Космология. Лекция 6, 2018 (диф.в-ва)

1.

ЛЕКЦИЯ 6
ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ВЕЩЕСТВА В
РАННЕЙ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ В
ПРОЦЕССАХ ЕГО АККУМУЛЯЦИИ И
РАДИАЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

2.

Содержание
Летучие в Солнечной системе. Определение. Распределение
в различных телах Солнечной системы (планеты земной
группы, планеты-гиганты, кометы и астероиды).
Летучие элементы и их соединения в газовой фазе
околосолнечного диска. Механизмы дифференциации и
аккумуляции летучих. Эволюция летучих от досолнечной фазы
до образования планет и спутников.
Вода. Значение D/H как индикатор процессов эволюции Н2О.
Глобальная дифференциация вещества, обусловленная
физическими процессами в околосолнечном диске –
радиальный транспорт.

3.

В предыдущих лекциях мы обсуждали в основном следующие процессы,
обусловившие дифференциацию элементов при образовании тел Солнечной
системы:
1. Конденсационная дифференциация
2. Гравитационная дифференциация
Но дифференциация вещества также происходит в процессе
3. Аккумуляции вещества и
4. его радиального транспорта
Рассмотрим эти механизмы на примере распределения летучих
элементов и их соединений в различных телах Солнечной системе.
Под термином «летучие» в космохимии понимаются элементы и
их соединения, которые в нормальных условиях (25оС и 1 бар)
находятся в газообразном состоянии, а также вода.
Элементы – H, C, O, N, S, а также инертные газы - Не, Ne, Ar, Kr, Xe
Соединения – H2, H2O, CO2, CH4, CO, CH3OH, N2, NH3, COS, H2S и др.

4.

Солнечные обилия
4.56 млд. лет назад
Распределение летучих элементов
между газовой и твердыми фазами
небулы (околосолнечного,
газопылевого, аккреционного
протопланетного диска) при Т > 200K
Водород – в основном в газовой фазе, в основном
как Н2, в подчиненных количествах в Н2О, NH3, H2S,
СН3ОН и в твердой фазе как CHON - условный
состав С100Н71N3О12S или C100HхO42N10
Lodders K. (2010)
Не и другие инертные только в газовой фазе
Азот – основные соединения – N2, NH3, CN- – газ + CHON
Сера – в основном в твердой FеS и др. сульфиды, в газовой - H2Sгаз,
Кислород - распределен между
твердой (высокотемпературной) фазой –
это окислы металлов - MgO, FeO, SiO2 и др., а также CHON
и газовой фазой – где образует соединения в основном с водородом Н2О и углеродом – СО, СО2, СН3ОН
Углерод – газ - СО, СО2, СН3ОН, СН4 + твердая фаза CHON (до 50% от С)

5.

Летучие элементы и их соединения входят в состав всех тел
Солнечной системы. Но их состав и механизм аккумуляции был
различен.
Газовые планеты-гиганты содержат наибольшее количество летучих
Сатурн
Юпитер
Земля
Земля
Состав атмосфер (данные КА Pioneer 11; Voyger 1, 2; Cassini):
Н2 + Не 99.9% в солнечных пропорциях Н2 : Не 90 : 10
Вывод: поскольку Н2:Не отвечает солнечным пропорциям,
образование атмосфер Юпитера и Сатурна происходило путем
аккреции газовой фазы небулы в период <~ 5 -7 млн. лет от
начала образования Солнечной системы

6.

