Космохимия.Лекция 3, 2018(образование Солн.с.)

1.

Лекция 3.
ОБРАЗОВАНИЕ
СОЛНЕЧНОЙ
СИСТЕМЫ
(динамический аспект)

2.

Лекция 3.
Образование Солнечной системы. Ограничение на модели.
Межзвездное газопылевое облако - общий источник вещества тел
Солнечной системы.
Понятие «солнечный состав (солнечная распространенность
элементов)».
CI хондриты. Таблицы распространенности элементов.
Понятие «дифференциации вещества».
Соотношения основных элементов в телах Солнечной системы как
индикатор процессов их дифференциации. Основные физико-химические
факторы глобальной дифференциации вещества при образовании тел
Солнечной системы - изменение главных термодинамических параметров в –
давления (Р), температуры (Т) и состава (х).
Классическая (стандартная) модель образования Солнечной системы.
Образование Солнца и околосолнечного газопылевого протопланетного диска,
соотношение их масс, соотношение пыль/газ.
Понятие «планетезимали».

3.

Как образовалась наша Солнечная система?
Ответ на этот вопрос тесно связан с именами нескольких
великих ученых – математиков – астрономов. Среди них
Уильям (Вильгельм)
Гершель
(1738 – 1822)
Германия - Англия
Эммануил Кант
(1724 - 1804)
Германия
Пьер-Симон Лаплас
(1749 – 1827)
Франция

4.

Астроном Вильям Гершель (1738 – 1822)
- профессиональный музыкант, в свободное время
занимался изготовлением телескопов и
астрономическими наблюдениями. Он разработал и
построил несколько десятков телескопов, в том
числе крупнейший по тому времени с диаметром
зеркала 122 см.
В 1781 Гершель открыл седьмую планету
Солнечной системы – Уран и два его спутника.
За это открытие Гершель был избран членом
Лондонского Королевского общества, а король
Георг III, сам большой любитель астрономии,
присвоил исследователю рыцарский титул сэра и
в 1782 году назначил Королевским астрономом, а
его сестру и постоянную помощницу Каролину –
помощником Королевского астронома.
Гершель открыл также 2 спутника Сатурна –
Мимас и Энцелад.

5.

Гершель поставил перед собой грандиозную задачу – нанести на карту неба
все звезды Северного полушария. Для этого он разработал новый метод
изучения строения звездной системы, применив который,
впервые установил
• что все наблюдаемые звезды
принадлежат к одной звездной
системе Млечному Пути,
имеющую сплющенную форму
диска, и что наша Солнечная
система входит в состав этой
туманности.
• открыл более 2 тыс. звездных
туманностей, каталог (2307
объектов) которых впоследствии
составил его сын Джон Гершель;
• открыл существование двойных
звезд;
• Изучая спектр Солнца, он
открыл инфракрасную,
невидимую часть его.
• Ввёл термин «астероид».
• Написал 24 симфонии.
Наша Солнечная Система расположена
в одном из спиральных рукавов
Галактики Млечный путь.

6.

Философ Иммануил Кант
В 1755 г. немецкий ученый Эммануил Кант обратил внимание на туманности,
которые наблюдал в телескоп Гершель и постепенно создал одну из
современных теорию образования Солнечной системы.
Ключевая идея Канта состояла в том, что туманности (облака) способны
сжиматься, уплотняться и превращаясь в звезды и планеты.

7.

Математик, механик, физик и астроном
Пьер-Симон Лапласа
В 1796 г., не зная о работах Канта, предложил
собственную космогоническую теорию, также
опирающуюся на астрономические наблюдения
Гершеля вращающихся газопылевых туманностей.
В отличие от Канта, Лапласа считал, что околосолнечная туманность
была разогрета и вращалась вокруг центральной звезды с единой
угловой скоростью, т.е. каждая ее частица совершала оборот вокруг
звезды за один и тот же промежуток времени.
Под действием сил всемирного тяготения туманность сжималась и
вследствие закона сохранения момента количества движения,
вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил,
возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от него
последовательно отделялись кольца. В дальнейшем эти кольца
конденсировались, образуя планеты.

8.

