Очевидно, что модель внутреннего строения планеты, т. е. вычисленное гипотетическое распределение химического состава, температуры, давления и плотности вещества от центра планеты до ее видимой поверхности, не должна вступать в противоречие с известными наблюдательными данными. Уран и Нептун, это можно сейчас утверждать вполне определенно, существенно отличаются своим внутренним строением от крупнейших представителей группы планет-гигантов. Размеры, масса и средняя плотность Юпитера и Сатурна свидетельствуют о том, что эти планеты в основном состоят из легких газов - водорода и гелия. Под действием колоссальных давлений, достигающих сотен тысяч атмосфер уже на глубинах в десятые доли радиуса, молекулярный водород переходит в особое - металлическое состояние (" Он теряет свою молекулярную структуру и состоит уже из отдельных атомов и свободных электронов, так как электронные оболочки атомов разрушаются, не выдерживая таких давлений). Лишь небольшие ядра из более тяжелых элементов, имеющие размеры и массу порядка земной, находятся в центрах этих планет.
Средняя плотность Урана и Нептуна при меньших размерах и массе оказывается уже слишком большой, чтобы можно было по аналогии с Юпитером и Сатурном считать эти планеты тоже состоящими в основном из легких газов. Расчет зависимости между массой и радиусом планеты при различных вариантах ее среднего химического состава показывает, что Юпитер и Сатурн по своим размерам и массе соответствуют как раз случаю с почти чисто водородным составом. Уран же и Нептун оказываются гораздо ближе к вариантам расчетов для планет, состоящих из более плотных веществ.
В принципе можно предложить бесчисленное множество комбинаций различных веществ, которые бы удовлетворительно описывали состав Урана и Нептуна. Но если исходить из того, что все планеты объединены общностью своего происхождения и образовались из окружавшего некогда Солнце газопылевого облака, естественнее всего отдать предпочтение тем элементам и их соединениям, которые обладают наибольшей космической распространенностью и наиболее характерны для химического состава Солнца и других тел Солнечной системы.
По современным представлениям, наиболее вероятной схемой внутреннего строения Урана и Нептуна может служить следующая. Внешний слой каждой из этих двух планет образован преимущественно смесью молекулярного водорода и гелия в пропорции, близкой к солнечной, т. е. с преобладанием водорода, которого в этой смеси не менее 85%. На долю этого слоя приходится относительно небольшая часть массы всей планеты - около 10%, т. е. гораздо меньше, чем на Юпитере и Сатурне. Давления в водородо-гелиевом слое достигают, по расчетам У. Хаббарда, приблизительно 200 тыс. атм. - этого еще недостаточно для перехода водорода в металлическое состояние.
Второй слой состоит в основном из воды, метана и аммиака. При давлении 10-6 атм и температурах от 2000 до 5000 К такая смесь может находиться и в твердом состоянии (в виде льда) и газожидком, если температура и давление близки к критической точке. Масса ледяного слоя составляет около 60-70% массы планеты. Центральная часть обеих планет образована ядром из "скальных веществ" или "камней". Его радиус составляет около трети радиуса всей планеты, масса - около 25%, основной состав - Si02, MgO, FeS и FeO.
На рис. 10 показано, как меняется плотность вдоль радиуса обеих планет для моделей, рассчитанных У. Хаббардом. Близкие к этим результаты были ранее получены советскими специалистами по внутреннему строению планет В. Н. Жарковым н В. П. Трубицыным, предложившими варианты двухслойных мо- делей (каменно-ледяное ядро и газовая оболочка), а также М. Подолаком и Р. Рейнольдсом (серия двухслойных моделей из каменного ядра и "ледяной" оболочки). В. Н. Жарков, В. П. Трубицын и А. Б. Ефимов недавно предположили, что водородо-гелиевая оболочка может быть более тонкой, чем принимается в моделях Хаббарда, при более толстом "ледяном" слое.
Выбор наиболее приемлемых моделей требует знания нескольких величин, которые взаимосвязаны между собой и в то же время служат как бы отражением внутреннего строения планеты: сжатие планеты (ее видимая сплюснутость), угловая скорость ее вращения, радиус и так называемый гравитационный момент. Если бы все эти величины были известны абсолютно точно, выбор модели был бы почти однозначным. Но пока, к сожалению, периоды вращения Урана и Нептуна мы знаем весьма приблизительно, так же как и радиусы этих планет определены еще со значительной погрешностью.
Температура во внешних слоях растет с глубиной. Об этом свидетельствуют данные радиоастрономических измерений яркостной температуры, которая увеличивается с увеличением длины волны, т. е. по мере роста глубины, с которой выходит радиоизлучение. Каменные ядра Урана и Нептуна в моделях Хаббарда считаются изотермическими, имеющими постоянную температуру около 7000 К. Перенос тепла из разогретых недр происходит, по-видимому, главным образом за счет конвективных движений, так как другие механизмы переноса (лучеиспускание и теплопроводность) оказываются гораздо менее эффективными. Конвективный же процесс приводит к тому, что распределение температуры с глубиной становится близким к адиабатическому: температура увеличивается приблизительно пропорционально глубине, коэффициент же пропорциональности определяется свойствами вещества данного слоя при больших давлениях.
Надо сказать, что трехслойная структура Урана и Нептуна вовсе не обязательна: "льды", т. е. вода, метан и аммиак, могут быть перемешаны с веществом "скального" ядра, могут быть и другие комбинации веществ. Правда, имеющиеся данные о периодах вращения планет (заведомо не короче 10 ч) как будто уже позволяют отбросить модели, не содержащие "ледяной" оболочки, так же как и модели с не меняющейся с глубиной плотностью, для которых потребовались бы периоды вращения более 24 ч.
Кстати, анализируя возможные изменения температуры в процессе эволюции Урана и Нептуна, Хаббард выдвинул интересное предположение, которое могло бы объяснить отсутствие выхода внутреннего тепла из недр Урана. Очевидно, что, остывая, планета должна постепенно достигнуть той температуры, которая обусловлена только притоком и поглощением лучистой энергии Солнца. Для Урана это температура около 57 К, для Нептуна - около 47 К. Так вот, Уран в процессе тепловой эволюции уже дошел до своей предельной температуры, а Нептуну потребуется еще некоторое время (возможно, еще несколько миллиардов лет), чтобы остыть до более низкой предельной температуры.
Конечно, эти расчеты основаны на некоторых упрощениях в принимаемых механизме охлаждения и термодинамических свойствах планеты, но само по себе такое объяснение одного из важных отличий Урана от других планет-гигантов кажется очень естественным.
| << Предыдущая глава | Следующая глава >> |
