Склад та будова зовнішніх планет ОСНОВИ КОСМОХІМІЇ С.Є.Шнюков Лекції 11-12. - презентация

1 Склад та будова зовнішніх планет ОСНОВИ КОСМОХІМІЇ С.Є.Шнюков Лекції 11-12

2 Планеты делятся на 2 группы: Планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). О Плутоне известно очень мало, но, по-видимому, он ближе по своему строению к П. земной группы. Особое положение занимает Луна. Хотя она явл. спутником Земли, отношение её массы к массе Земли велико (1/81) и есть основание рассматривать систему Земля - Луна как двойную планету. Двойной планетой является Плутон, имеющий массивный спутник Харон (в 2,5 раза меньший). П.-гиганты имеют многочисленные семейства спутников. Юпитер, Сатурн и Уран, кроме того, обладают кольцами, состоящими из множества мелких тел. Планети Сонячної системи: Планети земної групи Планети-гіганти

3 Планети Сонячної системи: Различия П.-гигантов и П. земной группы: П.-гиганты значительно больше по размерам и массе, меньше по плотности, быстрее вращаются. 98% суммарной массы П. Солнечной системы. Тепловой поток из недр Юпитера и Сатурна примерно равен по величине потоку, получаемому ими от Солнца. Тепловой поток из недр Земли пренебрежимо мал по сравнению с поступающим от Солнца. Это верно и для др. П. земной группы.

4 Большая полуось орбиты Юпитера равна 5,2 а.е., эксцентриситет орбиты е = 0,0489. Период обращения по орбите – 11,867 лет. Наклон плоскости орбиты к плоскости эклиптики – 1°18´17". Средняя скорость движения по орбите – 13,1 км/с. Период вращения вокруг оси – 9 часов 55 минут. Из-за действия центробежных сил Юпитер заметно сплющен (коэффициент сжатия больше 6 %). Так как Юпитер – не твердый шар, а состоит из газа и жидкости, то экваториальные его части вращаются быстрее, чем приполярные области. Ось вращения Юпитера почти перпендикулярна его орбите - нет смен времен года. Масса планеты равна M = 318 М = 1,910^27 кг, радиус R = 11,2 R = км. Плотность равна 1,33 г/см3, что в четыре раза меньше плотности Земли. Ускорение свободного падения на уровне облачной поверхности Юпитера составляет g = 2,53 g. Юпітер

5 Магнитное поле Юпитера огромно – оно простирается на 650 миллионов километров (за орбиту Сатурна!). Если магнитосфера его была бы видима, она бы с Земли имела угловой размер, равный размеру Луны. Форма магнитосферы Юпитера, как и других планет, далека от сферической. На расстоянии 177 тысяч км от планеты зарегистрирована зона наиболее интенсивной радиации, в 10 тысяч раз большей, чем в радиационных поясах Земли. Возможно, генерация мощного магнитного поля Юпитера связана с быстрым вращением центральных областей планеты, содержащих металлический водород и проводящих ток. Юпітер: магнітне поле Потоки заряженных частиц вызывают полярное сияние в атмосфере.

6 Юпитер = 2/3 массы планет Солнечной системы. но этого не хватило для того, чтобы в центре Юпитера начались термоядерные реакции: планета в 80 раз легче самой маленькой звезды главной последовательности. Однако Юпитер обладает собственным источником тепла, связанным с радиоактивным распадом вещества и энергией, высвобождающейся в результате сжатия. Если бы он нагревался только Солнцем, температура верхних слоев была бы равной 100 К, измерения же дают 140 К. В тепловом режиме Юпитера большую роль играют потоки внутренней энергии из центра планеты. Планета излучает больше энергии, чем получает от Солнца. Юпітер: будова