Несмотря на ряд существенных различий между гипотезами
Канта и Лапласа, общей их важнейшей особенностью является
представление, что Солнечная система возникла в результате
закономерного развития газо-пылевой туманности. Поэтому и
принято называть эту концепцию «гипотезой Канта — Лапласа».
Сегодня – это основная теория происхождения Солнечной системы. Но если
у Канта – это была гениальная догадка, то сейчас мы имеет ряд независимых
доказательств ее справедливости.
Например, с помощью телескопа Спицер была получена картина зарождения
новых звезд. Обнаружены вращающиеся молекулярные облака, находящиеся
на разной стадии эволюции.

9.

Согласно современны представлениям,
рождение звездных систем происходит при сжатии межзвездных
молекулярных облаков, имеющих Т ~ 10-20K и состоящих из газа
(Н2+Не, ~ 98 мас. %) и пылевых частиц (~ 2 мас. %).
Плотность частиц в сгущениях 105 см-3
Одна из возможных причин, вызвавших сжатие - произошедший
вблизи взрыв сверхновой звезды

10.

Межзвездные молекулярные облака состоят из газа
(Н2+Не, ~98 мас. %) и пылевых частиц (~2 мас. %) . Их ядра состоят
из FeO и силикатов, тугоплавких органических соединений, а
оболочки из разнообразных льдов, состоящих из C, O, H, N и S.
СН4 СО СН3ОН
Н2О
СО2
H2S
NH3
N2

11.

Стадии эволюции протозвездного облака
1. Сжатие, но для сохранения его импульса
уменьшение радиуса сопровождается увеличением
скорости вращения.
2. Формирование в центре сгущения плотной
материи – протозвезды. Наше Солнце родилось
4.56 млд. лет назад. Вокруг звезды формируется
газопылевой протопланетный диск (облако,
nebula - небула).
3. Нагрев вещества околозвездного газопылевого облака происходит в основном за счет трения
дифференциально вращающихся слоев газа.
4. Т звезды повышается до ~ n×10 млн К за счет
гравитационного сжатия. Это приводит к началу
реакций термоядерного синтеза, но характер
возможных реакций зависит от Т, которая в свою
очередь зависит от массы сжимающейся материи. В
звездах малой массы выгорает только дейтерий (D), в
звездах умеренной массы, как наше Солнце, выгорает
не только D, но и водород (Н) с образованием 3Не, а в
массивных звездах синтезируют все элементы до Fe.

12.

Сценарий эволюции околосолнечного диска.
Наиболее плотный фрагмент
молекулярного облака сжимается (1),
образуется центральная звезда и
протопланетный газопылевой диск
вокруг нее (2). Диск постепенно остывает
и пыль опускается к экваториальной
плоскости диска, увеличивается
плотность вещества в нем (ρdust). Когда
значение ρdust становится выше
критического, вещество в экваториальном
cлое разбивается на отдельные сгущения
(3, 4). После дальнейшего уплотнения
cгустки самогравитируют
(гравитационно сжимаются), образуя
рыхлые тела. Эти тела растут за счет
столкновения с другими телами и за счет
аккумуляции (поглощения) пыли и
уплотняются. Образуются планетезимали – основной «строительный
материал», из которого образовались все тела Солнечной системы (5).

13.

V. 197, Issue 1-4, pp. 297-342 2015

14.

Две стадии эволюции околосолнечного
протопланетного диска:
Начальный радиус диска ~ 30 а.е.(?)
1. Стадия газопылевого диска
длительность ~ 10 млн. лет
~10 млн. лет
Образование планет-гигантов
2. Стадия пылевого диска
длительность ~ 100 млн. лет
~100 млн. лет
Образование земных планет

15.

То, что этот теоретический сценарий оправдан, подтверждается как
наблюдениями за образованием других звездных систем, так
особенностями строения и состава тел нашей Солнечной системы
1. Механизм образование планет Солнечной системы
ФАКТ - Планеты в Солнечной системе вращаются вокруг
Солнца в одной плоскости и в одном направлении
ВЫВОД – образование планет происходило во вращающемся
вокруг Солнца ПРОТОПЛАНЕТНОМ ДИСКЕ

16.

2. Состав вещества, из которого образовались
тела Солнечная система
ФАКТ – спектроскопические исследования показали, что и солнечная
фотосфера, и атмосферы газовых планет-гигантов Юпитера и Сатурна
состоят в основном из Н2 и Не (солнечный газ) в одинаковых мольных
соотношениях ~ 9:1.
ВЫВОД – образование Солнца и планет происходило в едином
процессе из одного источника газо-пылевого вещества, называемого
ПРОТОСОЛНЕЧНОЙ ТУМАННОСТЬЮ или протосолнечной небулой, в
составе которой преобладал молекулярный водород Н2.
Элементный состав протосолнечной небулы, так называемый,
«солнечный состав» получают, сопоставляя состав солнечной
фотосферы, состав атмосфер Юпитера и Сатурна (по летучим
компонентам) с составом наименее измененного (примитивного)
метеоритного вещества - углистых CI хондритов (для
минералообразующих элементов).

