Космохимия.Лекция 4, 2018(образование Солн.с.)

1.

ЛЕКЦИЯ 4
ОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ
СИСТЕМЫ
(космохимический аспект)

2.

Лекция 4.
Стадия газопылевого диска. Ее длительность, эволюция основных
термодинамических параметров (Р, Т, состава твердой и газовой фаз).
Термодинамические модели конденсации газа солнечного состава.
Роль гомогенной и гетерогенной кинетики, основные факторы
ингибирования реакций.
Понятия «диссипация», «аккумуляция» и «аккреция».
Формирование планетных тел во внешней части Солнечной
системы и планетезималей во внутренней ее части. Процессы
дифференциации каменного (породообразующего) вещества. Аккреция
атмосфер планет-гигантов.
Стадия «обломочного» (debris) диска. Ее длительность.
Образование внутренних планет.

3.

I.
Из результатов астрономических наблюдений за дисками
вокруг звезд солнечного типа следует, что образование тел в
околозвездных дисках происходит в 2 стадии.
Стадия 1.
Стадия газопылевого диска, когда
доля газа (в основном Н2 и Не)
составляла ~ 98%. Ее
длительность 10 млн. лет.
Стадия 2.
Стадия осколочного диска. Газ из
диска удален и диск остыл. В нем
присутствовали только пыль,
твердые тела (планетезимали) и
зародыши планет. Ее длительность
~ 100 млн. лет.

4.

II. Из данных спекрометрических измерений, показавших,что
солнечная фотосфера и атмосферы газовых планет-гигантов – Юпитера и
Сатурна состоят в основном из Н2 и Не и в одинаковой пропорции,
следует, что образование Солнца и планет происходило в едином процессе
и из одного источника вещества, близкого по составу солнечному. Помимо
Н2 и Не (98%), оно первоначально содержало пыль (~2%), состоявшую из
тугоплавких породообразующих компонентов + СНОN + льды различного
состава.
10 мкм
Досолнечная частица,
сохранившаяся в кометном
веществе (фото).

5.

Исходное состояние вещества в околосолнечном диске можно оценит
по данным о межзвездных молекулярных облаках. Они имеют Т ~ 10K и
состоят из газа (Н2+Не, 95 мас. %) и пылевых частиц, состоящих из
силикатов, тугоплавких органических соединений - CHON (ядро) и
разнообразных льдов из C, O, H, и N.
На поверхности зерен в ледяных мантиях идут фотохимические
реакции под воздействием межзвездного УФ излучения и
межгалактических космических лучей.
Пылевая частица
межзвездного вещества
(модель)
СH4
CO+H→HCO+H→H2CO+H→CH3OH
СО
Н2O
СH3 OH
УФ излучение
Ионы ГК лучей
Вторичные
молекулы
N2
СО
CO
Тепловая и нетепловая десорбция
Н2O
Ледяная мантия
NH3
СО2
CO+O→CO2
Попав в околосолечный диск, пыль полностью или частично испаряется

6.

III.
Анализ метеоритного вещества показал, что
присутствующие в нем высокотемпературные фазы являются
продуктами конденсации, а их образование хорошо
описывается моделями равновесной конденсации газа
солнечного состава.
Из этого был сделан ключевой для гипотезы эволюции
Солнечной системы вывод, что околосолнечный диск был
горячим, Tмакс ~ 1800 – 2000K.
При последующем охлаждении диска и понижении температуры
происходило образование фаз как в результате конденсации их
из газа, так и в результате гетерогенных реакций
взаимодействия газа с ранее образовавшимися твердыми
фазами.

7.

Роль термодинамических данных при моделировании процесса
равновесной конденсации газа солнечного состава
на примере моделей: Saxena, Ericson, 1986 и Grossman, 1972.
Saxena, Ericson, 1986
Уточнение высокотемпературных термодинамических данных
(свободных энергий образования веществ) привело к заметному
изменению температур конденсации твердых фаз.

8.