Помимо Н2 и Не в атмосферах Юпитера и Сатурна сдержатся:
CH4, NH3, H2S, PH3, H2O, AsH3,GeH4., а также Ne, Ar, Kr. Xe, составляющие по
массе ~ 0.1%.
Но в газовой фазе протопланетного диска основными соединениями были
СО и N2, поэтому было предположено, что в появление CH4 и NH3 в
атмосфере Юпитера и Сатурна связано с интенсивной глубокой
вертикальной конвекцией в верхней атмосфере с уровнес с Т ~ 100К до
уровней с Т до 2000К – вертикальные конвективные ячейки. На нижних
уровнях при высоких Т и Р эффективно происходят реакции
восстановления водородом (избыток) аккрецированных из газовой фазы
диска молекул СО и СО2 до CH4, и N2 до NH3 и воды.
Например, СО + Н2 = СН4 + Н2О.
Юпитер/Солнце
Сатурн/Солнце
Но есть 2 проблемы:
1. атмосфера Юпитера в 2-4 раза
обогащены всеми летучими тяжелее
Ne
2. атмосфера Юпитера вдвое по
сравнению с солнечной пропорцией
обеднена водой, а атмосфера Сатурна
обеднена водой в 6 раз.
Вопросы: откуда летучие и где вода?
20Ne/H
C/H
0.14 .0.01
2.2 0.4
1.9 0.4
2.0 0.4
3.6 0.7
7.6 2.1
N/H
S/H
4.4 1.9
2.1 0.1
3.1 0.6
6.0 0.8
O/H
P/H
0.48 0.22
1.12 0.03
12.4 4.2
36Ar/H
84Kr/H
132Xe/H

7.

Строение верхней атмосферы Юпитера
Внутреннее строение
Юпитера

8.

Модели внутреннего строения Юпитера и Сатурна

9.

Обогащение атмосфер всеми летучими (кроме кислорода/воды)
могло иметь 2 причины.
1.Дополнительная аккреция при образовании газовых планет-гигантов
ледяных планетезималей, содержавших СО, СО2, NH3, CH4, N2 и др. Но
имеется большой дефицит воды, а должен был быть 6-ти
кратный избыток.
2.Акреция атмосфер происходила на стадии диссипации протопланетного
диска, поэтому значения отношений Хэлемент/ХН2 были выше солнечных
пропорций. Но и в этом случае вопрос дефицита воды остается.
Космический эксперимент JUNO (проходит в настоящее время), цель
которого – изучение Юпитера, поможет решить эту задачу, имеющую
большие космогонические следствия.

10.

Уран – Нептун - ледяные планеты-гиганты.
Их ядра не содержат металлического водорода, но состоят
из нескольких модификаций высокоплотного льда Н2О.
Н2 и Не входят только в состав атмосфер
Уран
Нептун
Состав
атмосфер
Атмосферы Урана и
Нептуна состоят в
основном из Н2 и Не
(83 и 15%) +2% СН4,
СО и др.
Вывод: поскольку Н2:Не
близко солнечным
пропорциям, образование
атмосфер Урана и Нептуна
также происходило путем
аккреции газовой фазы
небулы в период <~ 5 -7
млн. лет от начала
образования Солнечной
системы

11.

Затухание бури в атмосфере Нептуна впервые зафиксировал телескоп Hubebl
Возмущение в атмосфере в 2015 г. достигало 5 тыс. километров в диаметре, а
сейчас оно сократилось до 3700 км.
В отличие от Большого красного пятна в атмосфере Юпитера, которое
сохраняется на протяжении уже более двух столетий, от момента
возникновения до затухания бури на Нептуне проходит всего несколько
лет.

12.

Малые тела внешней Солнечной системы
1 – регулярные спутники планет-гигантов
Крупнейшие регулярные
спутники Юпитера
(5.9 RJ)
Европа
(9.4 RJ)
Ио Fe+силикаты, летучие - сера
Плотность, г/см3
Ио
4
Европа ~10% воды+СО2+NH3
3
Ганимед
Каллисто
2
40% льда (Н2O+др. летучие)
60 % Fe+силикаты
1
5
10
15
20
25
Радиальное расстояние, RJup
30
Ио из летучих содержит только серу
Ганимед
(15 RJ)
Каллисто
(26 RJ)
Европа – дифференцированное тело. Под ледяной
корой h ~ 10-15 км предположительно находится
водный океан h ~ 50 км с растворенными солями,
СО2 и аммиаком (?); Возможно водный океан есть и
на Ганимеде.
Каллисто видимо, недифференцированное
каменно-ледяное тело
В составе вещества спутников нет ни Н2, ни Не.