17.

Солнечный состав (солнечные обилия) – это атомные содержания
элементов относительно одного из них, обычно Н или Si
Lodders K. 2011. Solar System
Abundances of the Elements.
Рисунок иллюстрирует
близость относительного
состава элементов солнечной
фотосферы и относительных
обилий элементов в
примитивных CI хондритах:
для 37 из 39 элементов, обилия
которых хорошо определяются
в солнечной фотосфере (х=1),
отличие от обилий в CI
хондритах ( ) не превышает
10%
В системе солнечного состава содержится:
на 1 атом Si
2.6×104 Н 2.5×103 Не
1.03 атома Mg,
7.19 атома C,
0.85 атома Fe,
2.12 атома N,
0.42 атома S,
15.7 атома O,

18.

3. Температуры в околосолнечном диске.
До середины 60-х годов ХХ-го века существовало представление, что
околосолнечный диск был холодным, см. например, 4 лекции О.Ю.Шмидта
о теории происхождения Земли, 1949 г..
По современным представлениям – во внутренней зоне газопылевого
околосолнечного протопланетного диска (r <~ 1.5-2 а.е.) на начальном этапе
эволюции (2-4 млн. лет) существовали высокие температуры, при которых
досолнечное пылевое вещество было практически полностью испарено

19.

4. Максимальные температуры во внутренней зоне
околосолнечного диска.
ФАКТ.
• Накопление экспериментальных данных по составу метеоритного
вещества (в основном обыкновенных хондритов),
• развитие методов равновесной термодинамики (получение
термодинамических свойств элементов и их соединения при высоких Т),
• развитие числительных методов решения систем нелинейных уравнений
при наличии ограничений наряду с появлением быстродействующих ЭВМ
показали, что основные фазы обыкновенных хондритов образовались в
процессе охлаждения газа солнечного состава.
ВЫВОД – вещество, из которого образовались планеты земной группы, а
также вещество дифференцированных метеоритов было первоначально
нагрето до T ~ 1800 - 2000 K, а затем при остывании вещества диска
сконденсировалось.
Важнейшим процессом, во многом определившим состав тел
внутренней зоны Солнечной системы был процесс конденсационной дифференциации вещества при охлаждении околосолнечного
газопылевого протопланетного диска.

20.

Температуры конденсации основных элементов из газа солнечного
состава при его остывании (Р = 10-4 бар)
Порода
минерал
Формула
Т конд., К
элементы
Корунд
Al2O3
1677
Гибонит
CaAl12O9
1659
Тугоплавкие
Al, Ca, Ti
Перовскит
CaTiO3
1593
Fe-Ni-сплав
Fe
1357
Fe, Ni, Co
Оливин
Форстерит-
(Mg,Fe)2SiO4
1354
Mg, Si
Пироксен
энстатит
(Mg,Fe)SiO3
1326
Полевой шпат
KAlSi3O8
1006
NaAlSi3O8
958
содалит
Na4Al3Si3O12Cl
948
F-апатит
Ca5(PO4)3F
734
троилит
FeS
704
магнетит
Fe O
371
Fe+H2S2г
Умереннолетучие: Na, K
Летучие:
Cl, F, P, S
Окисление металла
3 4
При конденсационной дифференциации
элементы разделяются по Т
образования их твердых фаз как в результате конденсации, так и в
результате взаимодействия небулярного газа с ранее образовавшимися
твердыми фазами.
Разделение (дифференциация) Fe и Mg силикатов при конденсации не
происходит, в отличие от гравитационной дифференциации.

21.

Конденсационная дифференциация породообразующих элементов,
характерных для земных планет и хондритов, при остывании
газопылевого околосолнечного диска на r <~3 а.е. ( 10 млн.лет)
Тугоплавкие
(модель Lodders, 2010)
Fe-Ni,
Mg-Si
Умеренно-летучие
Конденсируются вместе
с «фазами-хозяинами»
Летучие
породообразующие элементы
ΔТ в зоне образования земных планет и астероидного пояса
r <~3 а.е.