7 Атмосфера Юпитера состоит на 89 % из водорода и на 11 % гелия и напоминает по химическому составу Солнце. Ее протяженность 6 тысяч километров. Оранжевый цвет атмосфере придают соединения фосфора или серы. Для людей она губительна, так как содержит ядовитый аммиак и ацетилен. Атмосфера Юпитера создает гигантское давление, увеличивающееся при приближении к центру планеты. Достаточно глубоко водород, будучи под колоссальным давлением атмосферы, находится в жидкой металлической фазе. Жидкий металлический водород – необычная субстанция, способная проводить электрический ток. Предполагают, что под этим слоем нет твердой массы, в центре Юпитера большая температура и давление сжимают небольшое ядро диаметром км, находящееся в металло-силикатном состоянии. Температура в центре Юпитера – К. Юпітер: атмосфера Большое Красное Пятно – гигантский вихрь в атмосфере Юпитера. Для сравнения показана Земля.

8 Известно 28 спутников. Четыре имеют большие размеры и массу (Ио, Ганимед, Европа и Каллисто). Движутся почти по круговым орбитам в плоскости экватора планеты. Тройное кольцо Юпитера открыто в 1979 году, когда мимо Юпитера пролетал «Вояджер». Оно имеет радиус 129 тыс. км и толщину 30 км. Кольцо очень разрежено и состоит из пыли и мелких каменных частиц. Тройное кольцо Юпитера открыто в 1979 году, когда мимо Юпитера пролетал «Вояджер». Оно имеет радиус 129 тыс. км и толщину 30 км. Кольцо очень разрежено и состоит из пыли и мелких каменных частиц. Юпітер: супутники

9 Диаметр Ио равен 3630 км. На Ио - 20 действующих вулканов, извергающих султаны высотой до 300 км. Основной выбрасываемый ими газ – диоксид серы. Поверхность Ио молода (ей около миллиона лет) за счет постоянной сейсмической активности: на ней почти нет метеоритных кратеров; зато обнаружены лавовые потоки и озера черной серы. Плотность Ио – 3,55 г/см3. Под расплавленной силикатной оболочкой – Fe? Ядро. Юпітер: супутники (ІО)

10 Радиус Европы 1569 км. Она покрыта водяным льдом. По-видимому, под ледяной коркой толщиной в 100 километров существует водный океан, который покрывает силикатное ядро («Галилео», 1995). Плотность спутника достаточно высокая – 3,04 г/см3. На поверхности Европы практически отсутствуют кратеры, что говорит о молодости поверхности спутника – сотни тысяч или миллионы лет. Нет возвышенностей более 100 м высотой. Юпітер: супутники (Європа)

11 Самый большой спутник в системе Юпитера и вообще в Солнечной системе. Радиус спутника 2631 км. По своему диаметру он превосходит Меркурий. Плотность Ганимеда всего лишь ρ = 1,93 г/см3: на спутнике очень много льда. Внешне напоминает Луну, но он значительно крупнее ее. 40 % поверхности Ганимеда представляют собой древнюю мощную ледяную кору, покрытую огромными древними кратерами ( 3,5 млрд л). Молодые кратеры имеют светлое дно и обнажают ледяную поверхность. Кора Ганимеда состоит из смеси льда и темных горных пород. Юпітер: супутники (Ганімед)

12 Названный в честь превращенной в медведицу нимфы Каллисто спутник размером примерно с Меркурий – третий по величине после Ганимеда и Титана, его диаметр 4800 км. Средняя плотность ρ = 1,83 г/см3. Водяной лед Каллисто составляет до 60 % массы спутника. У Каллисто найдено собственное магнитное поле напряженностью 750 мТл на поверхности. Поэтому предполагается наличие металлического ядра под силикатной корой. Так же, как и у Ганимеда, многочисленные светлые кратеры – это более поздние образования на поверхности спутника. Возраст поверхности Каллисто измеряется миллиардами лет. На ней практически отсутствуют следы вулканической деятельности. Гравитационные измерения с борта «Галилео» показали, что этот спутник состоит только из металлической оболочки и льда. Юпітер: супутники (Каллісто)

