20.7. РЕГУЛЯРНОСТЬ ОБЪЕМНЫХ ПЛОТНОСТЕЙ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ

Наш анализ Солнечной системы основан на «принципе гетегонии», означающем, что мы должны исследовать, в какой степени одни и те же соотношения справедливы для всех тел, образованных на орбитах вокруг первичного тела. С этой точки зрения полезно сравнить химический состав систем спутников с химическим составом планетной системы. Это трудная задача, поскольку нам мало известно о химическом составе планет и еще меньше о химическом составе спутников. Мы можем провести сравнение только между их плотностями.

20.7.1. ПЛОТНОСТЬ КАК ФУНКЦИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

Как мы увидим в гл. 21, имеются причины полагать, что размещение плазмы в различных областях вокруг центрального тела регулируется критической скоростью ионизации нейтрального

Рис. 20.7.1а. (см. скан) Зависимость плотностей планет и бывших планет от радиусов их орбит Кривая, проведенная через совокупность точек, предназначена для сопоставления этого рисунка с рис. 20.7.16 и в. По оси ординат отложена гравитационная потенциальная энергия это позволяет непосредственно сравнить распределение спутников с распределением планет. Кроме того, гравитационная потенциальная энергия — важный параметр применительно к рассмотрению явления критической скорости (см. гл. 21 и 23). Поскольку Луна и Тритон являются захваченными планетами, в качестве их центрального тела рассматривается Солнце. Следовательно, гравитационные потенциальные энергии Луны и Тритона приблизительно такие же, как Земли и Нептуна соответственно. Горизонтальные линии, проведенные через точки, соответствующие Церере, Весте, Тритону и Плутону, обозначают погрешность в определении плотности, а вертикальным отрезком указано нижнее предельное значение плотности Плутона, как говорится в тексте. Данные взяты из табл. 20.5.1.

газа, падающего по направлению к этому телу. Следовательно, необходимо предположить, что обилия элементов в системе изменяются в зависимости от гравитационной потенциальной энергии. По этой причине полезно построить зависимость плотностей небесных тел от указанной гравитационной потенциальной энергии (отношение массы центрального тела к радиусу орбиты рассматриваемого тела). Таким образом можно провести сравнение между планетами и спутниками. На рис. 20.7.1а приведена

Рис. 20.7.16. (см. скан) Зависимость средней плотности от гравитационной потенциальной энергии для системы регулярных спутников Юпитера и двух наиболее известных спутников Сатурна, Титана и Тефии. Зачерненными кружками нанесены значения плотности, соответствующие лучшим оценкам радиусами массы горизонтальные линии показывают оцененный диапазон погрешности. Данные из табл. 20.5.1.

зависимость гравитационной потенциальной энергии от плотности планет (включая астероиды, Луну и Тритон), на рис. 20.7.16 — аналогичная зависимость для систем спутников Юпитера и Сатурна, а на рис. 20.7.1в — такая же зависимость для планет и спутников вместе. Параметр позволяет непосредственно сравнить планетную систему и различные системы спутников.

Из рассмотрения рис. 20.7.1а — 20.7.1в следует, что объемные плотности уменьшаются от больших значений для Меркурия, Венеры и Земли (при до минимума при гравитационной потенциальной энергии около (область Сатурна в системе планет) и затем снова возрастают до больших значений с уменьшением гравитационной потенциальной энергии.

Рис. 20.7.1в. (см. скан) Зависимость средней плотности от гравитационной потенциальной энергии для планет и наиболее известных спутников. Из распределения данных следует, что тяжелые вещества имеются как во внутренних, так и во внешних областях систем, в то время как легкие преобладают в промежуточной области. Обозначения аналогичны использованным на рис. Данные из табл. 20.5.1.

20.7.2. ХИМИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ОБЪЕМНЫХ ПЛОТНОСТЕЙ

Химический смысл объемных плотностей больших планет до некоторой степени неясен. Из-за незначительности эффектов давления значения плотности Меркурия, Марса, Луны, Тритона, Плутона, астероидов и спутников в принципе более надежны, хотя в некоторых случаях возможные ошибки измерений велики.

Интерпретация плотностей Урана и Нептуна также страдает от неопределенностей, связанных со сжатием и температурой в больших планетах, но эти плотности можно сравнивать между собой из-за близости размеров этих двух планет.

В случае наименее плотных объектов, а именно Ганимеда, Кал-листо, Тефии и планет-гигантов, значительную роль в низком значении плотности играют существенные количества летучих легких элементов, входящие в неизвестных пропорциях. Это означает, что тяжелые вещества были накоплены как во внутренних, так

и в наиболее удаленных областях систем, в то время как легкие вещества преобладают в промежуточной области.

20.7.3. ВЛИЯНИЕ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПЛОТНОСТЬ

Общепринято, что плотность тела в Солнечной системе обратно пропорциональна расстоянию от Солнца; предполагается, что это уменьшение плотности должно быть обусловлено уменьшением температуры излучения на больших расстояниях от Солнца, что способствует удержанию летучих элементов и соединений низкой плотности. Тот факт, что плотность Нептуна больше плотности Урана (которая в свою очередь больше плотности Сатурна) доказывает, что эта точка зрения не верна. В сочетании с известными нам плотностями Тритона и Плутона приведенный факт означает, что в этой части Солнечной системы химический состав изменяется в сторону повышения плотности с увеличением расстояния от Солнца.

20.7.4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВЫВОДЫ ОТНОСИТЕЛЬНО ОБЪЕМНЫХ ПЛОТНОСТЕЙ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ

Выше было показано, что объемные плотности тел в Солнечной системе различны. Это подтверждает, что Солнечная система не образовалась из однородной среды. Следовательно, не имеет смысла рассматривать какое-либо тело в Солнечной системе в качестве представителя среднего «космического» состава исходных веществ, и Солнце не является в этом исключением. Более того, нам очень мало известно об объемном составе Солнца (разд. 20.6).

Другие выводы, которые можно сделать из нашего обзора объемных плотностей в Солнечной системе, состоят в том, что плотность данного тела не является функцией массы (разд. 20.5.10) и не является монотонной функцией расстояния от центрального тела (разд. 20.7.1 и 20.7.3).

Следовательно, необходимо найти объяснение этим изменениям плотности и, по-видимому, состава в областях с различным гравитационным потенциалом. Однако нельзя проверить теорию, способную предсказать детальный состав, поскольку детальные данные все еще недоступны. Тем не менее изменение плотности и состава в Солнечной системе следует из рассмотрения возможных вариантов первичного размещения вещества вокруг центральных тел, чему посвящены гл. 21 и 23.