Стартовая Предметный указатель Новости науки и техники
Новости науки и техники
Мемристоры внедряются в электрические цепи
Исследователи HP Labs обнаружили интересное свойство новых элементов совершать логические операции
В полку всевозможных «исторов» ожидается пополнение. Мемристор - название нового элемента, применяемого в электрических цепях нового поколения. Мир познакомился с новым элементом на демонстрации в НР Labs. Компания НР совместно с Hynix Semiconductor Inc серьёзно занялись проблемой вывода мемристоров на рынок. Далее...

memristor

планеты и спутники.

ПЛАНЕТЫ И СПУТНИКИ. 9 больших планет Солнечной системы подразделяются на планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс)и планеты-гиганты, или планеты группы Юпитера (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), планета Плутон по своим размерам и свойствам значительно ближе к спутникам планет-гигантов.
Осн. характеристики планет, включая параметры орбитального и вращат. движений, приведены в табл. 1. Гл. различие между двумя группами планет состоит в их размерах, массе и, следовательно, ср. плотности, что обусловлено разными соотношениями слагающих планеты трёх осн. компонент: газов (в первую очередь самых летучих - водорода и гелия, обладающих к тому же очень низкими темп-рами конденсации), льдов (в основном воды, аммиака, метана) и горных ("скальных") пород (железа, силикатов, оксидов магния, алюминия, кальция и др. металлов). Их часто называют соответственно лёгкой, ледяной и тяжёлой компонентами.
В то время как планеты земной группы представляют собой твёрдые тела, практически целиком образованные тяжёлой компонентой, планеты-гиганты являются газожидкими (содержание тяжёлой компоненты, сосредоточенной в их ядрах, не превышает по массе неск. процентов). Юпитер в основном содержит водород и гелий (отношение Не/Н близко к солнечному, т. е. 0,2 по массе), а у Сатурна и особенно у Урана и Нептуна сильно возрастает вклад ледяной компоненты, достигающей, вероятно, у последних 85 - 90%. Твёрдой поверхности ни одна из планет группы Юпитера не имеет.

Табл. 1. - Основные характеристики планет
Планета
Ср. гелиоцентрич. расстояние (большая полуось орбиты), а. е.
15053-10.jpg
Наклонение

плоскости орбиты к эклиптике, град

Сидерический (орбитальный) период обращения (в земных годах)
Период вращения (в земных сутках d или часах h)
Эквато-риаль-ный радиус, км
Меркурий
0,387
0,206
7,0
0,24
58,6d
2439
Венера .
0,723
0,007
3,4
0,62
243d
6051,5
Земля .
1,000 (1,5 х 108 км)
0,017
0
1,000 (365,256 сут)
23 9n

(23h 56m 4,1з)

6378
Марс . .
1,524
0,093
1,8
1,88
24,6h
3394
Юпитер
5,203
0,048
1,3
11,86
9,9h
71398*
Сатурн .
9,539
0,056
2,5
29,46
10,2h
60246*
Уран. . .
19, 182
0,047
0,8
84,07
17,24h+-4
25559
Нептун
30,058
0,009
1,8
164,8
16,02h
24764
Плутон
39,439
0,247
17, 1
248,6
6,4h
1150
Продолжение
Планета
Объём (объём Земли = = 1)
Масса (масса Земли= = 1)
15053-11.jpg
15053-12.jpg
15053-13.jpg
15053-14.jpg
15053-15.jpg
15053-16.jpg
Меркурий
0,05
0,06
5,44
<30
Прямое
нет
0,0035
0,09
435
Венера .
0,90
0,82
5,24
177
Обратное
нет
-
0,75
228
Земля .
1,0 (1,083 х 1012 км3)
1 .0 (5,976 х l 024 кг)
5,52
23,5
Прямое
1
0,31
0,36
255
Марс . .
0,15
0,11
3,95
25,2
Прямое
2
0,0006
0,24
216
Юпитер
1318
318
1,33
3,1
Прямое
16
4,28
0,34
124
Сатурн...
755
95,1
0,69
26,4
Прямое
17
0,21
0,34
95
Уран . .
63
14,5
1,29
98
Обратное
15
0,25
0,34
58
Нептун
58
17,2
1,64
29
Прямое
8
0,13
0,31
59
Плутон
0,006
0,002
2,03
?
Прямое
1
0,50
37

* Значение, соответствующее уровню с давлением в атмосфере 1 бар.