13.

Малые тела внешней Солнечной системы
Крупнейшие регулярные спутники
Юпитера
Сатурна
Ио
(5.9 RJ)
Европа
(9.4 RJ)
Ганимед
(15 RJ)
Каллисто
(26 RJ)
В составе вещества спутников нет ни Н2, ни Не, но много Н2Олед.

14.

Крупнейший спутник Сатурна - Титан
Изменение с высотой состава
атмосферы Титана
h, км
Высота атмосферы ~ 200 км.
140
Следы
Н2
С2Н6
С2Н2
С2N2
CO2
36Ar
40Ar (40K)
120
100
80
В составе атмосферы Титана
нет Н2 и Не.
60
40
20
0
0.00
0.02
0.04
CH 4/N2
0.06
В недрах спутника много Н2О
(жидкой и высокоплотных
льдов), а также растворенных
в ней С- и N-содержащих газов,
вероятнее всего СО2/СН4 и
NH3/N2, которые наблюдаются
в плюмах Энцелада

15.

Энцедал
Высота плюмов до 180 км
Состав водных плюмов Энцелада
(по Waite et al., 2009)
Компонент
Мольная доля
Н2О
0.90 0.01
СО2
0.053 0.001
CH4
(9.1 0.5)×10-3
NH3
(8.2 0.2)×10-3
N2
< 0.011
H2S
(2.1 1)×10-5
40Ar
(3.1 0.3)×10-4
Органические молекулы
n×10-3 - n×10-5
В составе плюмов Энцелада
нет Н2 и Не, но много Н2Олед, а
также других летучих - N2, NН3,
СО, СО2, СН4 и др.

16.

Малые тела Солнечной системы.
Транснептуновые объекты
Плутон,
спутник Плутона Харон,
спутник Нептуна Тритон
Плутон, его спутник Харон, спутник
Нептуна Тритон состоят из смеси
скальных пород и водяного, азотного
и метанового льдов. Красноватый цвет
поверхности обусловлен присутствием
сложных органических соединений,
состоящих из С, Н и N (CHON) –
результат фотохимического синтеза.
В составе этих тел нет главных
компонентов газовой фазы небулы
- Н2, и Не, но много льда Н2О, а
также других летучих - N2, СН4 и др.
M(ice) 33% и M(rock) 67%

17.

Ядро кометы
Hartley 2
Малые тела Солнечной
системы.
Хвост кометы – это
испаряющиеся газы
+ пыль
3. Кометы.
Состав: 50 мас.% - силикатная пыль хондритового состава, тугоплавкие
органические соединения (CHON), и 50% – льды – Н2О + льды СО, СО2, СН4,
СH3ОН, NH3, N2 и др.
В составе комет нет главных компонентов газовой фазы небулы - Н2, и Не,
но много льда Н2О и других летучих.
Общий вывод. В составе вещества всех тел внешней части Солнечной
системы, за исключением планет-гигантов – в каменно-ледяных спутниках
планет, в телах пояса Койпера, в веществе комет всех типов нет главных
компонентов газовой фазы небулы - Н2 и Не, но много льда Н2О, а также
льдов других летучих.
Предположение. Аккумуляция всех летучих, включая Н2О, в этих телах
происходила не путем их прямой аккреции из газовой фазы, а при их
переходе из газообразного в твердое состояние, т.е. при их конденсации.