13 Д Сатурн О

14 Д Уран О

15 Д Нептун О

16 Плутон и Харон Крошечная холодная планета, расположенная в 40 раз дальше от Солнца, чем Земля. Ее существование теоретически предсказал американский астроном Персиваль Ловелл в 1915 году. Через 15 лет после этого планету открыл сотрудник обсерватории Ловэлла Клайд Томбо.Персиваль ЛовеллКлайд Томбо Среднее расстояние от Солнца равно 39,23 а.е. Имеет самую вытянутую орбиту. Наиболее близкая к Солнцу точка орбиты находится на расстоянии 4447 млн. км от Солнца, а наиболее удаленная – на расстоянии 7392 млн. км. С 1979 по 1999 год Плутон находился ближе к Солнцу, чем Нептун. Средняя скорость движения Плутона по орбите: 4,8 км/с, наклонение плоскости орбиты к плоскости эклиптики 17,2°. Период обращения по орбите: Т = 245,73 лет. Со времени открытия в 1930 году он не закончил еще и половины полного оборота. Период вращения вокруг оси равен 6,39 суток (153,29 часов). Наклон экватора к плоскости орбиты 122,5°. Плутон в 6 раз легче Луны: его масса равна 1,51022 кг (т.е. 1/500 массы Земли). Масса планеты была определена совсем недавно, после открытия в 1978 году спутника планеты – Харона. Харона Радиус Плутона составляет 1195 км, что в 5,3 раза меньше радиуса Земли и в 1,45 раза – Луны. Таким образом, по величине Плутон уступает семи спутникам больших планет – Луне, Европе, Ганимеду, Каллисто, Титану и Тритону. Плотность ρ = 1,7 г/см3. Ускорение свободного падения g = 0,06 м/с2.

17 Плутон и Харон Планета, по-видимому, состоит из льда, перемешанного со скалистыми породами. Альбедо Плутона 0,3. У Плутона имеется разреженная атмосфера, в которой определяются метан, аргон, неон. Давление на поверхности меньше земного в 7 тысяч раз. Орбита Плутона сильно вытянута: планета в настоящее время удаляется от Солнца. При этом атмосфера Плутона скоро застынет и выпадет на ее поверхность в виде снега (твердого метана). Только через двести лет Плутон снова окажется на наименьшем расстоянии от Солнца, и его атмосферу снова можно будет исследовать. Температура на планете в среднем –223°С. Зимой она падает до 32–50 К. Мир Плутона – холодный мир. В конце XX века появились сомнения, имеет ли смысл относить Плутон к большим планетам, а не к транснептуновым объектам. Приводились три причины: 1. Все внешние планеты являются газовыми гигантами, а Плутон – нет. 2. Плутон намного меньше по массе любой из планет Солнечной системы. 3. Орбита Плутона очень вытянута и даже пересекает орбиту другой планеты – Нептуна

18 Харон находится на расстоянии км от центра Плутона и движется по орбите, расположенной в экваториальной плоскости планеты. Он постоянно обращен к Плутону одной стороной, как и Луна к Земле. Диаметр Плутона 2390 километров, а его спутника – 1186 километров. Плутон та Харон Плутон Харон

19 Плутон та Харон: порівнянні з обєктами поясу Койпера Открытия крупных объектов в поясе Койпера лишний раз подтверждает, что Плутон (+Харон) – не девятая планета Солнечной системы, а лишь крупнейший объект пояса Койпера. Однако, пока решено сохранить за Плутоном статус планеты.

