Планетные оболочки. Дифференциация недр. Химический состав

Излучение планет

Рис. 3. Схема распределения энергии в спектре излучения планет. Сплошные кривые соответствуют отражённому солнечному излучению, прерывистые - тепловому излучению планет (рядом указаны значения альбедо А планет и эффективной температуры Тэ, их поверхности).

Спектр излучения любой П. содержит два максимума (рис. 3), один из них соответствует отражённому солнечному излучению, второй - тепловому излучению П. Второй максимум присутствует независимо от величины теплового потока из недр, поскольку часть солнечного излучения поглощается П. и переизлучается в длинноволновой области спектра. Длина волны λ _m, на к-рой наблюдается второй максимум, определяется эффективной температурой планеты Т_э в приблизительном соответствии с законом Вина (см. Планка закон излучения):

λ _m (мкм) = 2886/Т_э (К) (1)

Доля солнечной энергии, отражённой от П., определяется величиной интегрального сферического альбедо

А = Ф/Ф_о, (2)

где Фо - падающий поток солнечного излучения, Ф - поток, рассеянный П. во все стороны. Значения А и ср. (по всей планете) эффективной темп-ры Т_э связаны ур-нием теплового баланса

s Т_э⁴ = ¹/₄ (1- А)Е₀ +q (3)

где Е₀- освещённость, создаваемая Солнцем в подсолнечной точке П., s=5,67 ^. 10^-8Вт ^. м^-2.К^-4 - постоянная Стефана - Больцмана, q - тепловой поток из недр П. Первый член справа в ф-ле (3) - поток излучения Солнца, поглощённый П., слева - уходящий тепловой поток (в расчёте на ед. площади П.). Коэфф. ¹/₄ в первом члене справа появился из-за того, что падающий поток пропорционален освещённой поверхности (pR²), а уходящий - всей поверхности П. (4pR², где R - радиус планеты). Для П. земной группы q << E₀. Длинноволновый участок спектра теплового излучения простирается в радиодиапазон и изучается методами радиоастрономии.

В каждом данном интервале длин волн уровень, с к-рого уходит излучение (отражённое или тепловое), соответствует, как правило, оптической толще t ≈ 1 (отсчитываемой сверху). Он может располагаться на той или иной высоте в атмосфере, на нек-рой глубине под поверхностью или практически с ней совпадать. Детальное исследование спектра излучения явл. благодаря этому важным источником информации об атмосфере и поверхности П.

УФ-излучение (с λ < 3000 ) уходит из относительно высоких слоев атмосферы. Самые внеш. слои планетных атмосфер (их водородные короны) излучают в основном в линии с λ = 1216 . Механизм свечения - рассеяние излучения Солнца в линии L_a (см. Лаймана серия)

Видимая, ближняя УФ- и ближняя ИК-области спектра (3000 - 4 мкм) соответствуют излучению поверхности П. (Меркурий, Марс) или облаков в атмосфере (Венера и П.-гиганты) в отражённом солнечном свете. В средней и дальней ИК-областях (λ= 4 мкм -1 мм) наблюдается тепловое излучение поверхности П. (Меркурий, Марс) или атмосферы П. (Венера, П.-гиганты).

Радиоволны миллиметрового, сантиметрового и дециметрового диапазонов излучает грунт Венеры (λ 1 см), Меркурия и Марса, атмосфера Юпитера (λ < 3 см) и др. П.-гигантов.

До сих пор шла речь о тепловом излучении П. Наблюдается также нетепловое радиоизлучение П. (см. Нетепловое излучение). Особенно интенсивно излучение Юпитера, представляющее собой стационарное синхротронное излучение, рождающееся в магнитосфере (3 см<λ<100 см), и излучение в форме всплесков, генерируемое колебаниями ионосферной плазмы (10 м < λ < 1 км).

Планетные оболочки. Строение П. по вертикали - слоистое, выделяют неск. сферических оболочек, различающихся по хим. составу, фазовому состоянию, плотности и др. физ.-хим. характеристикам. Все П. земной группы имеют твёрдые оболочки, в к-рых сосредоточена почти вся их масса. Три из них - Венера, Земля и Марс - обладают газовыми атмосферами, Меркурий практически лишён атмосферы. Только Земля имеет жидкую оболочку (прерывистую) из воды - гидросферу, а также биосферу - оболочку, состав, структура и энергетика к-рой в существенных чертах обусловлены прошлой и совр. деятельностью живых организмов. Аналогом гидросферы на Марсе явл. криосфера - лёд Н₂О в полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). Одна из загадок Солнечной системы - дефицит воды на Венере. Жидкой воды там нет из-за высокой темп-ры, а количество водяного пара в атмосфере эквивалентно слою жидкости толщиной ≈ 1 см.