18. Аккумуляция летучих с их переходом в твердую фазу происходит либо с участием льда воды, либо в виде при образовании чистой фазы

льдов
(1)
при низких Т < 35К и Р в условиях
межзвездных молекулярных
облаков образуется аморфный
лед Н2О, обладающий большим
количеством пор, благодаря
чему он может сорбировать газы
и таким образом аккумулировать
(удержать) летучие компоненты.
(2)
(3)
при Т > 50K образование
твердых соединений газов с
кристаллическим льдом –
кристаллогидратов и
клатратных гидратов
Образование чистых фаз льдов
различных газов. Т их образования
ниже Т образования
кристаллогидратов тех же газов
Механизм аккумуляции летучих зависит от Р-Т в
рассматриваемом регионе околосолнечного диска

19.

Радиальное распределение
максимальных температур
в околосолнечной небуле
на разных этапах ее эволюции
Р-Т условия конденсации льдов
из газе солнечного состава
T,K
NH3 H2 O
80
CO2 - ice
70
40
Xe
CH 4
Т=30К
30
Kr
CO
N2
Ar
20
Р, бар
Jup, Sat,
-9
10
По (Дорофеева, Макалкин, 2004)
-8
-7
10
10
Давление, бар
-6
10
Вывод – только в регионе Сатурна была возможность частичной
аккумуляция летучих – азота в форме NH3 Н2Окр и углерода в форме CO2(лед)

20. Другая форма аккумуляции газов в твердой фазе - образование их клатратных гидратов

Другая форма аккумуляции газов в твердой фазе образование их клатратных гидратов
Клатратными гидратами называют соединения, образующиеся при
участии кристаллического льда, в дефекты решетки которого
захватываются молекулы различных газов.
Для газов, образующихся при охлаждении
газопылевого протопланетного диска,
рассматриваются две возможные структуры –
X · 5.75H2O - для СН4, СО, Хе, H2S и
X · 5.66H2O - для N2, Kr и Ar.
Но чтобы образовались кристаллогидраты, нужно
испарить аморфную воду, образовавшуюся в
межзвездной среде при супернизких парциальных
давлениях H2O и вновь сконденсировать. При Р
Диска H2Oг конденсируется уже в кристаллической
форме.
СН4
Испарение аморфного льда было вероятно только в регионе Юпитера.
В регионе Сатурна аморфный лед воды скорее всего не испарялся.

21.

Р-Т условия образования
кристаллогидратов и
клатратных гидратов из газа
солнечного состава

22.

Следствия:
1. При равных Р кристаллогидраты и клатратные гидраты всех газов (за
исключением СО2) образуются при более высоких Т, нежели их льды.
СН4 · 5.75H2O образуется при Т ~ 60К,
СН4(лед)
при Т ~ 30К.
2. СО и N2 – основные формы азота и углерода – могут аккумулироваться в
форме кристаллогидратов при Т = 40 - 50К, льды – при Т = 25 – 20К.
Вывод – аккумуляция летучих в зоне образования, Сатурна и его
регулярных спутников вероятнее всего происходила в форме
кристаллогидрата NH3 Н2О, СО2(лед) и СН4·5.75H2O(лед) , если хватало H2Oкр,
также в принципе была возможность аккумуляции в форме СН4лед.
В регионе Юпитера, где температуры был выше, мог аккумулироваться
Н2О(лед), возможно NH3 Н2О. NH3OHр-ор играет роль антифриза, понижая Т
замерзания подледных океанов на спутниках.
Таким образом, аккумуляция летучих в твердой фазе, возможно с
участием льда Н2О - еще один механизм дифференциации вещества,
определивший состав каменно-ледяных тел во внешней части ранней
Солнечной системы

23.

Но откуда летучие на планетах Земной группы и в телах
астероидного пояса?
T, K
1.4 млн. лет
конденсация льда воды
100
30K
10
0
1
Пояс астероидов
Но вода и другие летучие есть и
на Марсе, и на Земле, и на
Венере, и даже на Меркурии.
1000
Венера, Земля Марс
На стадии газопылевого диска
температуры в зоне земных
планет не опускались ниже Тконд
Н2Олед, а в астероидном поясе
Тконд Н2Олед достигалась в период
> 3-4 млн. лет.
0.15 млн. лет
8 млн. лет
r, a.e. 10
Радиальное распределение
максимальных температур в
околосолнечной небуле

24.

