ОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Каждый из нас хочет сорваться с насиженного места и отправиться в путешествие. Особенно ярко разгорается это желание в зимние месяцы, когда продолжительность дня сокращается до нескольких часов, а солнечные лучи лишь изредка прикасаются к обожженной морозом коже лица.

Так что же Вас держит? Вперед, навстречу Солнцу, морю и приключениям!

Отдых на море станет самым удивительным и невероятным зимним отпуском в вашей жизни. Только представьте себе на секунду: в ожидании весны Вы сможете загорать на песчаной пляже, вместо того, чтобы дрожать от холода дома, закутавшись в шерстяные одеяла!
Воплотить эту, кажущуюся на первый взгляд, несбыточную мечту в реальность Вам поможет сайт www.worldhome.ru.


012012 1952 11 ОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

 

Все началось от взрыва Сверхновой. Это произошло примерно ~4,5 миллиардов лет назад в одном из спиральных рукавов нашей Галактики на расстоянии 2/3 радиуса от ее центра. Взрыв Сверхновой нарушил гравитационную устойчивость межзвездной диффузной (рассеянной) материи. В результате в некотором объеме возник центр тяжести, к которому стала стягиваться межзвездная материя. По мере гравитационного стягивания массы росло центральное сгущение. Постепенно оно раскручивалось все быстрее, соответственно возрастали центробежные силы, и с некоторого момента на экваторе они уравнялись с силой тяжести. Наступил, как говорят астрофизики, режим ротационной неустойчивости.

На этом этапе центральное сгущение представляло собой быстро вращающуюся туманность, формой в виде двояковыпуклой линзы, с радиусом по экватору порядка 50 миллионов километров (орбита Меркурия — 55 млн. км). В дальнейшем в качестве синонимов «центрального сгущения» будут употребляться термины «небула» (от латинского «nebula» — туманность) и «Протосолнце».

Зная исходную плотность межзвездной материи и суммарное количество вещества Солнечной системы, можно оценить объем (и радиус) той сферы, внутри которой межзвездное вещество подверглось гравитационному стягиванию. Это, в свою очередь, позволяет определить временной интервал от взрыва Сверхновой до момента вхождения небулы в режим ротационной неустойчивости. Согласно расчетам астрофизиков на это ушло порядка одного миллиона лет. Весьма характерно, что сбор массы центрального сгущения происходил крайне неравномерно во времени. Первая сотая доля массы собиралась в центре примерно 750 тыс. лет, тогда как вся вторая половина вещества небулы была собрана за время порядка одной тысячи лет.

Расчеты также показывают, что температура центрального сгущения повышалась по мере сбора массы, и во время нахождения небулы в режиме ротационной неустойчивости она (температура) могла достигать нескольких тысяч градусов. При этом небула испытала особенно резкий нагрев в самый конечный момент сбора межзвездной материи, когда произошло быстрое гравитационное стягивание второй половины массы.

 

Здесь мне хотелось бы передать читателю четкий образ того, что происходило на данном этапе. Давайте представим миллион лет в виде одного часа земных суток и в масштабе этого времени мысленно проследим динамику процесса. Мы знаем, как долго тянется час, если его пережидать, не отвлекаясь, глядя на циферблат часов. Итак, со вспышкой Сверхновой мы засекаем время и смотрим туда, где должно появиться центральное сгущение. Проходит 30 долгих минут (1800 секунд), но мы ничего не видим, и лишь только на исходе 45-й минуты замечаем небольшое сгущение в одну сотую от будущей полной массы небулы. Далее процесс идет по нарастающей, и все же, за считанные секунды до истечения срока, в небуле собралась только половина ее будущей массы. И вдруг за последние три-четыре секунды (из отмеренного «часа-миллиона») масса вырастает вдвое, небула резко раскручивается до режима ротационной неустойчивости и нагревается так, что начинает светить.

 

 

012012 1952 21 ОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Рис. 1. Характер распределения массы (залито черным) и вращательного (углового) момента (стрелки) в сфере первичной туманности в начальный момент гравитационного стягивания.

