23.2. ПОЛНАЯ ИОНИЗАЦИЯ

Теперь рассмотрим экстремальный случай означающий, что плазма полностью ионизована. Выпадающий газ останавливается у сферы критической скорости, определяемой радиусом где газ становится частично ионизованным (рис. 23.2.1). В результате переноса момента количества движения ионизованному газу сообщается азимутальная скорость, возрастающая до тех пор, пока не будет достигнуто состояние частичной коротации. Связанное с этим процессом выделение энергии приводит к полной ионизации плазмы.

Как подчеркивалось ранее, однородные модели, применяемые в физике космической плазмы, устарели. Чтобы уменьшить гипотетический элемент, неизбежно содержащийся в гетегонных теориях, необходимо связать, насколько это возможно, модели с данными лабораторных экспериментов и такими космическими явлениями, которые наблюдаются в настоящее время. При рассмотрении важно опираться на магнитосферные и особенно солнечные явления. Основой нашего настоящего анализа служит процесс переноса момента количества движения через ряд «гигантских протуберанцев», описанный в разд. 16.7 и работе [125] (см. рис. 16.6.1).

Таким образом, мы рассматриваем выпадение газа в ряду перемежающихся событий с конечным распространением и конечным временем жизни. Некоторые выпадения вполне могут происходить одновременно. Газ, который прибывает к сфере критической скорости и частично ионизуется, быстро объединяется в гигантский протуберанец. Последний оказывается почти полностью ионизованным, так как условие гарантирует, что для ионизации имеется достаточно энергии. Процессы, которым

Рис. 23.2.1. Полная ионизация выпадающего газа. Газ, падающий из бесконечности, достигает критической скорости при (сфера критической скорости) и частично ионизуется. Он быстро включается в «гигантские протуберанцы», которые в случае почти полностью ионизованы. Вещество, поступающее в низких широтах будет размещаться вблизи экваториальной плоскости и там конденсироваться. Вещество, прибывающее к сфере критической скорости в высоких широтах будет проникать к центральному телу. Отметим, что процессы в не обязательно мешают друг другу, поскольку они могут происходить в разное время или даже одновременно на разных долготах.

подвергается выпадающий газ при приводят к заключению газа в магнитную силовую трубку. В конечном счете газ либо падает вдоль этой трубки к центральному телу, либо его момент количества движения увеличивается настолько, что он доставляется в область вблизи экваториальной плоскости. Вокруг оси центрального тела имеются области, где происходит первый процесс, в то время как последний протекает в области пояса вблизи экваториальной плоскости.

Схема, изображенная на рис. 23.2.1, представляет собой проекцию на меридиональную плоскость, и ее следует интерпретировать на основе сказанного выше.

Поскольку средняя масса равномерно распределена по поверхности сферы радиуса масса заключенная между широтными окружностями в интервале от X до равна

где Уравнение магнитных силовых линий имеет вид

где расстояние от точки на силовой линии до центрального тела, значение в экваториальной плоскости. Полагая

Рис. 23.2.2. Вещество, полностью затормозившееся у сферы критической скорости, перемещается наружу вдоль магнитных силовых линий и конденсируется в области экваториальной плоскости. Для получения приближенной оценки примем, например, что все вещество, существовавшее между современными орбитами Юпитера и Сатурна, теперь включено в Юпитер и т. д. Как следует из табл. 23.2.1, такой подход дает примерно наблюдаемое распределение массы. Суть анализа состоит в том, что распределенная плотность в области планет-гигантов оказывается совместимой с моделью, рассмотренной в разд. 23.2 [9].

и дифференцируя (23.2.2), получаем

Последняя функция изображена на рис. 23.2.2.

Теперь посмотрим, могут ли образоваться внешние планеты из газа, распределение массы которого определяется уравнением (23.2.4).

Предположим, что значение приблизительно совпадает с современным радиусом орбиты Юпитера и что весь газ, находящийся между и орбитой Сатурна идет на формирование Юпитера. (То обстоятельство, что, согласно гл. 17, все расстояния, вероятно, следует уменьшить до 2/3, здесь не существенно.) Подобным же образом предположим, что все вещество, заключенное между (Уран), конденсируется в направлении Сатурна и т. д. Отсюда следует, что планеты должны иметь следующие массы:

Юпитер:

Нептун:

где орбитальный радиус Плутона, а А определяется из соотношения

Относительные массы планет, вычисленные по уравнениям типа (23.2.7), и массы, определенные по данным наблюдений, приведены в табл. 23.2.1. Вычисленные значения отличаются от наблюдаемых менее чем в 2 раза. (При интегрировании от радиуса Плутона до бесконечности оказывается, что результирующая масса равна 32 единицам. Однако, поскольку эта масса ионизуется вблизи осевой области Солнца, она, вероятно, должна падать непосредственно на Солнце — на рис. 23.2.1.)

Таблица 23.2.1 (см. скан) Распределение массы между планетами-гигантами, вычисленное для случая

Предположение о распределении газа на расстояниях, точно соответствующих современным радиусам планет, конечно, произвольно. В другой работе были выполнены более тонкие расчеты [7, гл. V]. Однако если пойти в обратном направлении, то полученный результат можно интерпретировать следующим образом. Распределим массы внешних планет так, чтобы в экваториальной плоскости масса была распределена непрерывно. Проекция этого

распределения вдоль магнитных силовых линий на сферу дает почти равномерное распределение массы. Следовательно, полученная таким образом картина находится в приемлемом согласии с распределением массы между планетами-гигантами.

Теперь обратимся к внешним спутникам Сатурна. Эта группа также имеет очень высокое значение Она нерегулярна (см. разд. 23.8), поэтому определить исходное распределение массы по трем существующим сейчас телам затруднительно. Однако очевидно, что в этой группе основная часть массы также сконцентрирована в Титане, находящемся ближе всего к центральному телу и расположенном несколько ниже границы ионизации.