Марс
Ледники обнаружены не только в
приполярных районах, но и в средних
широтах обоих полушарий – в восьми точках
с широтой в диапазоне от 55 до 58°. Они
видны у подножья всех четырех вулканов
группы Тарсис, расположенной в
экваториальной области Марса.
Обнажение линзы водяного льда на крутом
склоне. Снимок охватывает область шириной
около 550 метров.

25. Лавы и лед вулкана Олимп на Марсе

На Марсе немало вулканов. В вулканической области Тарсис много
мощных вулканов, один из которых, гора Олимп, диаметром 500 км и
высотой 26 км – второй по величине вулкан в Солнечной системе.
Фотогеологический анализ
первых полученных
снимков телекамеры
высокого разрешения на
европейском КА «Марс
Экспресс» показал, что
постройка этого вулкана
сложена не только потоками
лав, но и осажденными из
атмосферы слоями смеси
льда воды и пыли.
При взаимодействии этих
слоев с лавой образуются
провалы поверхности и
русла, по которым, видимо,
текла вода.

26.

Миллиарды лет назад Марс напоминал Землю – на его поверхности текли реки и
плескались озера, а атмосфера была гораздо более плотной, чем в настоящее
время. Однако утрата атмосферных газов и воды постепенно изменила
марсианский климат и превратила сравнительно теплую и влажную планету в тот
сухой замерзший мир, что мы наблюдаем сейчас.
Марс продолжает терять воду, и один из механизмов – пыльные бури
Оба снимка Марса, получены в
2001 году КА Mars Global Surveyor
с интервалом примерно в месяц.
Если на левом снимке атмосфера
Марса практически прозрачна, на
правом она затянута плотной
дымкой глобальной пыльной бури.
Во время мощной пыльной бури 2007 года содержание водяного пара в средней
атмосфере Марса (на высотах от 50 до 100 км) увеличилось в сто раз.
Увлажнение средней атмосферы способствует доставке водяного пара в
верхние слои марсианской атмосферы, откуда его молекулы могут убегать в
космос.

27.

Состав атмосферы Венеры
Масса дегазированных СО2 и N2 на Земле и Венере близки. Но воды
на Венере на 5 порядков меньше, чем на Земле.
Причина:
Н2О + СО (вулк.газов) = СО2 + Н2 (диссипация)
FeO + H2O = Fe3O4 + H2 (диссипация)
Н2О + h = Н2 (диссип.) + О
О + FeO = Fe2O3
Доказательство:
потеря легкого водорода воды, в результате его диссипации из
верхних слоев атмосферы повысило D/Hvenus=0.025 в 10 раз по
сравнению с первоначальным значением (D/H = 0.00016 )

28.

Валовый состав Земли, мас. %
5 основных элементов
Вывод – поскольку на стадии газопылевого
диска температуры в зоне образования
земных планет не опускались ниже Тконд
Н2Олед, а все эти тела содержат летучие, то
был иной механизм, обеспечивший
вхождение летучих в состав вещества этих
тел.
Вода в значимых количествах есть в телах астероидного пояса.
Астероид Церера содержит 20 мас.% воды (данные КА Dawn)

29.

Недавно были открыты кометы Главного астероидного пояса
Они вращаются вокруг Солнца в области Главного пояса астероидов по слабо
эллиптическим орбитам и при прохождении вблизи перигелия проявляют кометную
активность – у них появляется газо-пылевой хвост. Кометная активность длится от
одного до нескольких месяцев, а оборот вокруг Солнца такой кометы длится ~ 5-6 лет.
На данный момент обнаружено пять комет этого класса.
Возможный источник – осколки, образовавшиеся при столкновении астероида
Главного пояса и короткопериодической кометы или водосодержащих астероидов

30.

