На этой странице:

Планеты-гиганты

Юпитер

Юпитер — самая большая планета в Солнечной системе. Его масса

1,9- 1О30 г. Это лишь на два порядка меньше массы Солнца. Теоретически для становления на звездный путь эволюции этой планете не хватило всего 10 масс.

Среднее гелиоцентрическое расстояние Юпитера 778,34 млн км. Период обращения вокруг Солнца — 11,86 земных лет. Планета обладает высокой осевой скоростью вращения — 9 ч 50 мин, причем ось почти перпендикулярна к плоскости орбиты, поэтому смены времен года на поверхности не происходит. Радиус Юпитера измерен по верхней кромке его атмосферы и составляет 71350 км. Средняя плотность также дается без учета плотности возможного твердого тела планеты, исходя из предположения ее водородно-гелиевого состава — р= 1,35 г/см3. Ускорение силы тяжести g=25,8 м/с2.

Юпитер обладает мощной атмосферой и сильным магнитным полем — порядка 400000 нТ по экватору, что находится в полном соответствии с его гигантской массой. Состав атмосферы изучен только по ее верхней кромке. Он включает 77% водорода, около 23% гелия, небольшие примеси метана, аммиака, а также следы воды, СО, молекулы фосфина (РН3), германа (ОеНд), дейтерия (D). Предполагается [69], что отмеченные примеси были вынесены конвективными потоками с нижних горизонтов атмосферы, где эти газы находятся в состоянии термодинамического равновесия. Это говорит о том, что на самом деле атмосфера Юпитера имеет более сложный, многокомпонентный состав. Если же исходить из преимущественно водородно-гелиевого состава верхней кромки юпитерианской атмосферы и на этом основании выводить состав тела планеты, то в данном случае было бы получено водородное строение и Земли. В самом деле, гравитационное расслоение земной атмосферы происходит с высоты 300 км. Выше этого уровня и до высоты 20000 км атмосфера состоит исключительно из всплывших молекул и ионов водорода (протонов), формирующих протоносферу.

Судя по приведенным данным, верхние и достаточно мощные слои атмосферы Юпитера действительно сложены гравитационно расслоенным водородом и гелием. Толщина атмосферы, вероятно, достигает нескольких тысяч километров, поэтому низы водородно-гелиевого слоя, находясь в области высоких давлений, сильно нагреты. Охлаждение же их происходит конвективным перемешиванием. Этот процесс и был успешно сфотографирован американской межпланетной станцией «Вояджер». В ходе такого перемешивания захватываются вулканические дымы, пары воды и другие газы, обнаруженные в качестве примесей в водородно-гелиевой части атмосферы. Эти дымы занимают следующий, более низкий уровень юпитерианской атмосферы и удерживаются силой гравитационного поля планеты.

Состав газов атмосферы Юпитера аналогичен глубинным газам Земли, а имеющаяся разница обусловлена тем, что земная атмосфера при наличии океана и мощного солнечного излучения проэволюционировала значительно дальше юпитерианской.

Огромная масса Юпитера создает уникальные термодинамические условия в обширном объеме недр этой планеты: мощное жидкое ядро и, следовательно, огромную астеносферную зону — источник грандиозного вулканизма. Именно вулканизму невиданного по земным меркам размаха обязан Юпитер своей мощной атмосферой, в которой сохранилась и значительная часть реликтовой газово-водородной атмосферы. Поскольку запасы акклюдированных на пылинках железосиликатного состава газов и воды в зоне формирования Юпитера были значительно больше, чем на орбитах землеподобных планет, то и выработка соответствующей газовой оболочки в ходе начавшейся сразу после аккреции термохимической реакции происходила в грандиозных масштабах. Повторяем, внешний облик Юпитера (впрочем, как и других планет-гигантов) находится в полном соответствии с их гигантской массой. Давление в зоне внешнего ядра достигает 107 атм, температура 106 К [49].

Исходя из соотношений геосфер на Земле и процента выработки протовещества в ходе ее эволюции, которое составляет примерно 60% [24], Юпитер должен иметь следующие параметры: радиус твердого тела — 40420 км, атмосфера — 29265 км, при этом средняя плотность твердого вещества планеты без атмосферы будет равна 6,84 r/cMJ [24].

Большое Красное Пятно, имеющее ширину 30—40 тыс. км, наблюдаемое в атмосфере Юпитера вот уже более 300 лет и сфотографированное «Вояджером», — одно из доказательств мощного вулканизма, продолжающегося с неослабеваемой энергией и в настоящее время. Его размеры все время меняются, свидетельствуя об изменении интенсивности вулканизма. Периодически появляющиеся оранжевые пятна меньших размеров говорят о действии все новых вулканов, которые после извержения затухают.