 

Это «вдруг» обусловлено характером распределения массы и вращательного (углового) момента в сфере, охваченной гравитационным стягиванием. На рис. 1 показано распределение этих параметров по радиусу сферы (в центральном шаре, с радиусом в 1/5 от радиуса сферы, и в четырех сферических оболочках, каждая толщиной также в 1/5 радиуса). Как видно из графиков, изначально во внешней оболочке (в 1/5 радиуса) была заключена практически половина всей массы сферы и 2/3 ее суммарного углового момента. И вместе с тем втягивание именно этой порции межзвездной материи, на завершающем этапе сбора небулы, произошло примерно за 1000 лет. Это весьма малый срок в сравнении с миллионом лет, прошедшим с начала гравитационного стягивания. И именно к концу этого срока небула, из-за быстрого увеличения своей массы, испытала резкий разогрев и раскрутилась до состояния ротационной неустойчивости из-за еще более быстрого прироста углового момента.

 

Согласно выражению: ∆Q = P x ∆V, выделение тепла (∆Q) должно было происходить преимущественно во внутренних частях небулы, где давление (Р) и уплотнение (∆V) максимальны. Это должно было обусловить появление тепловой конвекции.

Важно отметить, что взрыв Сверхновой явился мощным актом нуклеосинтеза, благодаря которому вещество, попавшее в зону гравитационного стягивания, получило дополнительную порцию химических элементов по всему списку периодической системы Менделеева. При этом наряду со стабильными изотопами и долгоживущими радиоактивными элементами, дожившими до наших дней, была сформирована масса короткоживущих радиоактивных элементов, которые давным-давно вымерли. Среди этих короткоживущих было немало изотопов с периодами полураспада порядка 105 — 106 лет.

Радиация от распада короткоживущих изотопов обеспечивала ионизацию межзвездной диффузной материи, и, по крайней мере, первые миллионы лет она должна была находиться в частично ионизированном состоянии, в виде атомно-ионно-электронного газа, т.е. в виде плазмы *.

 

—————————————————————————————————————————————————

* Обычно термин плазма ассоциируется с наличием очень высоких температур в сотни тысяч и миллионы градусов. Однако плазма может быть холодной или, как говорят физики, «неизотермичной», с низкой ионной и высокой электронной температурами. Особенно это характерно, когда ионизация осуществляется не температурным нагревом, а жестким излучением (гамма-лучи, рентген, жесткий ультрафиолет).

—————————————————————————————————————————————————

 

Но в таком случае, если вещество было в виде плазмы, оно должно было собираться в небулу вместе с силовыми линиями магнитного поля Галактики (такова особенность плазмы). В сравнении с современным магнитным полем Земли напряженность галактического слабее примерно на 5 порядков, и его магнитные силовые линии распределены достаточно хаотично. По всей вероятности, и взрыв Сверхновой добавил немало хаоса в распределение галактических магнитных силовых линий на том этапе. Однако в небуле за счет уплотнения межзвездного вещества, с «вмороженными» в него силовыми линиями, напряженность унаследованного магнитного поля повысилась на много порядков, и в нем появился определенный мотив — что-то вроде «бабушкиного клубка шерсти», поскольку магнитные силовые линии как бы наматывались на небулу.

Теперь мы подошли к одному из самых главных явлений в формировании Солнечной системы — образованию протопланетного диска. Быстрое вращение небулы должно было определенным образом упорядочить потоки (по сути — струи), которые выносили тепло из внутренних зон небулы наружу. Силы Кориолиса закручивали эти струйные потоки в направлении обратном вращению. При столь быстром вращении эти струйные потоки закручивались в спирали.

Однако следует помнить, что вещество небулы и ее струйные потоки были представлены плазмой, которая является прекрасным проводником электричества, и что в небуле были собраны магнитные силовые линии галактического поля. Получается классическая картина — проводник движется в магнитном поле. Разумеется, в этом проводнике в силу индукции должен появиться поток электричества. И если проводник закручен в спираль и таких проводников много в объеме небулы, то это очень напоминает соленоид с многочисленными витками, который способен создавать внешнее дипольное магнитное поле. Таким образом, небула под занавес сбора своей массы начала генерировать собственное магнитное поле.