Все пронумерованные астероиды (желтый) и кометы (белые галочки) на
октябрь 2014.

31.

Откуда вода и другие летучие в планетах земной группы
и в поясе астероидов?
Еще один процесс, обусловивший
дифференциацию элементов
при образовании тел Солнечной системы:
процесс радиального транспорта вещества.
Он связан с постоянно существовавшим в околосолнечном диске
переносом твердого вещества в виде пыли и тел разного размера из
дальних, более удаленных от Солнца регионов протопланетного
диска в его внутренние зоны.
На стадии газо-пылевого диска летучие из их состава испарялись,
т.к. на r < 1.5 а.е. были Т > Тисп. Льда.
Но на стадии осколочного диска, когда в отсутствии газопылевой
среды диск остыл, в зоне земных планет в твердом веществе
содержавшийся в них лед Н2О и некоторые другие летучие могли
сохранятся и аккумулироваться планетами.

32.

Но где образовались тела, содержавшие летучие?
Лед воды в Солнечной системе характеризуется двумя важнейшими
свойствами: структурой (аморфной или кристаллической) и изотопным
составом водорода (D/H).
Во внешних регионах Солнечной системы, где лед, образовавшийся в
межзвездной среде и не испарялся, он имел аморфную структуру и
высокое D/H: (5-7) 10-4.
Во внутренних регионах Солнечной системы, где лед подвергся
испарению и последующей конденсации он имел кристаллическую
структуру и более низкое D/H, как результат реакции изотопного обмена
HDOgas + H2 = H2Ogas + HD
поcкольку отношение изотопов водорода в молекуле H2 солнечной небулы
было на порядок меньше, чем в молекуле воды: D/HН2 ~ 2 10-5.
В результате D/HН2О Земли (VSMOW) = 1.5 10-4, т.е. за счет изотопно более
легкого Н2 D/HН2О понизилось ~ в 3-4 раза.

33.

Значения отношений D/H в молекулах Н2 и Н2О
в Солнечной системе и их роль в космохимии.
В протосолнечной туманности, а затем и в протопланетном диске
существовало 2 основных соединения водорода Н2 и Н2О
Каковы были их первоначальные значения на момент образования
Солнца?
Изотопный состав водорода в Солнце существенно изменился, поскольку
первая ядерная реакция в гравитационно сжимающейся звезде – это горение
дейтерия, приводящий к синтезу 3Не. Вследствие этого современное значение
D/H в солнечном ветре составляет ~(3-7) 10-7 (Huss, 2012).
Протосолнечное значения (D/H) в молекуле Н2 в Солнечной системе можно
получить из данных по изотопному составу водорода в атмосфере Юпитера,
поскольку она образовалась путем аккреции вещества протосолнечной
туманности на относительно небольшое каменно-ледяное ядро в первые 3-5
млн. лет существования Солнечной системы и в недрах этого тела ядерные
реакции не шли:
D/HJup = (2 0.35) 10-5 (Geiss, Gloecker, 2003 – экспериментальные данные).
Для атмосферы Сатурна получено близкое значение D/H в молекуле Н2 =
1.85 10-5 (Lellouch et al., 2001).

34.

Хотя мольные обилия воды в протосолнечной небуле и протопланетном диске
не превышали 0.5 мас.% относительно Н2, ее роль при образовании
Солнечной системы была чрезвычайно велика. Первоначально Н2О вошла в
состав околосолнечного диска в виде аморфного льда, образовавшегося в
межзвездном пространстве, который сохранял свою структуру во внешних
холодных регионах диска. Изотопный состав водорода молекулы в момент
образования Солнечной системы Н2Оt=0 оценивается величиной, определенной
по D/H в межзвездных льдах
D/HН2О=5 10-4 (Linsky 2003) - (6.5 3.5) 10-4, что в 25 раз выше, чем в
молекуле Н2.
Таким образом в момент времени t=0 было
D/HН2 ~ 2 10-5
D/HН2O ~ 5 10-4
Что это дает для космохимии?