Как следует из табл. 1, существенно различаются также характеристики поступательно-вращат. движений планет. Эти движения являются возмущёнными; возмущения, возникающие вследствие взаимного притяжения планет, приводят к отклонениям их орбит от кеплерова эллипса (см. Кеплера законы). Свойства орбит определяются на основе аналитич. и численных решений ур-ний движения и теорем классич. небесной механики; дополнит. возмущение орбиты вследствие релятивистских эффектов заметно обнаруживается лишь в смещении перигелия Меркурия (см. Тяготение).
Тепловой режим планеты характеризуется ср. эффективной, или равновесной, темп-рой Те. Она определяется из условия баланса энергии, поступающей от Солнца и излучаемой планетой в окружающее пространство. Для этих целей используется указанное в табл. 1 наряду с Те значение интегрального сферич. альбедо (альбедо Бонда) А. На расстоянии а (в астр. единицах) планеты от Солнца

15053-17.jpg

т. е.

15053-18.jpg

Здесь Ес = 1,37 х 106 эрг х см-2с-1 - солнечная постоянная; R - радиус планеты;15053-19.jpg = 5,67 х 10-6 эрг х см-2 х К-4-1 - Стефана - Больцмана постоянная; Те - в Кельвинах.
Яркостная температура близка к равновесной. Исключение составляют Юпитер, Сатурн, Нептун, для к-рых яркостная тема-pa заметно выше равновесной. Это обусловлено наличием в их недрах внутр. источника тепла. Природу источника связывают с выделением гравитац. энергии - либо за счёт продолжающегося сжатия (Юпитер), либо за счёт выпадения гелия из водородно-гелиевого раствора (Сатурн). Соответственно, значения Те для планет-гигантов, приведённые в табл. 1, выше равновесных темп-р, определяемых соотношением (1).
Наличие даже сравнительно небольшой эллиптичности орбиты вызывает заметные сезонные изменения на планетах за счёт большего притока энергии от Солнца (инсоляции) в перигелии. Для Марса превышение составляет ок. 45%, а для Меркурия достигает 200%. Однако осн. роль в сезонных изменениях и их длительности играет наклон оси вращения (особенно в случае сопоставимости периода вращения с периодом обращения вокруг Солнца). Период вращения Марса вокруг оси почти равен земному, а у Венеры и Меркурия вращение аномально медленное, причём у Венеры направление вращения обратное. Солнечные сутки на Венере и Меркурии составляют соответственно 116,75 и 175,97 земных суток. Помимо Венеры обратным вращением обладает также Уран, ось вращения к-рого лежит почти в плоскости его орбиты.
Среди планет земной группы атмосферы имеют лишь Земля, Венера и Марс. Меркурий, как и Луна, практически лишён газовой оболочки. Давление атмосферы у поверхности Венеры примерно на два порядка больше, а у поверхности Марса примерно на два порядка меньше, чем у поверхности Земли. Средняя темп-pa поверхности Марса составляет ок. - 60° С. Темп-pa у поверхности Венеры приблизительно 5000С (наличие плотной атмосферы приводит к значит, парниковому эффекту, а интенсивная циркуляция атмосферы выравнивает темп-ру поверхности).
В атмосфере Земли преобладают азот и кислород, в атмосферах Венеры и Марса - углекислый газ, относительное объёмное содержание к-рого на обеих планетах св. 95%, а атмосферы планет-гигантов в основном водородно-гелиевые.
Осн. сведения о хим. составе, темп-ре, давлении и плотности атмосфер планет, практически целиком основанные на результатах космич. экспериментов, приведены в табл. 2.
Из-за малости эксцентриситета и отклонения оси вращения от нормали к плоскости орбиты на Венере смены сезонов практически не происходит. В то же время для Марса оба эффекта играют существ. роль, приводя помимо ярко выраженного сезонного хода темп-ры к разл. длительности сезонов в северном и южном полушариях. К тому же наклонение оси вращения Марса, возможно, испытывает долгопериодич. вариации, что должно приводить к глубоким климатич. изменениям. На Уране сезонный ход, казалось бы, должен быть наиб. сильно выражен; однако при малой инсоляции и своеобразии атм. динамики он, по-видимому, существенно нивелирован.

