20.4. НЕИЗВЕСТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Как установлено в разд. 20.2, в большинстве случаев основным источником информации об объемном химическом составе тела являются данные по средней плотности. Однако определить по ним химический состав часто очень трудно, поскольку мы слишком мало знаем о состоянии вещества при высоких давлениях. Мы также не располагаем удовлетворительной информацией о свойствах твердых тел, собранных в одно целое в слабых гравитационных полях.

1. Вещество при высоком давлении. В экспериментах со статическим давлением при удовлетворительной калибровке достигнут диапазон в несколько сотен килобар [138], что соответствует давлениям в верхней мантии Земли. В экспериментах с неустановившимся давлением, используя ударные волны, можно достичь давлений порядка мегабар (например, [288]). Хотя такие эксперименты полезны для изучения эффектов упругого сжатия, но при исследовании материалов, испытывающих фазовые превращения при высоких давлениях, их общая применимость более сомнительна. Причиной этого является то, что материал на фронте ударной волны сильно нагревается и время релаксации для фазовых превращений может быть больше длительности импульса давления.

При таких обстоятельствах трудно с определенностью предсказать структуру и состав вещества внутри планет. Например, интерпретация данных о ядрах Земли и Венеры существенно влияет на выводы о химическом составе зтих планет. Лодочников [272] и Рамзей [347, 348] выдвинули предположение, что высокая плотность ядра Земли и высокая объемная плотность Венеры могут быть обусловлены превращением силикатов магния — железа при высоких давлениях в фазу с высокой плотностью. Если бы

это было верно, то ядро и мантия Земли могли бы иметь одинаковый химический состав. Хотя образование неизвестной фазы с высокой плотностью может и ускользнуть от обнаружения в экспериментах по ударному сжатию, считается маловероятным (например, [362]), чтобы изменение плотности на границе ядра с мантией при этом могло составить требуемую величину около 70%. Однако недавние эксперименты [378] позволяют предположить, что минералы, которые уже до воздействия на них ударных волн обладали плотноупакованными структурами, претерпевают фазовые превращения подобного типа при давлениях в ударной волне порядка мегабар.

Другое объяснение сводится к тому, что ядро Земли состоит из вещества с большей средней атомной массой, чем у мантии, например из железа и никеля с добавкой некоторых более легких элементов, таких, как кремний или сера [66, 263, 312, 354]. Многие неопределенности в отношении свойств веществ в диапазоне давлений, типичном для планет земной группы, вероятно, прояснятся в ближайшем будущем благодаря успехам экспериментальных исследований при высоких давлениях. Однако это не решает проблемы состояния вещества в планетах-гигантах.

2. Скопления зерен. Согласно гл. И, планеты и спутники должны были формироваться из меньших тел (планетезималей) и, в конечном счете, из малых сконденсированных частиц. Такие частицы могут аккумулироваться и образовать большие тела только в том случае, если они удерживаются вместе силой притяжения. Поскольку на начальных стадиях роста тела сила тяжести пренебрежимо мала, первоначальное сцепление, вероятно, должны были обеспечить в основном электрический заряд и осаждение паров. Примером этого служит почва Луны. Природа таких скоплений и динамические условия их образования рассматриваются в разд. Таким образом, высокая пористость и, следовательно, низкая объемная плотность могли быть частым явлением на начальных стадиях планетезималъной аккреции и встречаются еще и в настоящее время в телах, сохранивших малые размеры. Основная часть твердого вещества, достигающего Земли, по-видимому, имеет рыхлую структуру со средней объемной плотностью менее При прохождении через атмосферу такие скопления разрушаются [284, 413, 414].

Хотя в телах малых размеров практически должно отсутствовать гравитационное сжатие, следует ожидать ударного сжатия исходной структуры в результате столкновений, приводящих к повторным распаду и аккумуляции в процессе эволюции скоплений таких тел в струйных потоках. Доказательством широкого разнообразия таких эффектов служит наблюдаемое разнообразие фазового состояния вещества в метеоритах: от полного плавления (материнские породы ахондритов, образованные из расплава;

Рис. 20.4.1. (см. скан) Ударные кратеры на спутнике Марса Фобосе. У кратеров, освещенных соответствующим образом, видны валы, значительно выступающие над окружающей поверхностью. Поскольку вещество, выбрасываемое скоростями более нескольких будет покидать спутник, конусы кратеров не могут образоваться выпадениями выброшенного при ударе вещества, как в случае Земли, Марса и Луны. Кроме того, по-видимому, размеры конусов превышают возвышения валов кратеров, образующихся на Земле в результате отскока при ударе. Возможное объяснение этого явления заключается в том, что Фобос или по крайней мере его внешние области состоят из скоплений вещества с низкой объемной плотностью, а ударяющиеся тела рассеивают свою энергию значительно глубже поверхности мишени. (Фотография

см., например, [140]), состояния, связанного с реакциями, вызванными ударным воздействием, а также фазовыми превращениями 1317], до менее плотно упакованного вещества (пористость 10— 20%) без сплавления частиц, например в углистых (см. рис. 7.1.1) и некоторых других хондритах.

Почти неисследованное рыхлое состояние некоторых малых тел Солнечной системы может в большой степени влиять на их

поведение при столкновении и, следовательно, на процессы разрушения, аккреции и химического фракционирования (см. разд. 7.4 и 22.6).

Спутники Марса являются первыми небольшими объектами в космосе, исследованными с достаточным разрешением с целью регистрации их дискретных поверхностных образований. Два спутника в изобилии покрыты кратерами, образующимися при ударах, и их характерные особенности позволяют предположить, что материал мишени, вероятно, имеет пористую структуру (рис. 20.4.1).