22.

Температуры в зоне образования тел Главного пояса астероидов
ФАКТ Экспериментальные данные: вещество углистых хондритов
содержит гидросиликаты, сульфаты, карбонаты – это результат
гидротермальных процессов (взаимодействие с Н2О) в родительских
телах. В условиях околосолнечного диска аккумуляция воды
(конденсация из газовой фазы) могла происходить при Т 150 К.
ВЫВОД –В ПОЯСЕ АСТЕРОИДОВ В ПЕРИОД ФОРМИРОВАНИЯ РОДИТЕЛЬСКИХ ТЕЛ УГЛИСТЫХ ХОНДРИТОВ ТЕМПЕРАТУРА БЫЛА 150 К.
ФАКТ В веществе СI хондритов и комет обнаружены органические
соединения, в основном в форме тугоплавких полициклических и
ароматических углеводородов (основные компоненты CHON) до ~ 3.5 мас. %.
Пылевая компонента межзвездных молекулярных облаков в содержит (~ 34 –
38 мас. %) таких органических соединений.
Максимальная температура их устойчивости = 450-600К.
ВЫВОД - получена оценка интервала изменения температур на радиальных
расстояниях r ~ 2.5 - 3.5 а.е.: максимальные температуры были ~ 450К,
минимальные ~ 140 – 150 К.

23.

Температуры во внешней зоне диска – зоне образования Сатурна
и его спутников (зона питания 8-11 а.е.)
Аккумуляция летучих компонентов
небулы (Н2О, СО, СО2, СН4, NH3, N2, H2S, а
также инертных газов, кроме Н2 и Не) во
внешнем регионе диска могла
происходить только в форме льдов.
100
Temperature, K
80
NH3 H2O
CO2
H2S 5.75H2O
ФАКТ Экспериментальные данные по
60
составу атмосферы Титана и водных
CH4 5.75H2O
плюмов Энцелада (каменно-ледяных
Xe-cl
спутников Сатурна) и свидетельствуют,
CO-cl
40
Kr-cl
что при образовании этих тел помимо
N2- cl
Ar-cl
льда воды в их состав вошли СО2 и NН3,
которые образуют твердофазные
20
соединения – кристаллогидрат аммония и
лед СО2 при Т 80-90 К и Т 70-80 К
-9
-8
-7
-6
соответственно.
Lg(P), bar
ВЫВОД Формирование вещества
Образование клатратов
каменно-ледяных тел в регионе Сатурна
летучих компонентов из
происходило при Т 70-80 К.
газа солнечного состава

24.

Температуры во внешней зоне диска – зоне образования
Юпитера и его спутников (зона питания 3.5 - 6.5 а.е.)
ФАКТ Экспериментальные данные по составу летучих в каменноледяных спутниках Юпитера свидетельствуют, что при образовании этих
тел кроме льда воды в их состав никакие иные летучие компоненты
небулы не входили. Спутники не имеют атмосфер, а наблюдавшиеся
плюмы Европы содержали лишь воду.
ВЫВОД Формирование вещества каменно-ледяных тел в регионе
Юпитера происходило при Т 140 - 150 К.

25.

Сверхнизкие температуры в транснептуновой зоне диска –
зоне образования комет и объектов пояса Койпера
ФАКТ Экспериментальные данные по составу вещества комет и
Плутона. Атмосфера и льды Плутона состоят из N2 и СН4. В составе
ядер комет присутствуют льды СО, N2 и Ar, которые образуются при
охлаждении газа солнечного состава до Т 22-25 К.
Значения содержаний 36Ar и N2 в коме кометы Чурюмова-Герасименко (данные КА
«Rosetta»). Измерения проводились с расстояния 10 км от ядра кометы.
ВЫВОД Формирование каменно-ледяных тел в транснептуновом
регионе (комет и тел пояса Койпера) происходило при Т 25 К.

26.

Данные КА «Новые горизонты» по составу поверхности Плутона
Снимок 14 июля 2015 г.
Кадр
охватывает
область
340х500 км
На равнине ледяные айсберги («острова») плавают в жидком N2, образуя
группы размером до 20-ти км. Конденсация жидкого N2 из газа солнечного
состава при Р 10-7 бар происходит при Т 22К.

27.