Табл. 2. Некоторые физико-химические характеристики планет
Планета
Меркурий
Венера
Земля
Марс
Юпитер
Сатурн
Уран
Нептун
Плутон
Химический состав (объёмное содержание" %)
15053-20.jpg -
СО2 95

N2 3 - 5

Аr 0,01

Н2О 0,01-0,1

СО 3 х10-3

НС1 4 х10-5

HF 10-6

О2 2 х10-4

SO2 10-5

H2S 8 х 10-3

Кr 4х10-5

Хе10-6 - 10-5

N2 78

02 21

Аr 0,93

Н2О 0,1 - 1

СО2 0,03

CO 10-5

сн4 10-4

Н2 5 х 10-5

Ne 2 х10-3

Не 10-4

Кr 10-4

Хе 10-6

СО2 95

О2 2 - 3

Аr 1 - 2

Н2О 10-3 - 10-1

СО 4 х10-3

О2 0,1 - 0,4

Ne<10-3

Kr<2 х10-3

Хе<5х10-3

Н2 87

Не 12,8

Н2О 1 х10-4

СН4 7х10-2

NH3 2 х10-2

НС1 10-5

С2Н4 4 х10-2

С2Н2 8 х10-3

РН3 4 х10-5

СО 2 х10-7

CH3D 2 х10-3

Н2 94 - 87

Не 6

**СН4 2х10-1

**NH3 3х10-2

С2Н6 5х10-4

С2Н2 2 х10-6

РН3 1х10-4

CH3D 2х10-3

Н2 84 - 87

Не 12 - 15

СН40,3

С2Н2 9х10-2

NH3 ?

С2Н6 3х10-6

**Н2 85

**Не 12

СН4 1 - 4

С2Н6 3х10-4

С2Н2 (1-9) х 10-5

СН4

N2 ?

Средняя молекулярная масса
-
43,2
28,97
43,5
2,26
2.12
2,3
2,2?
16 ?
Температура у поверхности (в средних широтах):

Т макс, К Тмин, К





500
110





-
735





310
240





270
200





-
135





-
105





-
51





-
50





~32
-

Среднее давление у поверхности Р, атм
2х- 10-14
90
1
6 х 10-3
0,5*
0,5*
0,1*
0,1*
-
Средняя плотность у поверхности, г/см*
10-17
61х10-3
1х27х10-3
1,2х10-3
3х 10-4*
1,2х10-4*
5,5х10-5*
~5,5х10-5*
_

* На условном уровне в атмосфере планет, к к-рому отнесены соответствующие значения темп-ры. **Предварительные данные.

Табл. 3. - Основные характеристики спутников планет
Планета и число спутников (на 1990 г.)
Спутники
Средний радиус, км*
Масса (в массах планеты)
Плотность, г/см3
Альбедо
Радиус орбиты
Период обращения (земные сутки)
Экс-цен-триси-тет орбиты
Наклонение к экватору планеты, град
Дата открытия
Перпооткрыватель
в радиусах планеты
в 103 км
Земля (1)
Луна
1738
1 ,23х 10-2
3,33
0,07
60,27
384,4
27,322
0,055
5,09
-
-
Марс (2)
Фобис Деймос
13,5 7,5
1,82х10-8 2,14х10-9
2,1

2,1

0,06 0,07
2,76 6,92
9,4 23,5
0,319 1,262
0,015 0,001
1 ,02 1 ,82
1877 1877
А. Холл А. Холл
Юпитер (16)
XVI Мe-тида
20
~3х 10-11
-
<0,10
1,81
129
0,300
~0,0
~0,0
1979
Д. Джуитт, Дж. Дани-элсон ("Вояджер-2")
X V Адрас-тея
10
~10-11
-
<0,10
1,80
128
0,295
0,0
~0,0
1979/80
С. Синнотт ("Вояджер-2")
V Амаль-тея
100
~5 x 10-9
-
0,05
2,55
181
0,489
0,003
0,4
1892
Э. Барнард
XIV Теба (Фива)
45
~3 x 10-10
<0,10
3,11
221
0,675
~ 0,00
~0,0
1979/80
С. Снннотт ("Вояджер-2")
I Ио
1815
4,70x 10-5
3,53
0,62
5,95
421
1 ,769
0,004
0,0
1610
Г. Галилей
II Европа
1569
2,57x 10-5
3,03
0,68
9.47
670
3,551
0,000
0 , 5
1610
Г. Галилей
III Гани-