Твёрдые оболочки П. находятся в состоянии гидростатич. равновесия, поскольку предел текучести горных пород соответствует весу столба пород высотой ≈10 км (для Земли). Поэтому форма твёрдых оболочек П., имеющих значительно большую толщину, почти сферическая. Из-за различия гравитац. сил различна макс. высота гор на П. (напр., на Земле ок. 10км, а на Марсе, где гравитац. поле слабее земного, ок. 25 км). Форма небольших спутников планет и астероидов может заметно отличаться от сферической.

Характеристики твёрдых оболочек П. относительно хорошо известны лишь у Земли (по данным о прохождении через недра сейсмических волн, возникающих при землетрясениях). Модели внутр. строения др. П. земной группы строятся гл. обр. на основании данных о св-вах вещества земных недр. Как и у Земли, в твёрдых оболочках П. выделяют кору - самую внешнюю тонкую (10- 100 км) твёрдую оболочку, мантию - твёрдую и толстую (1000-3000 км) оболочку, расположенную под корой, и ядро. У Земли ядро подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твёрдое). Жидкое ядро, вероятно, есть также у Меркурия и Венеры, у Марса его, по-видимому, нет. Ядро - наиболее плотная часть планетных недр (12,5г ^. см^-3 в центре Земли), кора наименее плотная (для Земли 2,8г ^. см^-3), плотность мантии промежуточная. Мантия Земли делится на верхнюю (толщина 850-900 км) и нижнюю (ок. 2000 км), в к-рой темп-ра близка к точке плавления. Темп-ра в центре Земли оценивается в 4000- 5000К.

Наиболее обильные элементы в "твёрдом" теле Земли - Fe (34,6%), О(29,5%), Si (15,2%) и Mg (12,7%). Наиболее распространённые соединения в коре - SiO₂ и Al₂О₃. Ядро, по-видимому, состоит из железа. Т. о., по элементному составу П. земной группы резко отличаются от Солнца и совершенно не соответствуют ср. космич. распространённости элементов (очень мало водорода, а также инертных газов, включая гелий).

П.-гиганты обладают иным хим. составом, Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий в той же пропорции, что и Солнце. Вероятно, др. элементы также содержатся в пропорциях, соответствующих солнечному составу. В недрах Урана и Нептуна тяжёлых элементов, по-видимому, больше.

Недра Юпитера находятся в жидком состоянии, за исключением небольшого каменного ядра. Жидкий водород на глубине ~ 25 000 км, по-видимому, металлизируется. Выше этой границы расположена зона молекулярного водорода, ниже - металлического. Темп-ра в центре Юпитера ≈30000 К. Сатурн по внутр. строению похож на Юпитер. Строение недр Урана и Нептуна иное: доля каменистых материалов в них существенно больше. Тепловая энергия, выделяющаяся из недр Юпитера и Сатурна, возможно, была аккумулирована ещё в эпоху их формирования.

Луна по составу и внутр. строению похожа на П. земной группы. Тяжёлое ядро у неё, видимо, отсутствует. Четыре крупных спутника Юпитера (см. Галилеевы спутники) по характеру внутр. строения неодинаковы. Ганимед и Каллисто имеют большие каменные ядра, толстые водные мантии (жидкие либо твёрдые) и ледяную кору. Европа водной мантии не имеет, но у неё есть ледяная кора. На Ио льда нет, недра этого спутника каменистые, они частично расплавлены, о чём свидетельствуют активные вулканич. явления. Спутник Сатурна Титан - единственный среди спутников, имеющий плотную атмосферу (давление у поверхности ок. 1,5 атм, состоит она в основном из азота). По внутр. строению он, вероятно, схож с Ганимедом и Каллисто. Большинство др. спутников Сатурна скорее всего целиком состоят из льда Н₂О.

Процессы в недрах планет земной группы. Дифференциация. Осн. источниками энергии в недрах П. явл. радиоактивный распад элементов и гравитац. дифференциация. Второй процесс представляет собой постепенное перераспределение вещества по глубине в соответствии с плотностью - тяжёлые фрагменты тонут, лёгкие всплывают. Такое перераспределение на Земле ещё далеко не завершилось. Внутри Земли происходят перемещения, к-рые сопровождаются фазовыми переходами, изменениями хим. состава и т. д. Эти эндогенные (внутренние, глубинные) процессы влияют на земную кору, вызывая перемещения отдельных её участков, деформацию, горообразование. Такого рода явления наз. тектоническими. Им родственны вулканические процессы. Они связаны с тем, что в верхней мантии существуют небольшие области, где темп-ра достаточна для плавления её вещества. Расплавленное вещество (магма), выдавливающееся вверх, прорывается через кору и происходит вулканич. извержение. Существенно, что при этом из недр выбрасываются также газы - водяной пар, углекислый газ и др. Судя по характеру поверхности среди П. земной группы тектонически наиболее активна Земля, за ней следуют Венера и Марс.