Данные по составу кометного вещества позволили выявить еще
один механизм дифференциации вещества в околосолнечном
протопланетном диске – это радиальный транспорт
ФАКТ Экспериментальные данные по составу
вещества комет показали присутствие в нем
кристаллических силикатов и тугоплавких
включений, обогащенных Cа и AI (Ca-Al inclusions
- CAIs). Это самые ранние фазы, образовавшиеся
в Солнечной системе, по возрасту которых
определяют возраст Солнечной системы. Из газа
солнечного состава фазы CAIs конденсируются
при
Т ~ 1800-1600 К.
ВЫВОД Попасть в зону образования комет - r
30 а.е. тугоплавкие включения могли только
благодаря радиальному транспорту вещества в
околосолнечном газопылевом протопланетном
диске.
Радиальный транспорт вещества –
важнейший механизм его дифференциации в
протопланетном диске
CAI
1 см
Размер CAI ~ 1см
CAIs в хондрите

28.

Mасса газопылевого диска.
От нее зависит Р и Т конденсации фаз в диске, т.е. условия образования
всех тел Солнечной системы.
Границы Т известны по космохимическим данным.
Р?
На первом этапе моделирования считали, что масса газопылевого диска
была ~ массы Солнца.
Но оказалось, что масса диска ограничена возможностью диссипации
большой массы газа (Н2+Не) за разумное время (< 10 млн. лет),
соответствующее данным наблюдений времени существования
околозвездных дисков вокруг звезд солнечного типа. Предположительно
диссипация газа была обусловлена действием солнечного ветра.
В настоящее время полагают, что масса диска не могла превышать
~ 10% массы Солнца. Согласно этим оценкам, Р во внутренней зоне
диска, включая пояс астероидов, менялось в интервале 10-4 – 10-6 бар, а
во внешней зоне в интервале 10-6 – 10-9 бар.

29.

Время образования Солнечной системы.
Оценки получены по данным астрофизических наблюдений + физические
модели + данные изотопных исследований внеземного вещества
Время, млн. лет
100
10
0.1 – 10
млн. лет
Образование системы
Земля – Луна
Аккреция 60 – 70% массы Земли
Образование
планет-гигантов
1
Образование эмбрионов
(1000 км)
0.1
Планетезимали
(1 км)
Пыль (10-6 м)
= 0 Начало образования Солнечной системы (~4.56 млд лет)
= возрасту CAIs.

30.

Основные механизмы дифференциации вещества
при образовании Солнечной системы
1. Гравитационная дифференциация. Разделение вещества в объекте
под воздействием гравитационных сил. Например, при дифференциации
железо-каменного тела образуется дифференцированное тело, имеющее FeNi ядро и силикатную мантию – это планеты земной группы. При
дифференциации каменно-ледяного тела образуется железо-силикатное
ядро, которое может содержать и гидратированные силикаты, и ледяная
мантия – это крупные каменно-ледяные спутники планет-гигантов.
2. Конденсационная дифференциация. Разделение элементов в
зависимости от температур (равновесной) конденсации. Земля обеднена
умеренно-летучими Na и К, потому что аккумуляция значительной части ее
вещества произошла при Т > Тконд.основных Na и К содержащих фаз.
3. Диссипация – удаление газа. Например, удаление газа (в основном Н2 и Не)
из околосолнечного протопланетного диска, или дейтерия в молекулах DH/D2
из атмосферы Венеры, образующихся при окислении водой Fe, S, C и др.
4. Аккреция – выпадение вещества на космическое тело под действием силы
гравитации: а) газ, пыль, твердые тела на Солнце, поэтому околосолнечный
диск называют аккреционным; газо-пылевое вещество на ядра планетгигантов и образование атмосфер, любого вещества на любое тело.

31.

1. Хондриты – недифференцированные метеориты, состоят из хондр –
частиц мм размера, испытавших плавление, и матрицы. 87% всех
находок – обыкновенные хондриты. Состоят из силикатной
матрицы, включающей частицы никелистого железа и сложенные
силикатами хондры. Углистые хондриты состоят из гидросиликатов,
сульфатов, карбонатов, тугоплавкого органического вещества.
2. CAIs. Ca-Al inclusions. Высокотемпературные включения в хондритах,
состоящие из окислов Ca и AI. Т образования ~ 1800 К. Считаются
самыми ранними объектами Солнечной системы. Их возраст 4.56 млд. лет принят за возраст Солнечной системы.