мед

2631
7,84х10-5
1,93
0,44
15,1
1070
7,155
0,001
0,2
1610
Г. Галилей
IV Кал-листо
2400
5,60 х 10-5
1 ,83
0, 19
26,6
1880
16,689
0,010
0,2
1610
Г. Галилей
XIII Леда
~7
~10-12
-
-
156
11110
240
0,146
26,7
1974
Ч. Коваль (Коуэл)
VI Гпма-лия
~90
~3x10-9
-
0,03
161
11470
250,6
0, 158
27,6
1904/05
Ч. Перрайн
X Лиситея
~20
~3x 10-11
-
-
1G4
11710
260
0,130
29,0
1938
С. Николсон
VII Элара
~40
~3x 10-10
-
0.03
165
11740
260, 1
0,207
24,8
1904/05
Ч. Перрайн
XII Анан-ке
~15
~4 x 10-12
-
291
20700
- 617* *
0,17
147
1951
С. Николсон
XI Карме
~20
~10-11
-
-
314
22350
-692**
0,21
164
1938
С. Николсон
VIII Па-

сифе

~20
~з x 10-11
-
-
327
23300
-735**
0,38
145
1908
П. Меллот
IX Синопе
~20
~10-11
-
-
333
23700
-758**
0,28
153
1914
С. Николсон
Сатурн (18)(2)
X V Атлант
~20
-
-
0,4
228
137,7
0,602
0,002
0,3
1980
Террайл ("Вояджер-2")
XVI Прометей
40
-
-
0,6
2,31
139,4
0,613
0,004
0,0
1980
Коллинз и др. ("Вояджер-2")
XVII Пандора
50
-
-
0,6
2,35
141,7
0,629
0,004
1,1
1980
Коллинз и др, ("Вояджер-2")
X Янус
95
-
-
0,4
2,51
151,4
0,695
0,009
0,3
1966/80
О. Дольфюс ("Вояджер-2")
XI Эпиме-тей
60
-
-
0,4
2,52
151, 5
0,695
0,007
0,1
1966/80
Фонтейн, Ларсон/Уо-кер ("Вояджер-2")
I Мимас
197
6,50 х 10-8
1,4
0,7
3,08
185,5
0,942
0,020
1 ,5
1789
У. Гершель
II Энцелад
251
1,48 х 10-7
1,2
1,0
3,95
238,0
1,370
0,004
0,0
1789
У. Гершель
III Тефия
524
1,09 х 10-6
1,2
0,8
4,88
294,7
1 ,888
0,000
1 , 1
1684
Дж. Кассини
XIII Те-

лесто

~13
-
-
0,6
4,88
294,7
1,888
1980
Рейтсема, Смит, Лар-сон, Фонтейн ("Вояджер-2")
XIV Калипсо
~13
-
-
0,8
1980
Д. Паску, П. Сейделмен, Баум, Кюрье ("Вояджер-2")
IV Диона
560
2,04 х 10-6
1,4
0,5
6,26
377,4
2,737
0,002
0,0
1684
Дж. Кассини
XII Елена
15
-
-
-
6,27
378,1
2,739
0,005
0,2
1980
Ж. Лекашё, Лак
V Рея
765
-
1 ,3
0,6
8,74
527,1
4,518
0,001
0,4
1672
Дж. Кассини
VI Титан
2575
2,46 х 10-4
1 ,9
0,2
20,25
1221,9
15,95
0,029
0,3
1655
X. Гюйгенс
VII Гипе-рион
135
-
-
0,3
24,55
1481,0
21,28
0,104
0,4
1848
Дж. Бонд/У. Ласселл
VIII Япет
718
-
1,2
0,50/ 0,05***
59,02
3560,8
79,33
0,028
14,7
1671
Дж. Кассини
IX Феба
110
-
-
0,06
214,7
12954,0
-550, 4**
0,163
150
1898
У. Пикеринг
Уран (15)
(1986 U7)Корделия
~20
-
-
-
1,92
49,8
-
-
-
1986
"Вояджер-2"
(1986 U8) Офелия
~25
-
-
-
2,07
53,8
-
-
-
1986
- >> -
(1986 U9) Бианка
~25
-
-
-
2, 30
59,2
-
-
-
1986
- >> -
(1986 U3) Кресс и да
~30
-
-
-
2,40
61,8
-
-
-
1986
- " -
(1986 U6) Дездемона
~30
-
-
-
2,44
62,7
-
-
-
1986
- >> -
(1986 U2)Джульетта
~40
-
-
-
2,51
64,4
-
-
-
1980
_"-
(1986 U1) Порция
~40
-
-
-
2,57
66,1
-
-
-
1986
- >> -
(1986 U4) Розалинда
~зо
-
-
-
2,72
69,9
1986
- " -

Продолжение
Планета и число спутников (на 1990 г.)
Спутники
Средний радиус, км*
Масеа (в массах планеты)
Плотность, г/см3
Альбедо
Радиус орбиты
Период обращения (земные сутки)
Эксцен триситет орбиты
Наклонение к экватору планеты, град
Дата открытия
Первооткрыватель
в радиусах планеты
в 103 км
(1986 U5) Белинда
~30
-
-
-
2 ,92
75,3
-
-
-
1986
- " -
(1985 U1) VI Пэк
85
-
-
-
3,35
86,0
-
-
-
1985
- " -
V Миранда
243
1,0x 10-7
3
-
5,04
129,4
1,460
0 ,010
0,0
1948
Дж. Койпер
I Ариэль
580
1,1x10-5
1,3
0,30
7,43
191,0
2,555
0,003
0,0
1851
У. Ласселл
II Умбриэль
595
1,1x10-6
1 ,4
0,19
10,35
266,3
4,015
0,004
0,0
1851
У. Ласселл
III Титания
805
3,2х 10-5
2,7
0,23
16,96
436,0
8,760
0,002
0,0
1787
У. Гершель
IV Оберон
775
3,4х 10-5
2,6
0,18
22,70
583,5
13,51
0,001
0,0
1878
У. Гершель
Нептун (8)(1)
I Тритон
1200
2,2х10-4
2,06
-
15,95
394,7
- 5,840**
0,000
2 , 79
1846
У. Ласселл
II Нереида
~120
5,0х10-8
2,0
-
250,99
6212
358,4
0,756
0,48
1949
Дж. Койпер
Плутон(1)
Харон
~560
6 ,4x10-2
~0,2
0,4
16
18,5
6,4
-
-
1978
Дж. Кристи

* Для спутников неправильной формы указана половина максимального размера. ** Обратное движение. *** "Ведущая" полусфера имеет альбедо на порядок выше ведомой. Помимо Тритона и Нереиды "Вояджером-2" открыты ещё 6 спутников: Протей (420), Ларисса (200), Галатея (160), Деспина (140), Таласса (90) и Наяда (50) (в скобках приведены размеры в км). 2 В 1990 открыт 18-й спутник Сатурна Пан.

Газовым оболочкам Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна свойственно дифференциальное вращение (изменение периода вращения с широтой), что может быть связано с динамич. процессами в атмосфере. На Юпитере тропич. зона атмосферы вращается быстрее полярной на 5 мин 11 с, т. е. различие составляет 1%, а на Сатурне достигает почти 5%. Для этих планет наиб. близок к истинному значению период, соответствующий вращению магн. поля. Он определяется по модуляции интенсивности и (или) направлению поляризации собств. радиоизлучения планеты. По-видимому, этот период наилучшим образом характеризует вращение нижележащих более вязких областей. Таким способом найдены периоды вращения Юпитера (Т = = 09,925h), Сатурна (Т = 10,657h), Урана (Т = 17,24h) и Нептуна (Т = 16,02h).
В табл. 1 указана ещё одна важная характеристика планет, содержащая определённую информацию об их внутр. строении и эволюции и во многом определяющая свойства атмосферы и околопланетного пространства. Это - значение напряжённости магн. поля на экваторе. Наиб. сильными магн. полями обладают Юпитер, Земля, Сатурн, Уран, Нептун. Заметим, что хотя у Нептуна, Сатурна и Урана оно слабее земного (при отнесении к соответствующим радиусам поверхности), в недрах этих планет мощность генератора их магн. поля должна быть примерно на два порядка выше. Существенное магн. поле обнаружено у Меркурия и, по-видимому, у Марса, практически отсутствует собств. ноле у Венеры. Что касается Плутона, то, по аналогии с ледяными спутниками планет-гигантов, наличие у него магн. поля маловероятно.
У всех планет, кроме Венеры и Меркурия, есть спутники. Осн. характеристики спутников приведены в табл. 3. Общее число известных спутников составляет 61, включая сравнительно недавно открытые 3 спутника Юпитера, 7 спутников Сатурна, 10 спутников Урана, 6 спутников Нептуна и спутник Плутона. Наиболее крупными спутниками обладают Земля, Юпитер, Сатурн и Нептун. Это Луна, четыре гали-леевых спутника Юпитера (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто), спутник Сатурна Титан и спутник Нептуна Тритон, которые по своим размерам сопоставимы с планетами земной группы. Остальные спутники имеют размеры от неск. десятков до мн. сотен километров и, в отличие от планет и более крупных спутников, - часто неправильную (несферическую) форму. Это сближает их с астероидами.

Лит.: Жарков В. П., Внутреннее строение Земли и планет, 2 изд., М., 1983; М а р о в М. Я., Планеты Солнечной системы, 2 изд., М., 1986; Уипл Ф. Л., Семья Солнца, пер. с англ., М., 1984; Satellites, ed. by J. Burns, M. Shapley Matthews, Tucson, 1986. См. также лит. при отд. статьях о планетах.

М. Я. Миров.

Модели внутреннего строения планет. Недра планет недоступны прямым наблюдениям. Даже для Земли керны из глубоких (до 12 км) скважин и фрагменты изверженных глубинных пород дают сведения о составе и структуре вещества лишь приповерхностных слоев внеш. твёрдой оболочки. Данные о породах Луны, Венеры и Марса, изучение спектральных особенностей поверхностей планет и астероидов, атмосфер планет-гигантов также позволяют судить лишь о составе самых внешних оболочек. Поэтому для исследования планетных недр прибегают к построению моделей внутр. строения планет, т. е. расчёту хим. и минерального состава, внутр. гравитационных, тепловых, магн. и др. полей с последующим сравнением теоретич. предсказаний с данными наблюдений. Весьма общие ограничения на возможные состав и структуру планеты дают сведения о её массе М и радиусе R (а следовательно, и о ср. плотности) с учётом распространённости элементов в космосе и данных физики высоких давлений. Для построения моделей планет привлекаются данные по гравитац. и магн. полям планеты, тепловому потоку из недр, собств. колебаниям и (для Земли и Луны) сейсмич. данным.
Планеты земной группы имеют твёрдые оболочки, в к-рых сосредоточена б. ч. их массы. Существенный объём планетных оболочек находится в состоянии, близком к гидростатич. равновесию, поскольку предел текучести пород играет роль лишь для относительно быстрых приповерхностных движений. Распределения давления Р, плотности r и ускорения силы тяжести g по расстоянию от центра планеты r находят из решения системы ур-нпй: ур-ния гидроста-тпч. равновесия