Анализ метеоритного вещества показал, что в нем наблюдается
корреляция между Т их конденсации из газа солнечного состава и
содержанием элементов в метеоритом веществе: чем более летучий
элемент, тем выше его дефицит относительно солнечных
пропорций (горизонталь «solar»)
solar
1200
Начиная с Т ~ 1200K и
ниже наблюдается
значимое отклонение
состава конденсата от
равновесного из-за
кинетических
ограничений на
гетерогенные реакции в
системе газ-твердое
(показано пунктиром).

9.

Основные факторы, обусловившие ингибирование гетерогенных
реакций в системе газ – твердое в околосолнечном диске
1. Трудности проникновение молекул газа через поверхностный слой
ранее образовавшейся твердой фазы.
2. Уменьшение реакционной поверхности по мере аккумуляции
пылевого вещества

10.

Эволюция пылевой компоненты в газопылевом околосолнечном диске
1. Формирование аккреционного околосолнечного газопылевого протопланетного
диска (NEBULA). Его разогрев. Т и Р = f(r)
2. Оседание частиц к средней плоскости диска. Образование пылевого субдиска.
3. Образования пылевых сгустков, а затем первичных планетезималей и
зародышей планет.
0.1-0.5 млн.лет
а
Аккреция газа и пыли на диск из протосолнечной
небулы и через диск на Солнце.
0.4-0.9 млн.лет
б
Рост пылевых частиц (>10 см.), их оседание к
средней плоскости, образование пылевого слоя.
Радиальный дрейф газа с пылью к Солнцу
0.5-1млн.лет
Образование пылевых сгущений в
результате гравитационной
неустойчивости пылевого слоя
в
1-10 млн.лет
г
Аккумуляция допланетных сгущений,
образование допланетных тел (планетезималей)
и диссипация газа из диска

11.

Температуры в околосолнечном газопылевом протопланетном
диске понижались не только с удалением от Солнца, но и со
временем, по мере диссипации газа
околосолнечный газопылевой
протопланетный диск
(прото)
Солнце
0
1
2
3
М
4
5
Uran
6
7
8
Jupiter
9
Neptun
10
Saturn
r, а.е.
2000 1600
T,К 700 600
Р = 10-3
150 – 140 начальный этап
(40 – 20) заключительный
этап эволюции
1200
140
10-4
10-5
10-6
10-7 бар

12.

ИТОГИ
На стадии газопылевого диска ( 10 млн. лет) полностью
сформировались планеты-гиганты (доказательства - близость состава
фотосферы Солнца и атмосфер Юпитера и Сатурна).
В зоне внутренних планет образовались каменные (железосиликатные) протопланетные тела с характерными размерами ~ 100 - 1000
км (диаметр крупнейшего астероида Главного пояса Цереры 1000 км,
диаметр Меркурия ~ 5000 км, Марса около 7000 км.).
Их валовый состав определялся условиями, в основном
температурой, при которой формировались первичные планетезимали.
Чем ближе к Солнцу, тем Т была выше, тем меньше умеренно-летучих и
летучих породообразующих элементов в них содержалось.
Крупные тела (~ 30-50 км.), образовавшиеся в первые 1-2 млн. лет
дифференцировали на железное ядро и силикатную мантию за счет
энергии радиоактивного распада короткоживущих 26Al и 60Fe. Этому
благоприятствовали и внешние высокие температуры. Такие
дифференцированные железо-каменные тела стали родительскими
телами дифференцированных метеоритов – железных и каменных
ахондритов. Из них в значительной степени сформировались каменные
планеты земной группы.

13.