Перечислим снова причины данного явления: это плазменное состояние вещества небулы, резкое увеличение скорости вращения и резкий разогрев внутренних зон (и как следствие — появление струйных потоков, выносящих тепло наружу). Этот разогрев был обусловлен удвоением массы небулы на завершающем этапе ее формирования в связи с последним аккордом гравитационного стягивания. Отсюда следует, что энергия для генерации магнитного поля черпалась непосредственно от мощности процесса гравитационного стягивания. Соответственно, у небулы собственное магнитное поле было исключительно мощным.

 

Мощное дипольное магнитное поле сыграло чрезвычайно важную роль в дальнейшей эволюции центрального сгущения. Прежде всего небула оказалась как бы армирована магнитными силовыми линиями, т.е. как бы приобрела внутренний, относительно жесткий скелет и стала вращаться как твердое тело, все точки которого имели одинаковую угловую скорость вне зависимости от расстояния до оси вращения (от радиуса). И это удивительно, поскольку средняя плотность небулы на этом этапе по земным меркам соответствовала глубокому лабораторному вакууму.

 

В небесной механике широко используется физическая величина — mvr, так называемый момент количества движения*.

 

—————————————————————————————————————————————————

* Произведение массы на скорость «mv» в механике называют «количеством движения», а умножение на плечо «г» — «моментом». Отсюда проистекает название величины «mvr» — «момент количества движения». (Если система вращается, то плечо это радиус «r» удаленности массы «m» от оси вращения.)

—————————————————————————————————————————————————

 

В дальнейшем вместо этого длинного названия иногда будем использовать термин «момент» (беря его в кавычки). Расчеты показывают, что 98% суммарной величины «момента» Солнечной системы локализовано в планетах, общая масса которых составляет менее 1/700 от массы Солнца. Совершенно очевидно, что при формировании планет практически весь «момент» был перенесен из центра формирующейся системы на ее периферию. Без этого переноса планетная система попросту не смогла бы сформироваться. Надо сказать, что это большая (и больная) проблема для современной космогонии. И если вас, дорогой читатель, будут уверять, что она якобы решена, не верьте этим уверениям. Вместе с тем в нашем случае этой проблемы не существует, все произошло само собой (и перенос «момента» в том числе).

Как было уже сказано, собственное магнитное поле заставило всю массу небулы вращаться с одинаковой угловой скоростью «w». Поскольку линейная скорость равна произведению угловой скорости на радиус — «v = wr», то «момент», выраженный через угловую скорость, имеет вид «mwr2». Получается, что в системе, все части которой вращаются с одинаковой угловой скоростью, момент количества движения распределяется пропорционально квадрату радиуса — «r2». Следовательно, «момент» (как только заработало собственное магнитное поле) стал автоматически перетекать в зону, наиболее удаленную от оси вращения. В результате этого краевая экваториальная часть небулы отделилась и по мере перекачки в нее «момента» (в связи с увеличением «г») была сброшена и распространилась в плоскости эклиптики в виде протопланетного диска. Следует отметить, что собственное магнитное поле небулы распространялось далеко за ее пределы и на этапе сброса протопланетного диска дотягивалось до области, где сейчас располагается пояс астероидов. Это 3 астрономических единицы, и мы имеем четкие указания, что на этом расстоянии магнитное поле имело достаточно высокую напряженность (для чего «достаточную», будет показано ниже).

В процессе отделения протопланетного диска был очень интересный динамический момент. Выше мы уже говорили о появлении структуры соленоида в небуле на заключительном этапе сбора ее массы. Поскольку при протекании тока витки соленоида притягиваются друг к другу (по оси соленоида), то в результате вся структура должна была испытать резкое сжатие к экваториальной плоскости небулы. Следовательно, с началом генерации собственного магнитного поля должно было произойти достаточно резкое уплощение небулы. В результате ее экваториальный диаметр увеличился скачком, и это означает, что диск был действительно сброшен, вернее, было сброшено периферийное кольцо небулы, которое разлетелось в плоскости экватора и сформировало протопланетный диск. Получается, что небула как бы стряхнула с себя протопланетный диск.