20 Метеорити як джерело космохімічної та геохімічної інформації ОСНОВИ КОСМОХІМІЇ С.Є.Шнюков Лекція 13

21 Метеорити: визначення Метеорное тело – это фрагмент породы или скопление пыли в космическом пространстве. Метеор – световое явление, возникающее на высоте от 80 км до 130 км от поверхности Земли при вторжении в земную атмосферу метеорных тел. Метеорит – метеор, достигший поверхности Земли (обычно массой >10 г). Скорости движения метеорных тел различны – от 11 до 75 км/с. Многие метеорные потоки являются периодическими. Это остатки разрушенных комет. Кроме единичных, спорадических метеоров, можно наблюдать и метеорные потоки. Многие метеорные потоки являются периодическими. Это остатки разрушенных комет.

22 Метеорити: джерело «Пояс астероїдів»: положение 8777 астероидов 1 января 2000 года. Пояс Койпера – обнаружено до объектов размерами свыше 100 км, а общая численность – миллиарды (оценка). Их масса в сотни раз больше массы тел пояса астероидов.

23 Метеорити: падіння на Землю Метеоритный кратер в штате Аризона (США). Диаметр м, а глубина 175 м. Вал кратера поднят на высоту около 37 м. Возраст кратера 5000 лет, но он хорошо сохранился (пустыня). Всего на Земле найдено около 140 крупных кратеров. Поверхность Земли постоянно бомбардируется небесными телами самых разных размеров. Интенсивность выпадения: 1-10 тыс.т/сутки

24 Метеорити: зіткнення з іншими планетами Фактически лишенный атмосферы Меркурий по количеству кратеров – копия Луны. Меркурій Венера Венера – планета с мощной атмосферой. Однако метеоритные кратеры – одна из ведущих морфоструктур поверхности. На переднем плане метеоритный кратер диаметром 48 км. Трещины и складки образовались в результате удара.

25 Метеорити: зіткнення з іншими планетами Інтенсивність бомбардування ~ Землі, але остання екранується атмосферою. (Приблизний аналог: Меркурій – Венера) Венера Атмосфера відсутня. Тому для Місяця спостерігаються класичні наслідки метеоритного бомбардування - кратери різного розміру та багатьох генерацій. Місяць

26 Метеорити: зіткнення з іншими планетами Кратер на Фобосі та залізний меторит на поверхні Марса. Остання випадкова знахідка після короткого та локального! періоду дослідження планети марсоходами свідчить про значну кількість метеоритної речовини на поверхні планети. Фобос Марс Марс та його супутники

27 Метеорити: зіткнення з іншими планетами Юпітер: Падение кометы Шумейкеров– Леви вызвало многокилометровые цунами в атмосфере. Инфракрасная съемка. Огромные ударные кратеры на поверхности. Молодые кратеры имеют светлое дно - обнажают ледяную поверхность. Зовнішні планети та їх супутники Ганімед та Каллісто (супутники Юпітера) Аналогичная картина – для многих спутников Внешних планет

28 Метеорити: історія Пояс астероїдів Пояс Койпера 1.Метеоритнае бомбардувамння типове для всіх планет. Це наслідок нестабільності орбіт тіл у джерелах метеоритної речовини 2.З часом інтенсивність бомбардування зменьшувалась – завершення акреції Таким чином:

29 Метеорити: найбільші зареєстровані на Землі події Деякі інші найкрупніші метеорити: 1.Гоба (ПЗ Африка) – 1920 р. – 60 т. 2.Кейп-Йорк (Гренландія) р. – 34 т. 3.Багія (Бразілія) – 1784 – 16 т. Масса метеорита на входе в атмосферу тонн, выпавшего вещества - порядка 100 т. Масса собранного вещества (1986 г.) - более 27 т. Сихотэ-Алинь, Приморье (12 февраля 1947). Масса метеорита на входе в атмосферу тонн, выпавшего вещества - порядка 100 т. Масса собранного вещества (1986 г.) - более 27 т. Рассчитана доатмосферная траектория метеорита - он пришел из центральной части пояса астероидов. Сіхоте-Алінський метеорит

30 Железные метеориты (10 %) Каменные метеориты (85 %) Железо-каменные метеориты (5 %) Метеориты – фрагменты древнейшего вещества Солнечной системы. Сохраняет информацию о процессах образования Солнца и планеты. Метеорити: класифікація

