|
Что скрывается под поверхностью Урана и Нептуна
|
|
|
|
Алмазный дождь? Суперионная вода? Это всего лишь два предположения ученых-планетологов о том, что скрывается под плотной голубоватой атмосферой Урана и Нептуна, состоящих из водорода и гелия, уникальных, но внешне безобидных ледяных гигантов нашей Солнечной системы.
|
|
|
|
Ученый—планетолог из Калифорнийского университета в Беркли теперь предлагает альтернативную теорию - что внутренности обеих этих планет слоистые, и что эти два слоя, подобно нефти и воде, не смешиваются. Такая конфигурация четко объясняет необычные магнитные поля планет и подразумевает, что более ранние теории о внутренних слоях вряд ли верны.
|
|
|
|
В статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, Буркхард Милитцер утверждает, что сразу под слоями облаков находится глубокий океан воды, а еще ниже - сильно сжатая жидкость, состоящая из углерода, азота и водорода.
|
|
|
|
Компьютерное моделирование показывает, что при температурах и давлении в недрах планет смесь воды (H2O), метана (CH3) и аммиака (NH3) естественным образом разделилась бы на два слоя, главным образом потому, что водород был бы вытеснен из метана и аммиака, которые составляют большую часть недр.
|
|
|
|
|
|
|
Эти несмешивающиеся слои могли бы объяснить, почему ни Уран, ни Нептун не обладают магнитным полем, подобным земному. Это было одно из удивительных открытий о ледяных гигантах нашей Солнечной системы, сделанных миссией "Вояджер-2" в конце 1980-х годов.
|
|
|
|
"Теперь у нас есть, я бы сказал, хорошая теория, почему у Урана и Нептуна действительно разные поля, и они сильно отличаются от полей Земли, Юпитера и Сатурна", - сказал Милицер, профессор наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Беркли. "Раньше мы этого не знали. Это как нефть и вода, за исключением того, что нефть уходит на дно из-за потери водорода".
|
|
|
|
По словам Милицера, если другие звездные системы имеют состав, похожий на наш, ледяные гиганты вокруг этих звезд вполне могут иметь сходную внутреннюю структуру. Планеты размером с Уран и Нептун — так называемые субнептуновые планеты - являются одними из наиболее распространенных экзопланет, обнаруженных на сегодняшний день.
|
|
Конвекция приводит к возникновению магнитных полей
|
|
|
|
По мере того как планета охлаждается от своей поверхности вниз, холодный и более плотный материал опускается, в то время как капли более горячей жидкости поднимаются подобно кипящей воде — этот процесс называется конвекцией. Если внутренняя поверхность является электропроводящей, то толстый слой конвективного материала будет генерировать дипольное магнитное поле, подобное магнитному полю стержневого магнита.
|
|
|
|
Дипольное поле Земли, создаваемое ее жидким внешним железным ядром, создает магнитное поле, которое движется от Северного полюса к Южному и является причиной того, что компасы указывают на полюса.
|
|
|
|
Но "Вояджер-2" обнаружил, что ни у одного из двух ледяных гигантов нет такого дипольного поля, только неорганизованные магнитные поля. Это означает, что в глубоких недрах планет нет конвективного движения вещества в толстом слое.
|
|
|
|
Чтобы объяснить эти наблюдения, две отдельные исследовательские группы более 20 лет назад предположили, что планеты должны иметь слои, которые не могут перемешиваться, что предотвращает крупномасштабную конвекцию и глобальное дипольное магнитное поле. Однако конвекция в одном из слоев может привести к дезорганизованному магнитному полю. Но ни одна из групп не смогла объяснить, из чего были сделаны эти несмешивающиеся слои.
|
|
|
|
Десять лет назад Милитцер неоднократно пытался решить эту проблему, используя компьютерное моделирование примерно 100 атомов с соотношениями углерода, кислорода, азота и водорода, отражающими известный состав элементов ранней Солнечной системы.
|
|
|
|
При давлении и температуре, предсказанных для недр планет — в 3,4 миллиона раз превышающих атмосферное давление Земли и 4750 Кельвинов (~8000°F), соответственно — он не смог найти способ формирования слоев.
|
|
|
|
Однако в прошлом году с помощью машинного обучения он смог запустить компьютерную модель, имитирующую поведение 540 атомов, и, к своему удивлению, обнаружил, что слои формируются естественным образом, когда атомы нагреваются и сжимаются.
|
|
|
|
"Однажды я посмотрел на модель и увидел, что вода отделилась от углерода и азота. То, что я не мог сделать 10 лет назад, происходило сейчас", - сказал он. "Я подумал: "Ух ты! Теперь я знаю, почему образуются слои: один богат водой, а другой - углеродом, а на Уране и Нептуне богатая углеродом система находится ниже. Тяжелая часть остается внизу, а более легкая - сверху, и конвекция невозможна".
|
|
|
|
"Я не смог бы открыть это, не имея большой системы атомов, а такую большую систему я не смог бы смоделировать 10 лет назад", - добавил он.
|
|
|
|
По его словам, количество выдавленного водорода увеличивается с увеличением давления и глубины, образуя устойчивый слой углерод-азот-водород, почти как пластичный полимер. В то время как верхний, богатый водой слой, вероятно, конвецируется, создавая наблюдаемое неорганизованное магнитное поле, более глубокий, стратифицированный, богатый углеводородами слой не может этого сделать.
|
|
|
|
Когда он смоделировал гравитацию, создаваемую многослойными Ураном и Нептуном, гравитационные поля совпали с полями, измеренными "Вояджером-2" почти 40 лет назад.
|
|
|
|
"Если вы спросите моих коллег: "Как вы думаете, чем объясняются поля Урана и Нептуна?" - они могут ответить: "Ну, может быть, это алмазный дождь, а может быть, это свойство воды, которое мы называем суперионным", - сказал он. "С моей точки зрения, это неправдоподобно. Но если у нас есть разделение на два отдельных слоя, это должно все объяснить".
|
|
|
|
Милитцер предсказывает, что под атмосферой Урана толщиной в 3000 миль находится слой, богатый водой, толщиной около 5000 миль, а еще ниже - слой, богатый углеводородами, также толщиной около 5000 миль. Его каменистое ядро размером примерно с планету Меркурий.
|
|
|
|
Хотя Нептун массивнее Урана, он меньше в диаметре, у него более тонкая атмосфера, но такие же толстые слои, богатые водой и углеводородами. Его каменистое ядро немного больше, чем у Урана, и примерно такого же размера, как у Марса.
|
|
|
|
Он надеется поработать с коллегами, которые смогут проверить с помощью лабораторных экспериментов при чрезвычайно высоких температурах и давлениях, образуются ли слои в жидкостях с пропорциями элементов, характерными для протосолнечной системы.
|
|
|
|
Предполагаемая миссия НАСА к Урану также могла бы подтвердить это, если бы на борту космического аппарата был доплеровский тепловизор для измерения вибраций планеты. Слоистая планета вибрировала бы на других частотах, чем конвективная, сказал Милитцере.
|
|
|
|
Его следующий проект состоит в том, чтобы использовать свою вычислительную модель для расчета того, как будут отличаться планетарные вибрации.
|
|
|
|
Источник
|
