Навигация
Происхождение колец планет-гигантов
96755
знаков
1
таблица
2
изображения
1. Происхождение колец планет-гигантов
По мере увеличения массы планет и других небесных тел наступает такой период в их эволюции, когда они становятся способными удерживать в своей атмосфере не только тяжелые газы, но и легкие: водород и гелий. С точки зрения наличия и состава атмосфер у небесных тел, последние проходят в своем развитии три этапа. Малые тела Солнечной системы - ледяные планетки, кометы, астероиды, небольшие спутники и спутнички и метеорные тела - по-видимому, вообще не имеет никакой атмосферы. Или, точнее, они приобретают ее во время очередной галактической зимы, но после ее окончания постепенно теряют, поскольку сила гравитационного притяжения около их поверхности мала, и атомы и молекулы газовой атмосферы рассеиваются в межпланетное пространство.
Но масса небесных тел постепенно увеличивается за счет силикатной и ледяной компонент и наступает время, когда они приобретают возможность удерживать возле себя атмосферу, состоящую из тяжелых газов - азота, углекислого газа, кислорода и др. Но все они не способны удерживать около своей поверхности легкие газы - водород и гелий, которые являются самыми распространенными элементами во Вселенной.
Когда планеты-гиганты были меньше по размерам и массе и еще не являлись гигантами, они также не имели мощной водородно-гелиевой атмосферы. Они в то время ничем не отличались от таких небесных тел, как современные Плутон, Титан или Каллисто. Но постепенно их масса увеличивалась, и в один прекрасный момент эти некогда ледяные планеты одна за другой начали удерживать в своих атмосферах легкие газы. Их масса в то время достигала порядка 10 масс Земли. После этого они быстрыми темпами стали расти, главным образом за счет легких газов, их масса и размеры стали увеличиваться, а плотность, с учетом атмосферы - уменьшаться. Легкая атмосфера, состоящая преимущественно из водорода и гелия, достигает огромных размеров, в десятки тысяч километров.
В этой водородно-гелиевой атмосфере постоянно находятся облака, состоящие из капелек и кристалликов углекислоты, воды, метана, аммиака и т. д. Атмосфера вместе с облаками вращается одновременно с планетами вокруг их осей вращения. При этом облака достигают большой высоты: у Юпитера - 70 тыс. км., у Сатурна - 60 тыс. км., у Урана и Нептуна - около 25 тыс. км от центра планет.
Поскольку облака достигают большой высоты, а планеты-гиганты быстро вращается вокруг своих осей, облака, находящиеся в верхних слоях атмосферы планет-гигантов, имеют большую линейную скорость движения относительно центра планеты. У Сатурна верхние слои облаков обращаются вокруг его центра со скоростью около 10 км/сек., а у Юпитера - около 12 км/сек. Для сравнения укажем, что облака Земли обращаются вокруг ее оси вращения со скоростью всего около 0,5 км/сек.
Но атмосфера планет-гигантов не оканчивается там, где оканчивается облачный покров планет. Достаточно сказать, что атмосфера Земли простирается до 2 тыс. км., в то время как облака - только до 15 км. То же самое имеет место и у планет-гигантов. Можно предположить, что их верхние слои водородно-гелиевой атмосферы простираются намного выше облачного слоя, по-видимому, достигая ближайших к планетам спутничков, составляющих самое внутреннее кольцо планет-гигантов. При этом линейная скорость атомов и молекул верхних слоев атмосферы вращающейся планеты почти достигает орбитальной скорости спутничков ближайшего кольца.
Так обстоит дело в настоящее время, в условиях галактического лета. При наступлении же галактической зимы положение резко меняется. Однако, во время галактических зим все небесные тела испытывают торможение в газовой среде, при этом они начинают приближаться к центральном у телу. Спутнички планет-гигантов, составляющие их кольца, находятся ближе всего к планетам и, следовательно, имеют наибольшую орбитальную скорость. Они имеют наименьшую массу, размеры и плотность из всех спутников. Поэтому они имеют огромное относительное торможение, во много раз большее, чем другие спутники. И, вследствие этого обстоятельства, они становятся первыми жертвами наступающей галактической зимы. При погружении Солнечной системы в газово-пылевую среду туманности или плоскости Галактики спутнички колец планет-гигантов быстро тормозятся, быстро приближаются к планете, входят в ее верхние слои атмосферы (в это время зимняя атмосфера планеты, по-видимому, еще не сформировалась), еще более тормозятся и падают на ее поверхность. Впрочем, поверхности планеты они могут и не достичь, поскольку разогреются при трении в атмосфере, испарятся и присоединятся, хотя бы отчасти, к облачному слою.