35.

Значения изотопного отношения D/H в молекулах Н2 и Н2О
в различных космических объектах
D /H
10
-3
в м о л е ку л е Н2 О
ко м е ты
Н 2О (л е д )
(~ 1 w t.% o f P S N )
s n o w -lin e
H D Oг + H 2 = H 2 O г+ H D
Энцелад
плю мы Н О
2
3
а тм о с ф е р ы п л а н е т-ги га н то в
(9 0 w t.% o f P S N )
1 0 -5
PSN – protosolar nebula
Н е п ту н
-4
в м о л е к у л е Н 2 (га з )
Ю п и те р
10
[О Н - ]
С х о н д р и то в
Уран
1 .5
Вода Зем ли
VSMOW
С а ту р н
5
P S N - P ro to
s o la r n e b u la
P S N - P ro to
s o la r n e b u la

36.

У ледяных планет-гигантов Урана и Нептуна также как и у газовых планетгигантов преимущественно водородные атмосферы, но их массовая доля по
отношению к общей массе планеты существенно ниже. Почему?
Потому, что лед воды, содержавшийся в их ядрах, обладая более высоким
содержанием дейтерия, чем водород, в горячих недрах планет-гигантов
повышал за счет реакции изотопного обмена D/HН2
HDgas+ H2O = H2 + HDO
По полученному значению D/HН2 была масса ядер этих планет.
Зная скорость образования каменно-ледяных тел в зависимости от
поверхностной плотности в протопланетном газопылевом
околосолнечном диске можно оценить радиальное расстояние, на
котором Уран и Нептун могли образоваться.

37.

Откуда вода на Земле?
1. Р –Т условия в околосолнечном газопылевом протопланетном диске
однозначно указывают, что вода и другие летучие могли быть
аккрецированы прототелами планет земной группы, а также
астероидами Главного пояса только в виде твердых соединении.
2. Такое вещество не могло образоваться in situ, т.е. на r = 1 a.e.
3. Логично предположить, что вещество, содержавшее летучие
образовалось в регионах, отстоящих от Солнца на r > 3-5 a.e. или еще
далее.
4. Индикатором, указывающим регион образования такого вещества,
является соотношение D/H в молекуле воды.
5. Если D/H – кометное (3-5)×10-4, то это были дальние регионы, где лед
Н2О никогда не испарялся, сохранил свою аморфную структуру и
высокое (превышающее VSMOW) D/H..
6. Если D/H – земное (венский стандарт значения D/H океанической
воды Земли - VSMOW 1.5×10-4), то это были регионы, где лед Н2О
сначала был испарен, изменил свое D/H, а затем при последующем
охлаждении небулы вновь сконденсировался, приобретя
кристаллическую структуру.

38.

Изменение (понижение) начального значения D/H в молекуле воды
происходило в результате реакции изотопного обмена, протекавшей в
газовой фазе
HDO + H2
H2 + DH,
Такая реакция была возможна т.к.
а) начальное значение D/H в молекуле воды было ≥ (3-5)×10-4, как это следует из
данных по составу комет;
б) начальное значение D/H в молекуле Н2 было ~ 2 10-5, как это следует из данных
по изотопному составу Н2 в атмосферах Юпитера и Сатурна.
8. Однако, по крайней мере, некоторая часть вещества, содержащего такие
летучие, как инертные газы, могла поступить и из дальних регионов диска
вместе с кометным веществом.
Модельные расчеты показывают, что для Земли соотношение вещества
близкого по составу астероидному и кометному, поступившего благодаря
радиальному транспорту в околосолнечном диске, было ~ 10:1.
Происходил этот перенос на стадии, когда газа в диске уже не было и
температуры снизились, т.е. На стадии осколочного (debris) диска.
Таким образом, аккумуляция летучих в твердых телах
и их радиальный транспорт в околосолнечном диске был одним из
важнейших механизмов дифференциации вещества при образовании тел
Солнечной системы и основным в обеспечении летучими планет
земной группы.