Однако как только диск был сброшен и с ним ушел практически весь момент количества движения, оставшееся центральное сгущение резко замедлило скорость своего вращения. Силы Кориолиса столь же резко сошли на нет, и струйные потоки перестали закручиваться в спирали. Структура соленоида распалась, и генерация дипольного магнитного поля прекратилась. Получается воистину парадоксальная картина — собственное магнитное поле небулы включилось лишь на краткий миг («краткий» — по галактическим меркам) и лишь для того, чтобы сбросить протопланетный диск, и после этого тут же отключилось. В это трудно поверить, особенно если учесть, что на сброс диска и его распространение в экваториальной плоскости времени ушло порядка 100 лет и наблюдатель-долгожитель (долгожитель по нашим, земным меркам) мог бы просмотреть эту впечатляющую картину от начала до конца. Здесь впору воскликнуть — «О Силы Небесные, до чего же ловко вы спроектировали это!»

Явление аналогичное резкому торможению небулы, в связи с уходом диска, все мы наблюдали неоднократно, получая при этом большое эстетическое наслаждение. Вспомните, как эффектно фигуристка тормозит свое быстрое вращение на льду, позволяя рукам разлететься в стороны. Здесь, как и в случае с небулой, механика одна и та же. Велика ли масса кулачков грациозной фигуристки (?), но эта масса умножается на «r2», и отсюда столь впечатляющий эффект.

После сброса диска и резкого замедления вращения центрального сгущения центробежные силы уже не могли противостоять силам тяготения, в результате небула стала уплотняться и в конце концов превратилась в звезду. Вместе с тем это не было сверхбыстрое схлопывание объема, поскольку этому противодействовали плазменное состояние вещества и «вмороженные» в него магнитные силовые линии.

Прекращение генерации магнитного поля небулы, в связи с резким замедлением скорости ее вращения, стало причиной целого ряда последующих событий. Прежде всего, при уменьшении напряженности магнитного поля в протопланетном диске должен был появиться круговой (кольцевой) электропоток в силу явления самоиндукции. Это явление охватило внутреннюю часть диска, где впоследствии были сформированы планеты земного типа и пояс астероидов. Именно в этой зоне (как будет показано в дальнейшем) была высокая степень ионизации вещества, что гарантировало высокую электропроводность и, кроме того, в этой зоне магнитное поле (до его отключения) имело высокую напряженность.

Следует отметить, что чем мощнее магнитное поле, тем мощнее наводятся токи в проводящих контурах, охваченных этим полем, при отключении его источника. Первоначально круговой электропоток установился по всему поперечному сечению внутренней части диска. Однако сразу с появлением этого электропотока диск стал разделяться на множество отдельных колец в силу того, что частицы, имеющие одинаковый заряд и двигающиеся в одном направлении, притягиваются. Затем число этих колец уменьшилось, слабые кольца поглощались более сильными (с более мощным электропотоком). Но все равно, когда число этих колец перестало уменьшаться, их было много больше числа планет земного типа.

Здесь важно другое, с уменьшением числа колец и в связи с постоянной тенденцией к уменьшению их сечений* сила и плотность токов в них резко возрастали. Это спровоцировало так называемый «пинч-эффект»**, в результате чего кольца оказались разорваны на отдельные фрагменты, напоминающие по форме сардельки.

 

—————————————————————————————————————————————————

* Частицы, имеющие одинаковый заряд и двигающиеся в одном направлении, притягиваются. Физики называют это пондеромоторным взаимодействием заряженных частиц. Равным образом притягиваются проводники, если токи в них текут в одном направлении.

** При прохождении тока через плазменный проводник, длина которого много больше его толщины (т.е. через плазменный шнур), образуются своеобразные кольцевые манжеты из магнитных силовых линий, и с увеличением силы тока эти манжеты пережимают проводник полностью. Данное явление физики называют «пинч-эффектом» (от англ. «pinch» — сдавливать, сжимать).

—————————————————————————————————————————————————

 

В дальнейшем силы гравитации превратили эти «сардельки» в шаровидные глобулы, которые при такой трансформации приобрели слабое собственное вращение. В результате остатки силовых линий распадающегося магнитного поля в этих глобулах были смотаны в клубки. Таким образом, на данном этапе внутренняя часть диска оказалась плотно упакованной плазменными шаровидными глобулами, число которых достигало нескольких десят -ков тысяч, а диаметры до миллиона километров.

