Как изменяется плотность планет от солнца

Как изменяется плотность планет от солнца

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.

Источник

ГJlABA ВТОРАЯ. 6 РАЗЛИЧНОЙ ПЛОТНОСТИ ПЛАНЕТ И ОБ ОТНОШЕНИИ ИХ МАСС

Наша теория в отношении этого закона, определяющего плотность планет, далеко превосходит все то, что предложено или еще может быть предложено для объяснения ее причины. Ньютон, определивший путем вычисления плотность некоторых планет, полагал, что причину соотношения между плотностью и расстоянием следует искать в воле бога и в мотивах конечной его цели. Ньютон говорил, что ближайшие к Солнцу планеты должны выдерживать больший жар, а более далекие — довольствоваться меньшей степенью тепла. Это представляется возможным только в том случае, если планеты, близко расположенные к Солнцу, обладают большей плотностью, а более далекие составлены из более легкого вещества. Однако не требуется большого размышления, чтобы убедиться в неудовлетворительности подобного объяснения. Планеты, например наша Земля, состоят из очень различных видов материи; необходимо лишь, чтобы на поверхности были расположены более легкие и более проницаемые виды ее, которые легче приводятся в движение одинаковым действием Солнца и состав которых находится в определенной зависимости от излучаемого Солнцем тепла.

Обратим теперь свое внимание на соотношение, которое должно, согласно нашей теории, иметь место между массами небесных тел и их расстояниями, дабы выводы нашей теории проверить с помощью безошибочных вычислений Ньютона. Не требуется много слов, чтобы пояснить, что центральное тело всегда представляет собой главную часть своей системы и, следовательно, Солнце по своей массе должно превосходить все планеты, вместе взятые; то’же самое следует сказать о Юпитере и Сатурне по отношению к их спутникам. Центральное тело образуется оседанием всех частиц, которые расположены во всей сфере его притяжения и которые не могли приобрести точно определенное круговое движение вблизи общей плоскости притяжения, причем этого рода частиц, без сомнения, неизмеримо больше, чем частиц, приобретших круговое движение. Применим теперь это рассуждение к Солнцу. Если попытаться определить величину того пространства, на какое максимально отклонялись от общей плоскости совершающие круговое движение частицы, которые послужили основным материалом для планет, то можно предположить, что она несколько больше величины наибольшего взаимного отклонения^планетных орбит. Но наибольший наклон планетных орбит друг к другу, когда они отклоняются в обе стороны от общей пдоскостц, составляет едва 1У%

градусов. Таким образом, можно предположить, что вся материя, из которой образовались планеты, занимала пространство, заключенное между двумя плоскостями, мысленно проведенными из центра Солнца и образующими друг с другом угол в7Уг градусов.

При сопоставлении масс планет следует отметить прежде всего то, что, согласно изложенному выше способу их образования, количество материи, входящей в состав планеты, зависит главным образом от расстояния планеты от Солнца; во-первых, потому, что Солнце своим притяжением ограничивает сферу притяжения планеты, а при прочих равных условиях это ограничение меньше для отдаленных планет, чем для близких; во-вторых, потому, что сферы, из которых собираются все частицы для образования более далекой планеты, имеют больший радиус, а следовательно, и содержат в себе больше основного вещества, чем меньшие сферы; в-третьих, потому, что именно по этой причине расстояние между двумя плоскостями наибольшего отклонения при равном числе градусов бывает значительнее на большой высоте, чем на малой.

Поскольку, таким образом, все это прекрасно согласуется с механической теорией происхождения мироздания и небесных тел, посмотрим теперь, каково то пространство, в котором было рассеяно основное вещество планет до их образования, с какой степенью разреженности было тогда наполнено это пространство и насколько свободно, или со сколь малыми препятствиями, могли совершать в нем свои закономерные движения парящие частицы. Пространство, содержащее в себе всю планетную материю, ограничивалось той частью сферы Сатурна, которая заключалась между двумя плоскостями, отстоящими друг от друга по отношению к центру Солнца приблизительно на 7°, и потому составляла 1/17 всей сферы, описываемой радиусом, равным расстоянию Сатурна [от Солнца]. Поэтому, для того чтобы вычислить, насколько разреженным было основное вещество планеты в то время, когда оно наполняло это пространство, нам следует лишь принять расстояние Сатурна равным 100 тысячам земных диаметров. Тогда вся сфера, ограниченная орбитой Сатурна, будет в 1 ООО биллионов раз больше земного шара. Если мы вместо 1/17 возьмем лишь 1/20 часть, то и в этом случае пространство, в котором парило основное вещество, должно в 50 биллионов раз превысить объем земного шара12. Если же принять, согласно Ньютону, что масса всех планет вместе с их спутниками равна 1/б50 массы Солнца, то Земля, составляющая лишь 1/i69 282 часть массы Солнца, будет относиться к общей массе всей планетной материи, как 1 к 276%; стало быть, если бы мы всю эту материю привели к одинаковой плотности с Землей, то получилось бы тело, в 277Уг раз превышающее по объему Землю13. Поэтому если мы примем, что плотность Земли во всей ее массе ненамного больше плотности твердого вещества, находящегося под ее поверхностью,— как этого требует фигура Земли,— и что эти верхние слои вещества примерно в 4 или 5 раз плотнее воды, а вода в 1000 раз тяжелее воздуха, то материя всех планет, если бы она была столь же разрежена, как воздух, заняла бы пространство, почти в 1 400 тысяч раз превышающее объем земного шара. Если этот объем сравнить с тем объемом, в котором, согласно нашему предположению, была рассеяна вся планетная материя, то он будет в 30 миллионов раз меньше его; и, следовательно, разреженность планетной материи в этом пространстве настолько же больше разреженности частиц нашей атмосферы. В действительности эта степень разреженности, как бы невероятной она ни казалась, была и нужной, и естественной. Она должна была быть как можно больше, дабы предоставить парящим частицам полную свободу движения почти как в пустом пространстве и бесконечно уменьшить то сопротивление, которое они могут оказать друг другу; однако эти частицы и сами по себе в состоянии были дойти до подобной разреженности, что не должно вызывать сомнения, если вспомнить, какое расширение испытывает вещество, когда оно превращается в пар, или, дабы не выходить за пределы неба, если принять во внимание разрежение вещества в хвостах комет, которые при столь огромной толщине своего диаметра, превышающего диаметр Земли примерно в 100 раз, настолько прозрачны, что сквозь них можно видеть небольшие звезды, чего наш воздух, будучи освещен Солнцем, не позволяет даже через слой, во много тысяч раз более тонкий, чем хвост кометы.

В заключение этой главы я проведу одну аналогию, которая сама по себе способна поднять нашу теорию механического образования небесных тел от гипотетической вероятности до полной достоверности. Если Солнце состоит из частиц того же основного вещества, из которого образовались планеты, с той лишь разницей, что на Солнце скопились вещества всех видов, без вся- кого различия, а в планетах вещества распределились на различных расстояниях в зависимости от степени плотности тех или иных видов этих веществ, то, если представить себе материю всех планет собранной воедино, она приобрела бы во всей этой смеси почти такую же плотность, какую имеет Солнце. Этот необходимый вывод из нашей теории находит себе счастливое подтверждение в том сопоставлении плотности всей планетной материи и плотности Солнца, которое сделал достославный философ г-н Бюффон; он нашел между ними отношение 640 к 650. Коль скоро естественные и необходимые выводы из какой-то теории находят себе столь счастливые подтверждения в действительных соотношениях природы, можно’ли думать, что такое совпадение между теорией и наблюдением есть лишь результат простой случайности?

Источник