31 Регмаглипты железных метеоритов. Регмаглипты каменных метеоритов, напоминающая следы пальцев Регмаглипты [Regmaglypts, Thumbprints] (от греч. rhegma трещина, царапина, рана и glyptos вырезанный, изваянный), характерные углубления на поверхностях метеоритов, образующиеся в результате «сверлящего» действия земной атмосферы (абляции) на метеориты во время их движения в атмосфере с космическими скоростями. абляции Метеорити: класифікація (зовнішні ознаки)

32 Железные метеориты (10 %) Метеорити: класифікація Рентгенівський спектр типового залізного метеорита Состоят из метал. фазы и рассеянных в ней зерен силикатов. Главные компоненты - Fe и Ni (4-30%, среднее 10%). Акцессорные – троилит, графит и др. Используются для создания геохимических моделей Земли и планет (исходные данные для оценок состава ядра)

33 Метеорити: класифікація Состоят из металлической и силикатной фаз в примерно равных соотношениях. Металлическая фаза аналогична железным метеоритам. По составу силикатной части подразделяются на: 1. 1.ПАЛЛАСИТЫ (оливин) МЕЗОСИДЕРИТЫ (плагиоклаз, пироксен) Железо-каменные метеориты (5 %)

34 Метеорити: класифікація Имеют преимущественно силикатный состав. Подразделяются на: 1. 1.ХОНДРИТЫ 2. 2.АХОНДРИТЫ Каменные метеориты (5 %) Хондриты наиболее важны для геохимии и космохимии – рассмотрим подробно. Ахондриты = магматические горные породы основного состава

35 Метеорити: класифікація Хондриты подразделяются на типы : 1. 1.Углистые хондриты (С1, С2, С3) 2. 2.Обычные хондриты (LL, L, H, E) Каменные метеориты (5 %) Хондриты Углистые хондриты состоят из оливина (40), пироксена (30), никелистого железа (10-20), плагиоклаза (10), троилита (5-6%). Присутствуютсерпентин, хлорит, углистое в-во. Концентрации летучих компонентов и всех остальных элементов = концентрациям ена Солнце. Это позволяет использовать именно углистые хондриты для оценки космической распространенности элементов. Кроме того – угл. хондриты - основа геохимических моделей Земли и планет земной группы. Их состав используется как основа для оценки состава примитивной мантии Земли. Типичным примером углистого хондрита является метеорит Алленде является, представляющим наиболее примитивную из известных форму материи во вселенной. Одна из гипотез образования углистых хондритов заключается в том, что в "самом начале времен" частички межзвездной пыли слипались друг с другом, нагревались и образовывали породы, сходные с углистыми хондритами. Тип углистых хондритов "CV3", к которому относится "Алленде", является одним из наиболее примитивных типов и характеризуется составом очень близким к валовому составу Солнечной Системы. До падения "Алленде", метеориты типа "CV3" были очень редки (16 шт.)углистого хондрита,межзвездной пылиметеориты типа "CV3"

36 Метеорити: розповсюдженість елементів Углистые хондриты Распространенность химических элементов (число атомов ni на 106 атомов Si) в CI-хондритах (Anders, Grevesse, 1989) Соотношения распространенности химических элементов (число атомов n i на 10 6 атомов Si ) на Солнце ( ns ) и в углистых ( CI ) хондритах ( n CI )

37 Метеорити: класифікація Типичный пример - метеорит Алленде, Мексика ( ). Общий вес - несколько тонн. Две тонны обломков были собраны. Метеорит Алленде является углистым хондритом (С3), представляющим наиболее примитивную из известных форму материи во вселенной. углистым хондритом (С3), Каменные метеориты (5 %) ХОНДРИТЫ Фотография петрографического шлифа метеорита Алленде. Крупная хондра: ее центр представлен параллельными удлиненными кристаллами оливина, образующими колосниковую структуру. Пространство между удлиненными кристаллами представлено очень мелкозернистым агрегатом, который возможно первоначально являлся вулканическим стеклом. Мелкозернистая основная масса "Алленде" сложена железистым оливином. Общее содержание железа около 24 %, но при этом никелистое железо встречается в нем очень редко. оливиномникелистое железо оливиномникелистое железо