Надо сказать, что наблюдатели в это время могли видеть весьма впечатляющую картину. Как только в диске, в его внутренней части, установился круговой электропоток, эта зона стала светить жемчужно-белым светом. А когда этот электропоток разбился на кольца, то они засияли как яркая реклама в сумерках. Солнце еще не зажглось, и небула в своем гравитационном коллапсе светила сумеречным светом. Когда же пинч-эффект стал рвать кольца на сардельки, то места разрывов стали искрить в результате гигантских электроразрядов. Представьте себе, как выглядела эта картина, когда зажглись десятки тысяч электродуговых ламп, чудовищной мощности каждая. Но горели они совсем недолго и неровно, периодически вспыхивая и затухая.

Однако вернемся к внутренней зоне диска, упакованной глобулами. С момента взрыва Сверхновой шел все тот же миллион лет, просто события стали мелькать с калейдоскопической быстротой, и возникло ощущение, что времени прошло гораздо больше. Следовательно, короткоживущие изотопы все еще могли поддерживать достаточную степень ионизации, что препятствовало конденсации вещества глобул в твердые частицы. Этому препятствовали электростатические силы отталкивания, возникающие при сближении положительно заряженных частиц (так называемый «Кулоновский барьер»), т.е. газодинамические свойства плазмы не позволяли силам гравитации схлопнуть глобулы в твердые тела. Вместе с тем уж если диск распался на отдельные фрагменты и у каждого фрагмента образовался свой центр тяжести, то силы гравитации, безусловно, стали стягивать глобулы к их центрам тяжести, поддерживая тем самым строение данной зоны диска из индивидуальных физических образований. И нам остается рассмотреть: каким образом эволюционировал диск, плотно упакованный шарообразными глобулами, которые двигались по слабоэллиптическим орбитам (близким к круговым) в поле силы тяжести центрального сгущения — Протосолнца.

В конце 70-х годов прошлого века именно такую модель аккумуляции планет земного типа предложили Т.М.Энеев и Н.Н.Козлов. По признанию авторов, первоначально у них и в мыслях не было пойти против господствующих представлений о сборе планет из твердых частиц и тел*.

 

—————————————————————————————————————————————————

* С давних пор принято считать, что с отделением протопла-нетного диска от небулы он быстро остывал и в нем сразу же начиналась конденсация (в связи с падением температуры), которая менее чем за год могла вызвать резкое укрупнение частиц. По этой причине весь процесс аккумуляции планет представлялся как постепенное объединение твердых частиц и тел, которые якобы могли вырастать до астероидных и даже лунных размеров. Однако это, казалось бы, очень логичное, умозаключение абсолютно неприемлемо в свете того, что протопланетное вещество, остывая, оставалось в ионизированном состоянии (из-за радиоактивности), и это ставило абсолютный запрет на такую быструю конденсацию (вспомните про «кулоновский барьер» ионизированных частиц).

—————————————————————————————————————————————————

 

Они просто исходили из необходимости упростить по возможности модель для облегчения машинного счета. Суть в том, что если тела взаимодействуют, в связи с силами гравитации, по закону абсолютно неупругого удара (сближение, гравитационное сцепление, формирование приливных горбов и, наконец, слияние), то каждое сближение двух тел можно рассматривать как их объединение. При гравитационном сцеплении двух глобул они начинают вращаться вокруг общего центра тяжести (общего барицентра), продолжая свое движение по орбите, и их уже можно рассматривать как единое тело с суммарной массой в барицентре. Это упрощение настолько облегчило машинный счет, что число глобул (капель, по Энееву—Козлову) оказалось возможным довести до десятков тысяч. В результате модель позволила охватить всю зону формирования планет земного типа. Для вычислительной техники 70-х годов прошлого века это было весьма неожиданное расширение ее возможностей*.