Температура верхних слоев атмосферы (по измерениям) равна -130 °C. В нижних слоях она может достигать 1000 °C и более. На твердой поверхности планеты, сложенной, как и Земля, силикатными породами, должен неизбежно возникнуть парниковый эффект, а температура достигать точек плавления коры. Поэтому выносимая с вулканизмом вода вместе с вулканическими газами поступает в атмосферу, где, по мере подъема и охлаждения, конденсируется в водяной пар. Свободной воды на планете нет.

В пользу высказанных соображений относительно природы и состава Юпитера свидетельствуют также наблюдения над его спутниками, и особенно Галилеевыми — Ио, Европа, Ганимед, Каллисто, параметры которых приведены в таблице 26.

Таблица 25

Показатели крупных спутников планет [24]

Спутник (его планета)

Диаметр, км

Радиус, км

Радиус атмосферы, км

Радиус общий, км

Средняя плотность, г/см3

Ганимед (Юпитер)

5000

2215

265

2500

2,35

Титан (Сатурн)

4850

2150

275

2425

2,32

Тритон (Нептун)

3770

1885

>500

2385

4,1

Каллисто

(Юпитер)

4700

1850

510

2350

1,6

Луна (Земля)

3476

1738

3,34

Ио (Юпитер)

3470

1709

26

26

3,19

Европа (Юпитер)

3100

1520

30

30

3,03

Из 16 спутников 4 Галилеевых — самые крупные, их размеры сравнимы с планетами земной группы. Ганимед, например, даже больше Меркурия. По фотографиям поверхности спутников и по их средней плотности ясно видно, что они в значительном объеме сложены твердым каменным материалом. Более того, на Ио в 1979 г. два космических аппарата «Вояджер» обнаружили 8 (!) действующих вулканов, газовые выбросы которых поднимались на сотни километров. Средняя плотность Ио равна средней плотности Луны. Силикатный состав его пород не вызывает сомнений. На Европе и Ганимеде обнаружена мощная ледяная кора. Об этом свидетельствует их сравнительно невысокая плотность — порядка 2 г/см3. Аналогичное строение имеет Каллисто. Все спутники, подобно Луне, повернуты одной стороной к Юпитеру, так как испытали мощное приливное торможение со стороны могущественной планеты.

Из приведенного следует, что большие спутники Юпитера имеют силикатное строение, прошли в своей эволюции полный процесс криогенеза (вариант земной океанизации при дефиците солнечного тепла, когда выносимая на поверхность вода не разливается океаном, а замерзает в виде мощных покровов). Как же в этом случае согласовать постулируемый газовый (да еще представленный легчайшим водородом и гелием) состав центрального тела — Юпитера — с каменным (силикатным) составом его спутников? Ведь аккреция происходила из материнского облака одного и того же состава и для спутников, и для планеты. Думается, что в рамках водородной концепции такое противоречие представляется неразрешимым.

Если бы первичное вещество было просто физическим объектом, характеризующимся только объемом и плотностью, то разнообразие его масс не представляло бы интереса, так как здесь действовали бы только гравитационные силы сжатия. Но протовещество — это еще и химический объект, который при определенных термодинамических условиях обладает высоким химическим потенциалом [24]. Поэтому крупные агломерации вещества превращаются в физико-химическую систему, в которой осуществляется запуск термохимических реакций и возможно дальнейшее преобразование протовещества. В условиях планет-гигантов эти реакции получили наибольшее распространение, так как высокие температуры в недрах Юпитера инициируются не только радиоактивными, но и специфическими термодинамическими параметрами, в частности очень высоким давлением — порядка 106 атм.

Нетрудно заметить, что водородная модель планет-гигантов химически инертна, раз и навсегда сформирована в акте творения и не имеет эволюционных перспектив.