В более дальних от Солнца областях на заключительных стадиях
эволюции газопылевого диска, Т в области Главного пояса астероидов
снижалась до 140-150К, поэтому тела, образованные в это время
аккрецировали воду в виде Н2Олед. Эти тела (типа Цереры), оставались
недифференцированными (или дифференцированными частично), но
благодаря нагреву за счет радиоактивного распада долгоживущих
изотопов (U, Th, K) внутри этих тел происходили термальные
метаморфические изменения, в результате чего без потери вещества
происходило образование новых минеральных фаз. Если в состав тел
входила вода, но в результате гидротермального метаморфизма в нем
образовывались гидросиликаты, карбонаты, сульфаты, которые не могли
возникнуть в процессе конденсации вещества из газа солнечного состава
из-за низких парциальных давлений летучих.
Такие недифференцированные, но подвергшиеся внутреннему
термальному метаморфизму тела могли стать родительскими телами
хондритов (обыкновенных и энстатитовых). Тела, в которых происходил
гидротермальный метаморфизм, могли стать родительскими телами
углистых хондритов.

14.

На второй стадии эволюции
околосолнечного диска как
осколочного «debris disk» диск был
холодным, поскольку в нем не
было газа, а присутствовало только
твердое вещество в виде тел разного
размера, в том числе крупных, а также
пыль.
Известно более 1000 звезд, окруженных
осколочными дисками.
Время их существования ~ 100 млн. лет.
На стадии debris диска завершилось
образование земных планет.
Осколочный диск вокруг
Фомальгаута – самой яркой
звезды в созвездии Рыбы
Фото телескопа Хаббл (NASA)
ФАКТ: Атмосферы земных планет, в отличие от планет-гигантов) имеют
окисленный состав: N2, CO2, O2. Это – вторичные атмосферы.
ВЫВОД – летучие компоненты, входящие в состав атмосфер
внутренних планет, были в твердом состоянии привнесены из
внешних регионов диска телами, образовавшимися в присутствии газа
при Т, более низких, чем были на r 1.5 а.е.

15.

На стадии пылевого/обломочного (debris) диска
рост тел происходил за счет частичного объединения
(аккумуляции) вещества тел при их взаимных столкновениях, а
также за счет поглощения телами пыли.
Дифференциация вещества (элементов) шла
(1) внутри твердых тел при их плавлении за счет
выделения гравитационной и импактной (ударной) энергии;
(2) при импактных взаимодействиях дифференцированных
тел при их разрушении и объединении их металлических
ядер.
Длительность стадии ~ 100 млн. лет, завершение образования
планет земной группы (астрофизические данные,
подтвержденные данными изотопной геохронологии).

16.

Схема ударного разрушения родительского тела дифференцированных
метеоритов (Yang, Goldstein, Scott, 2010).

17.

Дифференцированный каменный астероид Веста
D = 529 км
результат крупного удара
(A) Global topography of Vesta from
Hubble imaging data
(B) from Dawn Framing Camera
Although the absolute scale ranges from
12 to +12 km in HST data and 22 to
+19 km in Dawn data, Vesta’s relative
topography from HST is consistent
with Dawn.
(Reddy et al., 2013)

18. Численная реконструкция удара по астероиду Веста

19.

Физические и химические факторы, влиявшие на состав первичных тел
время
Регион
Физический процесс
Химический процесс
0-0.1
млн.лет
Внутренняя
область диска
Испарение пыли
Частичное восстановление
окисленных фаз водородом
небулы. Установление
частичного равновесия
Внешняя область
диска
Испарение ледяной
компоненты
Реакции кинетически
ингибированы
Внутренняя
область диска
Конденсация пылевых
частиц
Равновесие между газом и
твердой фазой
Внешняя область
диска
Конденсация льдов:
Ar, N2, CO, CH4
CO2, H2S,
Внутренняя
область диска
Объединение пылинок,
образование флаффированных кластеров
Внешняя область
диска
Конденсация газов в
форме клатратов
0.1-0.3
млн.лет
Начальна
я стадия
эволюции
диска,
0.3-0.5
млн.лет
Установление частичного
равновесие между газом и
твердой фазой

20.