 

—————————————————————————————————————————————————

* При моделировании сбора планет из твердых частиц и тел картина резко усложняется. При сближении двух твердых тел они могут столкнуться и отскочить друг от друга (сработала их упругость), могут раздробить друг друга на части (они оказались хрупкими), могут пройти рядом и возмутить орбиты друг друга (и получат большие эксцентриситеты своих орбит) и, наконец, могут объединиться, но это не самый вероятный исход события. Теперь попробуйте все это просчитать, когда столько вариантов и они множатся в процессе счета. Лучшие ЭВМ того времени (начало 80-х ХХ века) в твердотельных моделях аккумуляции могли обсчитывать не более тысячи частиц.

—————————————————————————————————————————————————

 

 

Итак, была поставлена и решена задача из области чистой механики: как будет эволюционировать диск, заданный 25600 каплями-глобулами, которые вращаются по кеплеровским (близким к круговым) орбитам в поле силы тяжести массивного центрального тела и гравитационно взаимодействуют друг с другом. В результате моделирования на ЭВМ были получены такие принципиальные параметры Солнечной системы, как характерное число планет, закон планетных расстояний (пропорция Тициуса—Боде), а также особенности вращения планет (прямое, как у Земли, и обратное, как у Венеры). Важно отметить, что данный механизм предполагает полное вычерпывание протопланетного вещества формирующейся протопланетой из своей зоны (без всякого остатка и потерь). Кроме того, по этой модели, Протоземля непосредственно после аккумуляции всего вещества из своей зоны какое-то время представляла собой протяженную и разреженную сферу с диаметром порядка миллионов километров**.

 

—————————————————————————————————————————————————

** По мере сбора глобул в протопланетную сферу ее масса увеличивалась и соответственно возрастали силы гравитационного стягивания. Это приводило к увеличению средней плотности. В результате радиус растущей протопланеты увеличивался сравнительно мало (он оставался в пределах первых миллионов км), но увеличивалась ее плотность.

—————————————————————————————————————————————————

 

В подобном состоянии после завершения аккумуляции должны были находиться и другие планеты земного типа (кстати, в противном случае не представляется возможным объяснить наблюдаемые наклоны осей вращения планетных тел).

По мере вымирания короткоживущих изотопов и уменьшения степени ионизации в сферах протопланет земного типа начались реакции с образованием первых химических соединений и процессы их конденсации. Поскольку вымирание короткоживущих было растянуто во времени, то, соответственно, был растянут во времени и процесс уплотнения этих протопланетных сфер в твердые планеты. По всей видимости, это продолжалось порядка полутора — двух миллионов лет. Однако продолжительность этого этапа сказывалась (и то лишь в какой-то мере) только на температурном режиме новорожденной планеты (чем дольше продолжительность процесса уплотнения, тем ниже исходная температура планеты). Следует отметить, что где-то на этом этапе зажглось Солнце, но это уже не могло существенно повлиять ни на состав планет, ни на характер их последующего развития.

В протопланетной сфере, объединенной силами гравитации, рост крупных тел был невозможен, и конденсация протовещества с последующим уплотнением его в твердую планету были подобны «мягкому снегопаду» к центру тяжести протопланеты.

В дальнейшем, в течение первого полумиллиарда лет существования Солнечной системы, планеты земного типа испытали исключительно интенсивную бомбардировку кометными и астероидными телами. При этом если источником астероидов мог быть пояс астероидов, который образовался в результате распада пятой от Солнца планеты (причины этого еще будут обсуждаться), то кометы, по мнению Т.Энеева, приходили с дальней периферии Солнечной системы, из «занептунной» области.

Итак, в данной главе было показано образование Земли как части Солнечной системы. При этом определяющую роль играло дипольное магнитное поле небулы. Но оказывается, это же магнитное поле (и только оно) определило исходные составы планет, и Земли в том числе. Об этом пойдет речь в следующей главе.

Здесь мы не будем обсуждать особенности формирования планет-гигантов, так как это увело бы нас в сторону от Земли и планет земного типа — основной цели этой статьи.


Найти на unnatural: ОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Автор: admin | 20 Январь 2012 | 355 просмотров

Новые статьи:

Оставить комментарий:

Все размещенные на сайте материалы без указания первоисточника являются авторскими. Любая перепечатка информации с данного сайта должна сопровождаться ссылкой, ведущей на www.unnatural.ru.
Rambler's Top100