Параметры планетных сфер Юпитера и других планет-гигантов были рассчитаны автором по тем же соотношениям, что и для планет земной группы. Все они прошли нормальную эволюцию без аномалий, которая имела место у Меркурия. Более того, их огромная реликтовая газоводородная атмосфера полностью предохранила поверхность от метеоритных бомбардировок и вторжения крупных планетезималей. Если короткоживущие изотопы пробились через эту газовую толщу реликтовой атмосферы, то параметры начального вулканизма будут мало отличаться от параметров, установленных для Земли и Венеры, с поправкой, естественно, на большую массу планет-гигантов. Термодинамические условия у Юпитера, сравнимые с условиями в зоне внешнего ядра (ЗРТ) у Земли, будут иметь место на глубине порядка 1000—1200 км, где давление равно 1,8— 2 -105 атм. В таблице 26 приведены расчетные параметры планетных сфер Юпитера. Современный размер его центрального металлического ядра составляет 8068 км, мантии — 18355 км, зоны внешнего ядра (возможное ЗРТ) — 13937 км. Рассчитанная толщина земной коры равна 60 км (рис. 18). Для молодого Юпитера также были рассчитаны параметры планетных сфер с учетом сокращения радиуса, как и у Земли, на 1 %: современный радиус твердого тела Юпитера — 40420 км [24], молодого Юпитера — 40824 км, сокращение составляет 404 км. Современный объем планеты равен 276-1012 км3, начальный — 285 -1012 км3. Разница AV=9,01012 км3. Найденные значения объема планеты позволяют определить объем и массу начального вулканизма и суммарный объем вулканизма, образовавшегося за последующие 4,5 • 109 лет.

Атмосфера

3° ООО

Вулканический слой

Ме02 + МеН2 -> Me + МеО + Н2О 6°

1200

Мантия

Me ядро

Км

Рис. 18. Внутреннее строение Юпитера (неводородная модель), рассчитанное в соответствии с коэффициентами пропорциональности, полученными для Земли и Луны

Для определения суммарного объема вулканизма найдем сначала этот параметр для Земли, где он составил 7,45-109 км3. Найдем отношение объема планеты в катархее (1,12-1012 км3) к начальному объему катар-хейского вулканизма для Земли, равному 6,0 ? 109 км3:

V™ / Хкл = 1,12 ? 1012 км3/6,0 • 109 км3 = 186. (VII.29)

Используя полученный коэффициент пропорциональности, найдем объем начального вулканизма у Юпитера:

V”4 =285 • 1012/186= 1,5 • 1012 км3. (VII.30)

Теперь определим отношения современных объемов планет Земли и Юпитера к суммарному объему вулканизма, образованному на их поверхности за последующие 4,0 • 109 лет:

V3e“ ZS V3e“ = 1,083 • 1012 км3/7,45 • 109 км3 = 145; (VII.31)

Човр Ск =276 •1012 км3/145= 1,9 • 1012 км3. (VII.32)

Таким образом, разница между двумя эпохами вулканизма на Юпитере составила 0,3 • 1012 км3, или 0,9-1027 г по массе. Общая масса вулканического материала, образованного за всю геологическую историю Юпитера, составила 5,7-1027 г, или (при современной площади поверхности Юпитера) 2- Ю10 км2, суммарная мощность вулканогенных образований на Юпитере будет равна:

Ню= V“K/S“Bp =1,9-1012 км3/2- IO10 км2 = 80 км. (VII.33)

Найдем суммарную мощность вулканических образований на Земле:

Нзем=7,45 • 109 км3/5,1 • 108 км2= 14,6 км. (VII.34)

Полученное значение характеризует среднюю мощность вулканогенного материала, переброшенного на поверхность Земли и преобразованного после геологической переработки в осадочно-гранитно-метаморфический комплекс, часть которого стала фундаментом континентальных и океанических платформ и щитов. Подстилаемая верхняя мантия, испытавшая значительную переработку поступающими летучими, теплом, минерализованными растворами и водой из зоны астеносферы, никогда не была на земной поверхности. По существу, она представляет собой мафический слой мощностью 25—30 км, традиционно относимый к нижнему разделу земной коры.

Интересно оценить интенсивность вулканизма на планетах-гигантах на примере Юпитера и сравнить их с земными параметрами. В период начального вулканизма, т.е. первые 500 млн лет, она составила на Юпитере 9600 км3/год; в последующие 4 • 109 лет — 225 км3/год. Объем выработанной воды в период начального вулканизма (0,5% от 4,5-1027 г вулканического материала) составил 2,3-1025 г, или 4,8-1016 г/год. В последующие 4 109 лет объем вулканизма был 6,75 -1017 г/год, или 675 км3/год воды (при 10%-ном ее содержании на данном этапе вулканизма). Суммарная масса воды на Юпитере составила 1,2-1026 г. Часть этой воды пошла на увлажнение горных пород, другая часть — на химические реакции в атмосфере и в виде пара существует в современной атмосфере Юпитера. Отношение масс начального вулканизма на Юпитере и Земле составляет:

4,5 • 1027 г/1,8 • 1025 г=250, (VII.35)

т.е. интенсивность вулканизма на Юпитере была на два порядка выше, чем на Земле.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >