Структура планет

Внутреннее строение планет представляет сложную и еще далеко не вполне разрешимую задачу. В отличие от Солнца и даже отдаленных звезд, химический состав планетного вещества по существу совершенно неизвестен, и о нем можно судить главным образом по аналогии с Землей, привлекая различные косвенные соображения.
Наиболее существенные данные наблюдений для суждения о внутреннем строении планеты —это ее скорость вращения вокруг оси и степень сжатия, которая определяет отклонение фигуры планеты от правильной сферы. Действительно, распределение внутренних масс дает величину момента инерции планеты, которая для однородной сферы равняется просто 0,4 М R2 (M — масса, R — радиус), а для неоднородных тел уменьшается в зависимости от степени уплотнения к центру. Момент инерции может быть выведен из данных наблюдения, дающих значения массы, радиуса, периода вращения и сжатия диска планеты. Соответствующее теоретическое выражение было получено приближенным образом Дж. Дарвином, Риттером, Радо и другими исследователями. Однако величина момента инерции дает по существу одно интегральное уравнение в отношении распределения плотности в зависимости от расстояния от центра планеты, и для его решения приходится исходить из определенных физических соображений или из тех или иных искусственных схем. Это вносит большие ограничения для решения поставленной задачи. Кроме того, далеко не для всех планет возможно определить период вращения и сжатие диска.
Тем не менее можно сказать, что планеты-гиганты (Юпитер и др.) имеют относительно меньший момент инерции V, равный 0,24, и потому должны быть более неоднородны, чем Земля (момент инерции 0,334) или Марс (0,359). Относительно Венеры или Меркурия ничего определенного сказать невозможно.
Еще Ньютон рассчитал, что при данной продолжительности суток и при равномерном распределении плотности, не зависящем от расстояния от центра, сжатие фигуры Земли должно составить 1/230, что гораздо больше того, что есть в действительности. Если бы вся масса Земли была сосредоточена в ее центре, что соответствует наибольшей степени неоднородности, то, согласно расчетам Гюйгенса, сжатие земного шара в этом случае было бы равно всего только 1/580. В действительности сжатие Земли составляет 1/297, т. е. заключается, как и нужно ожидать, между этими обоими крайними значениями.
Подобным путем можно вывести самое общее представление относительно распределения плотностей внутри Земли или аналогично внутри какой-либо другой планеты, если она достаточно быстро вращается вокруг оси.
Поэтому большое значение имеет сравнение планет с нашей Землей.
Если действительно жидкое ядро Земли обусловливает наличие у нее магнитного поля, которое проявляется в существовании радиационных поясов, то можно сделать заключение, что при отсутствии такого поля планета с заметным вращением вместе с тем лишена также и внутреннего жидкого ядра. Радиометрические исследования показали, что ни вокруг Луны, а также вокруг Марса и Венеры нет собственного магнитного поля. Это указывает, что по каким-то причинам Венера не могла развить у себя жидкого ядра, аналогичного земному. Менее понятно, почему вокруг Венеры не обнаружено также ничего подобного протяженному облаку космической пыли, окружающему Землю и простирающемуся на сотню тысяч километров.
Очень показательны измерения силы тяжести, определяемые на основании неправильностей в движении искусственных спутников, которые позволили не только более детально установить отклонения формы Земли от правильного эллипсоида вращения, — показав общую вытянутость земного экватора в направлении Аргентины и слегка грушевидную форму в направлении земной оси вращения, — но и наличие, по-видимому, конвективных перемещений в земной мантии, происходивших на протяжении долгих геологических периодов. Так, например, анализ движений искусственных спутников позволил обнаружить пять площадей пониженной силы тяжести, которые довольно точно совпадают с областями неустойчивости, где, по-видимому, происходит подъем горных хребтов. Аналогично четыре площади повышенной силы тяжести (в Южной Европе, ниже Южной Америки, в Андах и к северо-востоку от Австралии), возможно, характеризуют перемещения вещества вглубь.
Во всяком случае подобные данные, которые уточняются с каждым годом, показывают, что не только жидкое центральное ядро является местом непрерывных движений, но и все вещество Земли, несмотря на свой возраст, измеряемый примерно в 5 миллиардов лет, далеко не остается в покое. Кроме того, палеографические исследования, относящиеся к разным геологическим эпохам, показывают, что в относительно недавнее время произошли значительные углубления и частично расширения океанических впадин.
Большое значение для суждения о внутреннем строении планет имеет проблема природы земного ядра.
Согласно Рамзею (подобная идея еще в 1920 г. высказывалась Лодочниковым), состав Земли на всех глубинах достаточно однороден и аналогичен оливину, но находится в разных состояниях уплотнения, резко отличающихся друг от друга, вследствие перехода кристаллической решетки в другие модификации. Соображения Рамзея, вообще говоря, не являются достаточно обоснованными. По существу им было только показано, что произведение давления на изменение объема PΔV, т. е. величина, эквивалентная работе при пересечении границы земного ядра, вычисленная по данным сейсмологии, эквивалентна разности энергий между основным и первым возбужденным состоянием кристалла кварца. Однако он не мог учесть в отдельности величины Р и ΔV для кварца и не показал, каково должно быть давление в центре Земли, что, однако, необходимо для определения конфигурации гравитационного равновесия, а главное, не показал, что более плотная фаза оливина, получающаяся при переходе к ядру, должна быть жидкой, как это наблюдается для внешнего земного ядра. Вообще же при столь огромных давлениях, какие наблюдаются на границе земного ядра, и для весьма сложного состава вещества, представляющего, без сомнения, смесь различных элементов, просто невозможно дать надлежащую физическую теорию. Вследствие этого сам Рамзей считал существенным получить подтверждение путем сравнения с другими планетами, но это также не повело к достаточно убедительным заключениям.
Беллен и Лоу (1952 г.) критически рассмотрели и проверили вычисления Рамзея по отношению к другим планетам земного типа и пришли к заключению, что Меркурий совершенно не соответствует указанной схеме, Марс соответствует довольно плохо. Луна в общем соответствует, но она мало показательна, вследствие своей чрезвычайно малой массы. Таким образом, остается весьма сомнительным возникновение фазового резкого скачка плотности при переходе к земному ядру в веществе того же состава. Подобные скачки могут быть, согласно Рингвуду, на меньших глубинах, именно 200—900 км. Гораздо более вероятно считать, что ядро Земли состоит преимущественно из железа.
Об этом свидетельствует, во-первых, наличие железной фазы метеоритов, которая легко выделяется даже внутри таких сравнительно небольших тел, как родоначальные астероиды. Метеоритное вещество, особенно вещество углистых хондритов, принимается начальным в солнечной системе, и радиоактивный возраст его характеризует продолжительность существования планет. Кроме того, железо является наиболее распространенным из сравнительно тяжелых элементов и широко распространено в космосе. Значительная часть метеоритного вещества представляет сплав железа с небольшим количеством никеля. Вместе с тем переход от силикатной мантии к железному ядру представляет естественное объяснение большого скачка плотностей на глубине в 2900 км. При твердом оливине вблизи его точки плавления железо должно быть уже в расплавленном жидком состоянии. Об этом равным образом наглядно свидетельствуют метеориты, именно так называемые палласиты, представляющие застывшую губку ранее расплавленного железо-никеля, в порах которой внедрены отдельные зерна оливина. Можно заметить, что в настоящее время зависимость точки плавления железа от давления уже достаточно известна (Симон, 1953 г.). Если принимать чисто железный состав ядра, то можно оценить, что на глубине 5000 км, где, вследствие повышения давления, наблюдается переход к внутреннему твердому ядру, температура должна быть примерно 3900° К. Подобные оценки, однако, не вполне уверенны, так как в веществе ядра фактически должны быть в какой-то мере примеси никеля, кобальта и, может быть, даже кремния.
На основании изложенного можно считать весьма вероятным, что и другие планеты земного типа также обладают железными ядрами, как это получается путем расчетов даже для такой сравнительно небольшой планеты, как Марс. Необходимый разогрев для выделения из общей планетной массы железного ядра мог осуществляться различными источниками — гравитационным выделением энергии при сравнительно быстром формировании планетной массы из первоначальной протопланетной туманности, частично путем химических превращений, далее путем распада короткоживущих радиоактивных, ныне вымерших изотопов (этот источник нагрева, по-видимому, имел преобладающее значение при формировании вещества метеоритов), затем путем гораздо более продолжительного распада обычных радиоактивных элементов — урана, тория, калия, и, наконец, в некоторых исключительных случаях приливным трением, именно, если планета обладает достаточно массивным спутником, вроде нашей Луны, или находится довольно близко от Солнца, как Меркурий. Однако довольно трудно, если не невозможно, оценить относительную роль этих источников нагрева, так как это в высокой мере зависит от чисто космогонических условий образования планет и от того, насколько могло произойти формирование их вещества после последнего процесса нуклеосинтеза, связанного, как предполагается, со вспышкой сверхновой звезды, когда именно образовались упомянутые короткоживущие изотопы с периодом полураспада всего лишь в десятки миллионов лет. Для пояснения этого можно провести сравнение между соседними и такими казалось бы сходными планетами, как Земля и Венера, сравнительно мало отличающимися по своей массе.
Высокая температура поверхности Венеры, одинаковая для освещенной и темной областей ее диска и доходящая до 600° К, что достаточно для плавления свинца, позволяет предполагать, что радиоактивный разогрев всей ее массы был значительно больше, чем для Земли.
Причина подобного различия заключается, по-видимому, в том, что Земля и Венера образовались в разных условиях. Нужно полагать, что вследствие крайней разнородности строения протопланетного облака частицы, образовавшие Землю, двигались первоначально по совершенно различным орбитам и при своем быстром объединении произвели весьма быстро вращающуюся двойную планету — Земля-Луна с очень большим вращательным моментом и, вместе с тем, с большим гравитационным разогревом. Вследствие этого должна была с самого начала произойти дифференциация вещества нашей планеты с выделением железного ядра высокой температуры, достаточной для сохранения его в жидком состоянии, причем тяжелые радиоактивные элементы, первоначально распределенные более или менее равномерно по всей ее массе, благодаря своему сродству с силикатами были вынесены в наружные слои Земли, где выделяемая ими теплота в значительной мере выделялась наружу и потому не могла привести к очень значительному разогреву всей массы.
Напротив того, Венера, очевидно, сформировалась из частиц, двигавшихся по весьма сходным первоначальным орбитам без заметной потери ими кинетической энергии, и потому не могла получить большого вращательного момента с образованием какого-либо спутника и вместе с с тем не испытала заметного гравитационного разогрева. Если при этом продолжительность ее образования была не слишком малой или же если внутренние области солнечной системы, к которым она принадлежит, образовались на последнем этапе своего развития, то и короткоживущие изотопы также не могли выделить значительного тепла. Вещество этой планеты оставалось в течение длительного времени недифференцированным, с достаточно равномерным распределением радиоактивных элементов по всей массе, вследствие чего произошел гораздо более медленный, но в конечном счете более значительный нагрев, так как практически все выделявшееся радиоактивное тепло поглощалось окружающей средой и не выделялось наружу.
Таким образом, вся термическая история этих соседних планет и вместе с тем их физическое состояние оказались совершенно различными.
Переходим теперь к большим планетам, представителем которых может служить гигантский Юпитер.
После обнаружения возможности перехода разных веществ под большими давлениями в разные фазовые модификации выявилась необходимость учета этого при рассмотрении внутреннего строения планет. Однако для планет земного типа, состоящих преимущественно из сложных соединений различных, преимущественно тяжелых элементов, это пока не может быть выполнено надлежащим образом, как об этом уже упоминалось выше, в связи с результатами Рамзея в отношении нашей Земли. Для больших планет можно, однако, сделать предположение, по крайней мере в первом приближении, что они целиком состоят из водорода — наиболее простого вещества, для которого вполне возможно сделать расчет фазового перехода в уплотненное металлическое состояние. Таким образом, задача сводится по существу к вычислению внутреннего строения модели чисто водородной планеты без всяких источников внутреннего разогрева.
Еще Г. Н. Рессел в 1935 г. показал, что планеты, если они имеют водородный состав, и белые карлики — звезды очень уплотненные и с незначительными массами — образуют одно семейство холодных космических тел. Как он указал, с постепенным увеличением массы при переходе от планеты к звезде должен существовать некоторый максимум размеров подобного тела. Сначала при подобном возрастании массы размеры тела естественно также увеличиваются, и притом довольно быстро, но вместе с тем возрастает также внутреннее давление, особенно в центральных областях. В малой водородной планете центральное давление слишком мало для образования очень уплотненной металлической фазы водорода. Согласно расчетам де Маркуса (1951 г.) подобное ядро в этой фазе делается возможным, только если масса планеты превышает 70 масс Земли. При еще большем увеличении водородной массы все большее количество вещества планеты переходит в вырожденную металлическую фазу и размеры ее, достигнув максимума, соответствующего радиусу около 79 000 км, начинают затем быстро сжиматься, что соответствует уже конфигурациям звездных карликов.