15053-21.jpg

ур-ния распределения массы

15053-22.jpg

и ур-ний состояния

15053-23.jpg

для предполагаемой смеси компонент с плотностью15053-24.jpg где15053-25.jpg и xi - плотность и доля i-й компоненты по массе (хi = тi/т, тi - масса i -и компоненты, М - суммарная масса в единичном объёме). Ср. плотности планет и данные по ур-ниям состояния для осн. породообразующих элементов Si, Mg, Fe, Al, Ca и их окислов показывают, что в среднем планеты земной группы на 2/3 состоят из ферромагнезиальных силикатов и на 1/3из железа с примесью никеля и др. элементов. Модели внутр. строения Земли благодаря глубинному сейсмич. зондированию, данным о нутации и прецессии разработаны весьма детально, и осуществляется переход к более сложным моделям, учитывающим особенности горизонтального строения литосферы и верхней мантии под океанич. и континентальными регионами. Для построения моделей планет земной группы широко используются представления об оболочечной структуре, полученные для Земли. Обычно выделяют кору (10 - 100 км), мантию (1000 - 3000 км) и ядро. Ядро - наиб. плотная часть (12 - 13 г/см3 в центре Земли), кора - наименее плотная (для Земли 2,7 - 2,8 г/см3), плотность мантии - промежуточная (для Земли 2,8 - 3,5 г/см3). У Земли ядро подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твёрдое). Предполагают, что жидкое ядро имеется у Меркурия и Венеры. Марс, обладая заметным вращением, имеет сравнительно небольшой магн. момент, и существование расплавленного ядра для него остаётся под вопросом. Внутр. строение Венеры в основном схоже со строением Земли, однако из-за медленного вращения Венеры не удаётся оценить её момент инерции и, следовательно, в отсутствие сейсмич. данных, нет строгого подтверждения существования у неё ядра и соответствующих земным верхней и нижней мантийных оболочек. Отсутствие сейсмич. данных не позволяет также сделать определённые выводы о структуре и размерах оболочек др. планет земной группы. Момент инерции Марса свидетельствует о наличии небольшого (15053-26.jpg15% от массы планеты) ядра. Размеры и фазовое состояние ядра зависят от его хим. состава (рис. 1). На больших временах (106 - 108 лет) вещество планетных недр ведёт себя как вязкая жидкость. В результате неравномерных нагрева и распределения состава в оболочках могут возникать конвективные движения, приводящие к тепло- и массопереносу.

15053-27.jpg

Рис. 1. Модель внутреннего строения Марса. Показаны два варианта ядра.

