Формирование Солнечной системы
Любая модель формирования солнечной системы должна иметь возможность объяснить ее текущее состояние. Прежде чем посмотреть, как сформировалась наша система, давайте вспомним некоторые ее особенности.
Солнечная система включает восемь планет. Их можно разделить на две группы: планеты-теллуры уменьшенного размера и массы, но высокой плотности (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и газовые гиганты, размеры и масса которых намного больше, но обладающие низкой плотностю. (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун)
Орбиты планет вокруг Солнца почти все находятся в одной плоскости, называемой плоскостью эклиптики. Солнечная система выглядит очень сплюснутой снаружи. Именно по этой причине земной наблюдатель всегда видит, как они движутся в очень узкой полосе неба, называемой Зодиаком.
Формирование Солнечной системы
Давайте перейдем к истории формирования нашей солнечной системы. Следующее описание является широко принятой моделью, хотя ее детали все еще являются предметом многочисленных обсуждений.
В самом начале, около 10 миллиардов лет назад, то, что однажды станет солнечной системой, представляло собой лишь крошечную долю гигантского облака водорода и гелия, двигающегося вокруг центра галактики.
С течением времени это облако медленно сжималось и становилось все тяжелее во время взрывов массивных звезд вокруг. Это объясняет изобилие тяжелых элементов в атмосфере, составляющих порядка 2 процентов.
Наконец, 4,6 миллиарда лет назад, под действием собственной гравитации, это облако разрушается само по себе и распадается на ряд более мелких облаков, одно из которых станет солнечной системой.
Эволюция солнечной протосистемы
Теперь четко определенная протосистема продолжает сокращаться все больше и больше. Но, согласно закону сохранения момента импульса, если размер тела уменьшается, его скорость вращения должна увеличиваться, чтобы компенсировать это. Следовательно, сжатие протосистемы сопровождается резким увеличением скорости вращения.
Кроме того, поскольку протосистема не является жесткой, в плоскости, перпендикулярной оси вращения, происходит сильное уплощение. Таким образом, мы получаем концентрацию материи в центре, протозвезду, окруженную диском материи, называемым протопланетным диском.
В простейших моделях солнечная система является результатом простого сжатия вращающегося газового облака. Но это должно привести к тому, что скорость вращения Солнца несовместима с тем фактом, что у него всего 3 процента от общего углового момента.
На самом деле, скорость будет замедлена силой магнитного поля. В преобладающих в то время физических условиях изменение магнитного поля автоматически вызывает изменение распределения материала. Импульсы магнитного поля, которые пересекают протосистему, деформируемы, но только ограниченным образом. Эта жесткость передается материалу, который создает связь между протозвездой и протопланетным диском. Именно благодаря этой связи центральная область замедляется и постепенно теряет свой угловой момент в пользу диска, который вращается все быстрее и быстрее.
Под действием замедления центробежная сила, испытываемая протозвездой, снижается, и, наконец, выброс материала прекращается. С этого момента две ранее связанные подсистемы имеют независимую эволюцию.
В центре протозвезда продолжает сокращаться, и ее температура быстро увеличивается. Наконец, начинается реакция ядерного синтеза и появляется известная нам звезда.
Формирование планет
В протопланетном диске атомы агломерируют, чтобы в дальнейшем стать пылью. Они объединяются в маленькие тела, называемые планетезималами. Этот этап длится несколько миллионов лет.
Из-за турбулентности в диске появляются и эволюционируют флуктуации плотности, что приводит к образованию крупных тел в процессе, называемом аккрецией. Эти тела продолжают захватывать планетезимали, которые они находят на своем пути, и в конечном итоге достигают уровня планеты.
Основная фаза аккреции заканчивается около 4,4 миллиарда лет назад, хотя интенсивная бомбардировка продолжается в течение миллиарда лет.
Последний аспект планет зависит от расстояния до Солнца. Рядом с этим, легкие элементы получают много энергии и становятся слишком горячими. Таким образом, материал, из которого состоят эти планеты, богат тяжелыми элементами, такими как железо или кремний, что объясняет их высокую плотность.
Вдали от Солнца аккреция планетезималей находится в виде плотного ядра, которое является отправной точкой для последующего роста. Вокруг этого ядра накапливается газовая оболочка, что приводит к очень громоздкой и массивной планете, но по существу состоящей из водорода и, следовательно, не очень плотной.
Формирование атмосферы
Одной из самых ярких особенностей планет Солнечной системы является большое разнообразие в составе их атмосферы, от гигантских газовых планет, где преобладают водород и гелий, до Венеры и Марса, атмосфера которых в основном состоит из углекислого газа и, конечно, особый случай Земля и ее кислорода.
Способность планеты или спутника сохранять атмосферу зависит от нескольких параметров. Атомы или молекулы, способные образовывать атмосферу, подвержены перемешиванию от теплового воздействия. Это дает им своего рода среднюю скорость движения, которая сравнивается со скоростью освобождения планеты, то есть минимальной скоростью, которую объект должен сохранить, чтобы избежать гравитационного притяжения. (например, 11,2 километра в секунду для Земли).
Три сценария для атмосферы
Поскольку атмосфера планеты состоит из молекул, мы можем показать, сравнивая тепловое воздействие и скорость выброса, что состав атмосферы зависит главным образом от массы тела, его размера и его температуры, а также расстояния до Солнца.
Для солнечной системы характерны три случая. Во-первых, тела, которые не смогли поддерживать атмосферу, как правило, из-за малой массы и из-за низкой гравитации. Это Меркурий, Луна, Плутон и все спутники Солнечной системы, за исключением Титана.
Затем очень массивные тела, способные удерживать все типы газов, в частности водород и гелий. Это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.
Наконец, наиболее интересный случай - это планеты или спутники, имеющие промежуточную массу или очень низкую температуру: Венера, Земля, Марс и Титан. Эти четыре тела потеряли водород и гелий, но смогли удержать более тяжелые газы, такие как углекислый газ или водяной пар.
Атмосфера Венеры, Марса и Земли образована из одного и того же явления - дегазации вулканов, в результате чего газы, попавшие в горные породы во время формирования планеты, постепенно высвобождаются в результате извержений вулканов.
Тремя основными газами являются водяной пар (H2O), диоксид углерода (CO2) и диоксид серы (SO2). Но хотя три атмосферы были рождены одним и тем же механизмом, они быстро разошлись и продолжали своё развитие в совершенно разных условиях: CO2 при температуре 460 градусов на Венере, очень слабая атмосфера CO2 на Марсе и окружающая среда на Земле, где зародилась жизнь.
Уникальная атмосфера на Титане
Помимо Венеры, Земли, Марса и планет-гигантов, Титан - единственное тело в Солнечной системе, которое имеет значительную атмосферу. В основном это азот с долей метана.
Азот образуется в результате разрушения под воздействием солнечных ультрафиолетовых лучей молекул аммиака (NH3), соединения, которое широко распространено во внешних областях солнечной системы.
Присутствие метана более загадочно. Этот газ должен был исчезнуть через десять миллионов лет, если он не будет постоянно обновляться. Поэтому должен существовать источник метана внутри планеты.