Нужно заметить, что вычисления разных авторов приводят к несколько различным результатам. Так, например, Рамзей для предельной плотности молекулярной фазы водорода при переходе ее в металлическую дает 0,350 г/см3 при давлении в 0,8∙1012 дин, де Маркус — для того же давления получает примерно в полтора раза большую молекулярную плотность, именно 0,553 г/см3, а А. А. Абрикосов, выводя несколько другие уравнения состояния, получает для скачка плотности с 0,62 до 1,12 г/см3 при критическом давлении в 2,4 миллиона атмосфер, или 2,4∙1012 дин. Соответствующие диаграммы состояний несколько отличаются друг от друга, но имеют в общем тот же характер.

На рисунке приводится в той же системе координат диаграмма состояний чисто водородной конфигурации различной массы по вычислению де Маркуса (1) и Абрикосова (2). Пунктиром показан радиус вырожденного металлического ядра по Абрикосову. Точками отмечены положения Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.
Как видно, все эти планеты лежат налево от кривой состояния, представляющей чистый водород, но Юпитер располагается к ней довольно близко. Это показывает, что Юпитер действительно почти исключительно состоит из твердого водорода, с примесью прежде всего гелия и в некоторой степени также других более тяжелых элементов. Рамзей нашел из теоретических соображений, что при больших давлениях плотность твердого гелия, вероятно, лишь в 4 раза больше плотности, водорода в молекулярной фазе и всего лишь в 2,5 раза — в металлической. Прибавление одного лишь атома гелия на каждые 13 атомов водорода дает модель, по его мнению, удовлетворительно отвечающую кривой состояния Юпитера. Однако все же расчеты плотностей, основанные на предположении одинакового химического состава на разных расстояниях от центра, не дают возможности получить точное представление момента инерции. При большей концентрации массы к центру получается, разумеется, меньший момент инерции. Поэтому лучшее согласие достигается, если ввести еще некоторое количество тяжелых элементов, особенно для центральных областей планеты.
По-видимому, при современном уровне трактовки этой проблемы наиболее вероятным является содержание водорода во всей массе Юпитера примерно в количестве 80%, гелия примерно в количестве 15% с небольшой примесью (около 5%) других более тяжелых элементов. При этом радиус твердого ядра в металлической фазе устанавливается примерно равным 60 500 км. Однако согласно Абрикосову, Юпитер, несмотря на огромное внутреннее давление, все же лишен вырожденного ядра из водорода в металлическом состоянии. Это показывает, что даже в отношении наиболее простого элемента, каким является водород, все еще нет полного согласия между исследователями.
Заметим, что все эти расчеты проводились в предположении практически нулевой абсолютной температуры планетной массы, но влияние температуры вплоть до десятка тысяч градусов, по-видимому, максимальной, которую возможно предположить даже для такой планеты, как Юпитер, не может иметь существенного значения. Кроме того, эти расчеты относятся только к твердой фазе вещества планеты, которая не может распространяться вплоть до самой ее поверхности и должна переходить в жидкую оболочку. В связи с этим можно указать, что диаграмма кривых состояний, представляющих зависимость давления от температуры для разных субстанций и прежде всего для молекулярного водорода, показывает, что давление, при котором возможен переход водорода в жидкое состояние, достигается при температуре примерно в 150°К на глубине, не превышающей более чем в 20 раз высоту однородной атмосферы. Это соответствует для Юпитера толщине жидкой оболочки не свыше каких-нибудь 2000 км — величина, очень малая по сравнению с радиусом планеты. Масса самой газовой атмосферы ничтожно мала и может не приниматься во внимание.
Таковы довольно несовершенные соображения, которые можно высказать относительно внутреннего строения планет. Главное затруднение в том, что до сих пор трудно сказать, каков их химический состав, какова зависимость плотности их вещества от давления, оцениваемого для их центров миллионами атмосфер, каковы возможные фазовые переходы для вещества сложного состава и высоких температур. Далее, для планет, покрытых сплошным облачным слоем, как, например, все большие планеты, начиная с Юпитера, нет достаточных данных об их подлинных размерах и скорости вращения. Движения облаков, наблюдаемые на Юпитере, еще не характеризуют в точности вращения основной его массы. Наконец, все эти расчеты относятся к равновесным условиям и производятся на основе уравнений гидродинамики без учета возможного перемещения вещества внутри самой планеты.
Можно полагать, что решение проблемы космогонии, проблемы происхождения и формирования планет позволит лучше понять их физические особенности и прежде всего различие в их термической истории. Особенно большое значение будет иметь, разумеется, посещение самих планет или хотя бы пролеты автоматических приборов на сравнительно близком от них расстоянии, как это уже имело место в случае Венеры и Марса. Нет никакого сомнения, что в ближайшие годы будут значительно расширены наши сведения как о физической природе планет, так и об их внутреннем строении.