Время исчисляется от начала эволюции Солнечной системы,
определяемое по времени образования самых древних объектов - CAIs.
время
Регион
Физический процесс
Химический процесс
Внутренняя
область диска
Дальнейший рост пылевых
кластеров, при D~10см
осаждение к
экваториальной плоскости
диска
Взаимодействие с газом
возможно только для оставшейся мелкой пыли. В системе газ
– пылевые кластеры реакции
ингибированы
Внешняя
область диска
Конденсация льда воды.
Рост пылевых кластеров,
покрытых CHON и льдами.
При D~10см осаждение к
экваториальной плоскости
диска
Химического взаимодействия
не происходит
Внутренняя
область диска
Осаждение пылевых
кластеров к экваториальной
плоскости диска
Химического взаимодействия
не происходит
Внешняя
область диска
Образование плотного
пылевого слоя в экваториальной плоскости диска
Химического взаимодействия
не происходит
0.5-0.7
млн.лет
0.7-0.9
млн. лет

21.

время
Регион
Физический процесс
0.9-1.2
млн.лет
Внутренняя
область диска
Образование плотного пылевого
слоя в экваториальной плоскости
Внешняя
область диска
Разбиение экваториального слоя на
сгущения и их гравитационное
сжатие, образование каменноледяных планетезималей
Внутренняя
область диска
Разбиение экваториального слоя на
сгущения и их гравитационное
сжатие, образование каменных
планетезималей
Внешняя
область диска
Уплотнение каменно-ледяных
планетезималей за счет взаимных
столкновений, аккумуляции пыли и
гравитационного сжатия. При
достижении D 50 км тело способно
сохранять выделяемое внутри
радиоактивное тепло.
Гравитационная дифференциация
крупных тел на ядро из
гидросиликатов и водоледяную
мантию
1.2-1.5
млн.лет
Химический процесс
Плавление льда
Взаимодействие воды
с железо-силикатными
фазами.

22.

время
Регион
Физический процесс
Химический
процесс
1.5-3
млн. лет
Внутренняя
область диска
Уплотнение каменных планетезималей за
счет взаимных столкновений, аккумуляции
пыли и гравитационного сжатия. При
достижении D 30 км тело способно
сохранять выделяемое внутри
радиоактивное тепло.
Гравитационная дифференциация
крупных тел на металлическое (
Плавление
железосиликатных фаз,
их расслоение.
Внешняя
область диска
Рост крупных планетезималей и ядер
планет-гигантов
Внутренняя
область диска
Объединение дифференцированных
планетезималей в 100-1000 км-е тела,
также имеющие ядра, но большая часть
тел выпадает на Солнце
Плавление тел за
счет выделения
ударной
(импактной)
энергии
Внешняя
область диска
Аккреция газовой фазы ядрами планет
Большая часть ядер либо разрушается
при столкновении, либо, теряя угловой
момент, выпадает на Солнце.
При гравитационном сжатии происходит
внутренний разогрев тел
фазовые
превращения Н2
при сверхвысоких
давлениях. Во
внешнем слое –
устанавливается
термодинамическое равновесие
3-7
млн. лет

23.

24.

25.

Итого получили в протосолнечной небуле на 1 г-моль Si
Масса тугоплавкой компоненты 233.6 г-моль
Масса льда воды 200 г-моль
Масса льдов других газов 112 г-моль

26.

Оценка фазового состава вещества протосолнечного облака
выделим условный объем, в котором содержится 1 грамм-атом Si
4. Оценка массы газов.
В системе на 1 грамм-атом Si содержатся 2.6×104 грамм-атома Н и 2.5×103
грамм-атома Не.
Их масса Мгаз = mН М.в. Н + mHе М.в. Hе = 1 2.6×104 + 4 2.5×103 = 3.6×104 г
Итого получили в протосолнечной небуле на 1 г-моль Si
Масса тугоплавкой компоненты 233.6 г-моль
Масса льда воды 200 г-моль
Масса льдов других газов 112 г-моль
Масса газа = 3.6×104 г/моль Si
Выводы:
1. Масса всех элементов по отношению к массе Н+Не
= 546/3.6×104 100= 1.5%
2. Масса льдов (312) > массы тугоплавкой компоненты (233.6)
3. Если при образовании каменно-ледяного тела в него вошла вся
вода, то соотношение масс тугоплавкой компоненты (233.6) и льда
Н2О (200) не превышает 1