быстро приводит к чрезмерно высоким плотностям (см. табл. 20.5.1).

Подобно Тритону, Плутон достаточно мал, чтобы исключить наличие в его недрах неизвестных фаз высокой плотности. Следовательно, относительно большая объемная плотность Плутона указывает на значительную долю каменистого материала и, если лучшая из современных оценок близка к действительности, также на значительное содержание железа.

20.5.10. СВЯЗЬ ОБЪЕМНОЙ ПЛОТНОСТИ С МАССАМИ ПЛАНЕТ

На рис. 20.5.1 нанесена зависимость плотности планет земной группы, рассмотренной выше и приведенной в табл. 20.5.1, от их массы. Для ряда Луна — Марс — Венера — Земля обнаружено систематическое увеличение плотности с увеличением массы. Оно может быть обусловлено сжатием, включая фазовые

Рис. 20.5.1. Зависимость плотности планет земной группы от массы. Через точки, соответствующие Луне, Марсу, Венере и Земле, можно провести плавную кривую, указывающую, что все эти планеты могут иметь сходный состав. Это потребует предположения, что вещество, подобное веществу Луны и Марса, может быть сжато в ядре до высоких плотностей соответствующих давлениям в ядре Венеры и Земли 1,5 Мбар). Однако в равной мере возможно, что содержание тяжелых элементов на Луне и Марсе совершенно иное, чем на Земле и Венере. Состав Меркурия в любом случае должен отличаться от состава всех остальных тел.

Рис. 20.5.2. Зависимость плотности внешних планет от их массы. Трудно поверить, что изменение плотности обусловлено только различием масс.

превращения, вызванные давлением; если это верно, то химический состав всех упомянутых тел может быть одним и тем же.

С другой стороны, можно выдвинуть доводы в пользу более высокого содержания тяжелых элементов на Венере и Земле по сравнению с Луной и Марсом (разд. 20.4, п.1, и 20.5.1). Однако для Меркурия в любом случае необходимо предположить отличный химический состав, обусловленный, видимо, более высоким содержанием железа.

На рис. 20.5.2 приведена зависимость плотности внешних планет от их массы. Для этой группы также очевидно, что плотности планет определяются не массой, а другими факторами.

20.5.11. СОСТАВ СПУТНИКОВ

Кроме Луны, рассматриваемой здесь как планета, имеющиеся значения массы и радиуса наиболее надежны для галилеевых спутников Юпитера. Найденные значения их плотностей заметно различаются: два меньших внутренних спутника и Европа) состоят из более плотного вещества, чем два внешних (Ганимед и Каллисто: (см. табл. 20.5.1).

Это расхождение в плотности, вероятно, указывает на различия в соотношении легких и более тяжелых элементов во льду или в жидких смесях, если судить по тому, что обнаружено для земных компонент [264], и еще раз свидетельствует о неоднородном составе исходных материалов и тел в Солнечной системе.

Плотности спутников Сатурна известны плохо, кроме, возможно, Титана, о котором сообщалось, что его плотность равна Оцененные плотности других спутников (табл. 20.5.1) в пределах погрешностей, на которые можно положиться, предполагают различия в 4 раза.

Плотности спутников Урана совершенно неизвестны.