Но затем во время галактической зимы увеличатся массы и размеры планеты, особенно ее атмосферы, увеличится скорость ее вращения, возрастет линейная скорость верхних слоев атмосферы. При достижении планетой и ее атмосферой достаточно большой величины и скорости вращения, верхние слои атмосферы начнут обращаться вокруг оси вращения планеты с первой космической скоростью. Но планета продолжает увеличиваться, увеличивается и скорость ее вращения, что приводит к дальнейшему увеличению линейной скорости движения верхних слоев атмосферы. В конце концов линейная скорость их возрастает настолько, что начинают образовываться газовые кольца, о чем мы уже говорили выше. Этих колец будет все больше и больше и в конце концов планеты-гиганты приобретут огромные по размерам (диаметру) газовые диски.
Но увеличение протяженности атмосферы и скорости вращения планеты приведет к тому, что облака, состоящие из капелек и кристалликов воды, углекислоты, аммиака, метана и других веществ ледяной компоненты будут подниматься от поверхности планеты все выше. При этом их линейная скорость будет расти и достигнет первой космической скорости. В результате вслед за газовой компонентой из экваториальной области планеты начнет перемещаться в газовый диск под действием центробежной силы и ледяная компонента, та ее часть, которая во взвешенном состоянии находится в виде облачного покрова в верхних слоях атмосферы, а так же некоторое количество пыли, и так будет продолжаться до конца галактической зимы.
Но вот галактическая зима окончилась, приток вещества на поверхность планеты и в ее атмосферу прекратился. Между тем перемещение атмосферного вещества из экваториальной области планеты в газовый диск продолжается. Это ведет к уменьшению протяженности атмосферы и, следовательно, линейной скорости верхних слоев атмосферы, в том числе скорости движения верхних облаков вокруг планеты. А это приводит к прекращению рассеивания облачного слоя, хотя рассеивание легких газов верхнего надоблачного слоя атмосферы продолжается еще длительное время.
В это же самое время происходит постепенное рассеивание водорода, гелия, азота, кислорода и, возможно, других газов из газового диска, что приводит к уменьшению его мощности, толщины и протяженности. Но ледяная компонента газового диска в основном сохраняется на своем месте. Она не рассеивается быстро в межпланетном пространстве, поскольку ее линейная скорость ниже параболической скорости, но и не опускается вниз, к планете, поскольку ее линейная скорость достигает первой космической скорости.
Изолировавшись от атмосферы и начав самостоятельное существование, газовый диск постепенно все более охлаждается, так что капельки жидкости при этом затвердевают. Но затвердевание вещества газового диска в мелкие кристаллики, а затем градинки, происходило и раньше, а теперь оно лишь усиливается, так что вскоре весь диск превращается из жидких капелек, твердых кристалликов и еще сохранившихся паров в миллиарды легких спутничков. Спутнички, возникшие раньше, вычерпывают жидкую часть ледяной компоненты, увеличивая свои размеры и массу. И в конце концов вещество, оторвавшееся от атмосферы и оставшееся на орбите планеты, превращается в твердые спутнички самых различных размеров: от миллиметров до десятков метров. При этом они все обращаются в плоскости экватора планеты без малейшего отклонения от нее, так что их наклонение должно быть равно нулю. Но то же самое, по-видимому, нельзя сказать об их эксцентриситете.