Масштаб конвекции определяется величиной отклонений распределений темп-ры и состава от равновесных, а интенсивность - вязкостью и др. реологич. параметрами. Оценки темп-р в недрах планет земной группы основаны на представлениях об их образовании путём аккумуляции из твёрдых тел и относительно раннем формировании оболочек (в ходе этих процессов происходило выделение гравитац. энергии ~1011 эрг/г), а также на данных о содержании радиоакт. элементов U, Th и 40К. Согласно оценкам, темп-pa в центре Земли15053-28.jpg5000 - 6000 К, на границе ядро - мантия - 3500 - 4000 К. Темп-ры центральных областей Венеры, по-видимому, на 100 - 300 К ниже земных. В ядрах Меркурия и Марса темп-pa, вероятно, ок. 2500 - 3000 К.
Плутон, по-видимому, имеет силикатное ядро и ледяную оболочку.
Астероиды. О внутр. строении астероидов также известно мало. Метеоритные данные указывают на то, что вещество малых планет (по крайней мере многих из них) прошло через интенсивную ударную переработку, нагрев и дегазацию уже в ходе их образования. Существование каменных и железных метеоритов свидетельствует о том, что недра отд. астероидов были нагреты до темп-р плавления, обеспечивших возможность расслоения (дифференциации) первичного вещества на силикаты и железоникелевый сплав. Осн. особенностью внутр. строения малых планет являются сравнительно низкие темп-ры и давления, а также относительно большая толщина неконсолидиров. пород (рего-лита), образованного ударами др. тел. Не исключено, что астероиды, от к-рых поступает дифференциров. вещество, не расслоены на соответствующие оболочки, а содержат лишь отд. области, испытавшие высокотемпературный нагрев и местную дифференциацию вещества (модель "изюминки в тесте").
Планеты-гиганты принято считать газожидкими телами с конвективными оболочками, в к-рых распределение темп-ры близко к адиабатическому. Это заключение основано на след, данных наблюдений. По данным ИК-наблюдений, поток тепла из недр планет оказался равным 104 эрг/см2 х с (для Юпитера) и 3 х 103 эрг/см2 х с (для Сатурна). Поскольку такой поток более чем на 4 порядка превышает поток тепла за счёт молекулярной теплопроводности, то это указывает на конвективное состояние внеш. зоны или всей планеты. Юпитер, Сатурн, Уран и, возможно, Нептун обладают собств. магн. полем, к-рое, вероятно, генерируется в конвективном ядре. Эволюция орбит спутников Юпитера, Сатурна и Урана, измерения гравитац. поля Юпитера также указывают на жидкое, близкое к гидростатически равновесному, состояние планет.
Хим. состав планет-гигантов резко отличается от состава планет земной группы. Согласно теории происхождения Солнечной системы, в протопланетном облаке в области планет-гигантов темп-ры после остывания облака не превышали 150 К, а газовое давление 10-5 - 10-7 бар (в зоне Юпитера и Сатурна) и 10-7 - 10-8 бар (в зоне Урана и Нептуна). При таких условиях большинство элементов образуют гидриды и окислы. Вещества, из к-рых построены планеты-гиганты, принято разделять по летучести на газовую компоненту - Г(Н2, Не, Ne), "льды" - Л(СН4, NH3, H2O) и тяжёлую компоненту - TK(SiO2, MgO, FeO, FeS, Fe, Ni, ...) . Сведения о хим. составе недр планет-гигантов даёт расчёт моделей внутр. строения планет, удовлетворяющих наблюдаемым значениям массы, радиуса и зональных гармоник гравитац. поля планет. Из-за относительно большой угл. скорости вращения15053-33.jpg в ур-ние (1) входит дополнит. член15053-34.jpg а вследствие довольно высоких темп-р (15053-35.jpg 103 К) в недрах планет в ур-нии (3) учитывают температурные поправки15053-36.jpg Простейшие модели (двухслойные) состоят из наружной оболочки (Г + Л) и ядра (ТКЛ). Однако наблюдениям лучше удовлетворяют многослойные модели (см., напр., рис. 2). В оболочках Юпитера и Сатурна происходит переход молекулярного водорода в металлический. Давление перехода15053-37.jpg3-106 бар и слабо зависит от темп-ры. При переходе к твёрдой фазе плотность скачкообразно увеличивается на15053-38.jpg10%. В расплавл. состоянии (в жидкой фазе) переход происходит непрерывным образом. Расчёты моделей показали, что Уран (рис. 3) и Нептун, в отличие от Юпитера и Сатурна, обладают сильноперемешанными оболочками. Эти планеты имеют маленькие ТК-ядра (0,3 - 1% от полной массы планеты), массивные ледяные мантии с добавкой ТК-компоненты (с относит. содержанием, близким к солнечному) и наружные оболочки из Г- и Л-компонент. Построенные модели выявили след. тенденции в ряду планет-гигантов: при переходе от Юпитера к Нептуну содержание свободного водорода систематически убывает, а концентрация Л-компоненты в наружных оболочках растёт. Это может быть связано с различиями во временах формирования планет-гигантов и диссипацией газа из протопланетного облака.

15053-29.jpg

Рис. 2. Четырёхслойная модель Юпитера с двухслойной молекулярной оболочкой. Справа показано распределение давления Р, температуры Т и плотности15053-30.jpg по относительному радиусу15053-31.jpg = r/Rю (Дю - радиус Юпитера). Слева дан разрез модели с указанием значении плотности на границах раздела и отношения Л(ТКЛ)/Г в оболочках. Полные значения масс Г-, Л- и ТКЛ-компонент выражены в массах Земли.
15053-32.jpg

Рис. 3. Двух- и трёхслойная модели Урана с различной степенью смешения Г-, Л- и ТК-компонент. Обозначения те же, что и на рис. 2.

Широкое распространение получает численное моделирование динамических (2- и 3-мерных) и эволюционных (1 - 2-мерных) моделей внутр. строения планет. Исследуются структура и интенсивность конвективных течений, вызванных разл. источниками тепла, влияние фазовых переходов и хим. превращений. Для планет земной группы предложены модели дифференциации и фракционирования внутр. оболочек, основанные на ур-ниях баланса потоков вещества с привлечением изотопных данных.

Лит.: Жарков В. Н., Трубицын В. П., Физика планетных недр, М., 1980; Хаббард У., Внутреннее строение планет, пер. с англ., М., 1987; Планетная космогония и науки о Земле. Сб., под ред. В. А. Магницкого, М., 1989.

А. В. Витязев, В. В. Леонтъев.

  Предметный указатель