39.

Изотопия азота как индикатор эволюции вещества в телах Солнечной системы
14
N/
15
p ro to s o la r N e b u la [N 2 ] : [N H 3 ] ~ 5 :1
N
Ю п и те р , N H 3
в м о л е ку л е N
2
500
С атурн, N H 3
p ro to s o la r
NEBULA, N 2
s o la r w in d
m e te o rite in c lu s io n s
400
300
200
100
Зем ля,N 2
в м о л е ку л е N H 3
Т и та н , N 2
13 ком ет
(N H 3 )
23 ком еты
(H C N /C N )

40.

14
N/
15
p ro to s o la r N e b u la [N 2 ] : [N H 3 ] ~ 5 :1
N
Ю п и те р , N H 3
в м о л е ку л е N
2
500
С атурн, N H 3
p ro to s o la r
NEBULA, N 2
s o la r w in d
m e te o rite in c lu s io n s
400
300
200
100
Зем ля,N 2
в м о л е ку л е N H 3
Т и та н , N 2
13 ком ет
(N H 3 )
23 ком еты
(H C N /C N )
Близость полученных значений
14N/15N в молекуле NН в
3
атмосферах Юпитера и Сатурна
значению, характерному для
молекулы N2 солнечной небулы
свидетельствует, что при
образовании Юпитера и
Сатурна резервуар с
пониженным значением 14N/15N,
т.е. NН3 не мог играть
существенную роль.
Напротив, основную роль играл источник, содержащий N2 аккрецированный с
газовой фазой небулы. Но в глубоких горячих внутренних слоях водородных
атмосфер этих планет азот восстанавливается до NH3 и выносится
вертикальными конвективными потоками на верхние уровни, доступные для
наблюдения
Вывод – азот и в протосолнечной небуле, и в протопланетном
газопылевом диске присутствовал преимущественно в форме N2.

41.

N2 - основной компонент
атмосферы Титана, крупнейшего
в м о л е ку л е N
2
С атурн, N H
спутника Сатурна, но его
500
p ro to s o la r
NEBULA, N 2
изотопный состав существенно
s o la r w in d
m e te o rite in c lu s io n s
отличается от протосолнечного
400
значения 14N/15N в молекуле N2 и
=167.7±0.6 и (по данным INMS
Зем ля,N
300
Cassini) и 147.5 ± 7.5, данные
Huygens/GCMS, что очень близко
в м о л е ку л е N H 3
200
Т и та н , N
13 ком ет 23 ком еты
(N H )
значениям 14N/15N в молекуле NН3
протосолнечной небулы,
100
определенное по значению в
кометных льдах.
Кроме того в атмосфере Титана было зафиксировано очень низкое содержание
нерадиоактивного аргона, а известно, что температуры образования льдов аргона
и молекулярного азота близки. На этом основании делается вывод, что азот в
атмосфере Титана – вторичный.
Было показано, что молекулярный азот мог образоваться в условиях
субповерхностного океана из аммиака.
14
N/
15
p ro to s o la r N e b u la [N 2 ] : [N H 3 ] ~ 5 :1
N
Ю п и те р , N H 3
3
2
2
3
(H C N /C N )
Вывод – получено еще одно доказательство существования
субповерхностного океана на Титане

42.

«Космохимия (от космос и химия),
наука о химическом составе
космических тел, законах
распространённости и распределения
химических элементов и их изотопов
во Вселенной, процессах сочетания и
миграции атомов при образовании
космического вещества.
акад. А.П.Виноградов.