Если сравнивать кольца различных планет-гигантов, они будут иметь и различия. Возможно различие их химического состава, если различен состав облаков планет-гигантов. Следует отметить, что в состав спутничков колец планет-гигантов входит не только ледяная компонента облаков, но и пыль космических осадков. Необходимо отметить так же, что после окончания галактической зимы вещество спутничков колец пополняется за счет ледяной компоненты спутников планет, которые теряют ее при разогреве под воздействием приливного трения. Если бы не происходило это пополнение спутничков колец ледяной компонентой ближних спутников и даже пылью с поверхности маленьких спутничков, то, возможно, кольца уже исчезли бы или, по крайней мере, были бы менее плотными. Возможно, у Нептуна будут обнаружены уникальные кольца, которые обращаются, быть может, вокруг Нептуна в обратную сторону, поскольку они могут образовываться Тритоном. А может быть, в обратную сторону обращаются только несколько внешних разряженных колечек, а внутренние, тоже разряженные, обращаются в прямом направлении, т. к. они могли образоваться из атмосферы. Но, поскольку Нептун вращается медленно, у него может и не быть колец с прямым обращением. Плотность колец должна быть тем больше, чем более массивной является атмосфера планеты и чем больше является ее скорость вращения. Низкая плотность колец Юпитера может быть объяснена близостью Солнца, которое способствует сухому испарению (сублимации) вещества спутничков и его диссипации в межпланетное пространство вместе с потоком диссипирующих водорода и гелия. Ведь кольца планет-гигантов, прежде всего кольца Юпитера, ближе всего расположенные к Солнцу, после окончания галактической зимы ничем не защищены от солнечных лучей, в отличие, например, от поверхности планет, которые защищены облачным экраном. Да и образоваться спутнички колец Юпитера из-за близости к Солнцу могли, по-видимому, в меньшем количестве и с меньшими размерами и массой. Кроме того, они, возможно, под влиянием солнечного излучения уменьшаются до сих пор на протяжении всего галактического лета. Низкая плотность колец Урана может быть объяснена тем, что в отличие от других планет-гигантов он переодически поворачивается к Солнцу таким образом, что его кольца обращены к Солнцу не ребром и не под небольшим углом, а всей поверхностью, так что солнечные лучи падают на кольца Урана почти перпендикулярно. В результате на единицу площади колец Урана приходится солнечной лучистой энергии несколько больше, чем у кольца Сатурна. Поэтому ледяная компонента колец Урана, как и Юпитера, подвергаясь более сильному нагреву солнечными лучами, чем у Сатурна, постепенно диссипировала посредством сублимации в межпланетное пространство. И в кольцах Урана и Юпитера почти не осталось ледяной компоненты, но сохраняется еще силикатная компонента, которая, как полагают некоторые ученые, пополняется за счет небольших спутников, например, Амальтеи у Юпитера, а так же тех спутников, которые расположены между кольцами диска.
У Сатурна, возможно, происходит пополнение диска за счет вещества спутников не только силикатной, но и ледяной компоненты: водным льдом и замерзшими углекислотой, метаном, аммиаком и т. д.
Похожие работы
... группы) в основном проходил уже при отсутствии газа протопланетного облака, а атмосфера и гидросфера выделялись при дегазации первоначально твердых планетезималей, которые попадали на нее с периферии Солнечной системы. Многолетние геологические исследования показывают: Земля никак не могла образоваться из раскаленного газового сгустка и никогда не была расплавленной. В своей "юности" она, ...
... , что очень мало по сравнению с расстояниями до ближайших звёзд. Только некоторые кометы удаляются от Солнца на 100 тысяч а.е. и подвергаются воздействию притяжения звезд. Двигаясь в Галактике, Солнечная система время от времени пролетает сквозь межзвездные газопылевые облака. Вследствие крайней разряженности вещества этих облаков погружение Солнечной системы в облако может проявится только при ...
... подробно описал гипотезу образования Солнца и планет из уже вращающейся газовой туманности. Лаплас учёл основные характерные черты Солнечной системы, которые должна была объяснить любая гипотеза о её происхождении. В данный период наиболее разработанной является гипотеза О. Ю. Шмидта, разработанная в середине века. Часть 2: Туманность. Давайте перенесемся в далекое прошлое, ...
... поиск должен быть одним из важнейших ориентиров при формировании современной программы исследования космического пространства. Информация о реликтовом веществе в начальный период образования Солнечной системы будет способствовать углублению наших знаний о больших планетах, которые сформировались из мельчайших небесных тел, содержавших данное вещество. Таким образом, химический и физический анализы ...
0 комментариев