38 Метеорити: тектіти Тектиты (от греч. tektós расплавленный), стеклянные природные тела зелёного, жёлтого или чёрного цвета, разнообразной формы и размеров, целиком оплавленные, обладающие характерной скульптурной поверхностью. Состав: SiO2 до 88,5%, Al2O3 20,5%, FeO 11,5%. CaO 8,5%; важно присутствие Ni и сравнительно с др. стеклами низкое содержание воды. Находки тектитов известны на всех континентах, исключая Антарктиду. Однако они встречаются только в палеоген-антропогеновых отложениях или просто на поверхности Земли в областях, исключающих их вулканическое происхождение. Две гипотезы образования: 1. Метеориты 2. Импактиты (образовались в результате падения на Землю метеоритов в основном из земного вещества путём его переплавления (ударный метаморфизм).

39 Космічна розповсюдженість елементів та нуклеосинтез ОСНОВИ КОСМОХІМІЇ С.Є.Шнюков Лекція 14-15

40 К Геохімічна класифікація елементів (В.М. Гольдшмідт, 1933 р.) Періодична система та геохімічна класифікація хімічних элементів

41 Встановлено максімуми H, He та закономірне зниження розповсюдженості з зростанням Z. Важливим є значне відхилення соняшної розповсюдженості від даних для Землі (Si, O !!!) та дуже добра узгодженість з даними, які одержані для метеоритів (хондритів). H, He C, O, Mg, Si Fe Li Zr Ba Pt, Pb (число атомом на 10 6 атомов Si) Космічна розповсюдженість елементів: Сонце

42 Метеорити: розповсюдженість елементів Углистые хондриты Распространенность химических элементов (число атомов ni на 106 атомов Si) в CI-хондритах (Anders, Grevesse, 1989) Соотношения распространенности химических элементов (число атомов n i на 10 6 атомов Si ) на Солнце ( ns ) и в углистых ( CI ) хондритах ( n CI )

43 Космічна розповсюдженість елементів

44

45

46

47 Нормалізація (нормування) концентрацій: рідкісноземельні елементи

48

49 Нуклеосинтез

50 Нуклеосинтез: виникнення Всесвіту Примерная хронология событий: Большой взрыв: 0 Планковская эра: с. Планковский момент. Происходит отделение гравитационного взаимодействия. Размер Вселенной в этот момент равен м (т.н. Планковская длина) с. Инфляционное расширение Вселенной. Эра великого объединения: с. - разделение сильного и электрослабого взаимодействий. Адронная эра: с. - аннигиляция протон-антипротонных пар. Кварки и антикварки перестают существовать, как свободные частицы. Лептонная эра: 1 с. - формируются ядра водорода, начинается ядерный синтез гелия. Эра нуклеосинтеза: 3 минуты - Вселенная состоит на 75% из водорода и на 25% из гелия, а также следовых количеств тяжелых элементов. Радиационная эра: 1 неделя - к этому времени излучение термализуется. Эра вещества: 10 тыс. лет - вещество начинает доминировать во Вселенной. 380 тыс. лет - ядра водорода и электроны рекомбинируют, Вселенная становится прозрачной для излучения. Звездная эра: 1 млрд. лет - формирование первых галактик. 1 млрд. лет - образование первых звезд. 9 млрд. лет - образование Солнечной системы. 13,5 млрд. лет - текущий момент

51 Хімічна зональність Сонячної системи та її походження ОСНОВИ КОСМОХІМІЇ С.Є.Шнюков Лекція 16-17