Международная группа исследователей, в состав которой вошёл учёный Сибирского федерального университета, объяснила некоторые особенности зарождения крупных планет. С помощью компьютерного моделирования специалисты доказали, что в процессе формирования планетарных «зародышей» происходит интенсивная потеря лёгких химических элементов, тогда как тяжёлые элементы принимают активное участие в придании окончательного облика планетам. Итоги исследования опубликованы в журнале Icarus. 

Согласно современным концепциям, планеты Солнечной системы появились из газопылевого облака, существовавшего в околосолнечном диске. Вначале образовались так называемые «зародыши» планет — растущие планетарные «эмбрионы». Затем самые крупные из них притягивали и поглощали мелких «собратьев». Победителей этой своеобразной эволюционной гонки ожидало постепенное обретение окончательной формы — таким было, в частности, «детство» Земли. Одним из вопросов, волнующих специалистов, является причина преобладания тяжёлых химических элементов — железа и магния — в составе нашей планеты. 

Еркаев.jpg 

«Потеря лёгких элементов, происходящая на стадии формирования „эмбрионов“, приводит к преобладанию тяжёлых элементов, наблюдаемому, в частности, на Земле. Всё дело в том, что планетарные эмбрионы, имеющие размеры от нескольких сотен до нескольких тысяч километров, могут образовывать океаны раскалённой магмы благодаря взаимным столкновениям, гравитационной энергии и нагреву от короткоживущих радиоактивных элементов. При этом происходит выделение летучих элементов из океана магмы и формирование паровых атмосфер. Однако в процессе отвердевания магмы после охлаждения протопланетного диска паровая атмосфера начинает катастрофически улетучиваться и может быть полностью утрачена из-за гидродинамического истечения атмосферы в окружающее пространство под действием поглощаемого интенсивного ультрафиолетового излучения Солнца. При этом убегающие атомы водорода, образующиеся при диссоциации молекул воды и водорода, будут вытягивать также более массивные элементы типа инертных газов (неон и аргон) и даже формирующие твердую кору элементы — калий, натрий, кремний, магний», — рассказал соавтор исследования, профессор кафедры прикладной механики СФУ, главный научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН Николай Еркаев

Исследователь уточнил, что в новой работе нашла применение разработанная коллективом ранее математическая модель, позволяющая рассчитывать истечение верхней атмосферы с учётом уноса более массивных атомов за счёт трения с «убегающими» атомами водорода. 

«Мы рассмотрели три сценария эволюции УФ-излучения молодой звезды (для спокойного, умеренного и активного Солнца). Провели компьютерное моделирование процесса убегания атмосферы, изучили изменения её состава от различных планетарных эмбрионов, равных по массе Луне, Марсу, а также составляющих половину и полторы массы Марса на различных орбитальных расстояниях в интервале между орбитами Венеры и Марса. Выяснилось, что паровые атмосферы и присутствующие в них микроэлементы будут быстро и полностью утрачены, если масса протопланеты меньше массы Марса и находится на орбитальном расстоянии от Солнца не далее 1,5 астрономических единиц (АЕ). К примеру, орбита Земли соответствует 1АЕ», — отметил Николай Еркаев. 

Исходя из этой закономерности, учёные заключили: для эмбрионов с массой меньше Луны гравитация слишком слаба, чтобы возникла плотная атмосфера при соответствующих океану магмы поверхностных температурах, и все испаряющиеся с поверхности элементы будут немедленно улетучиваться в космическое пространство. 

Для более массивных эмбрионов (от 1 до 1.5 масс Марса) почти все из рассмотренных паровых атмосфер могут быть потеряны примерно за 12 миллионов лет, что находится в пределах времени формирования первой твердой марсианской коры (после 20 миллионов лет). И, наконец, для всех рассмотренных планетарных масс и орбит интенсивность «утекания» аргона и неона настолько высока, что не будет возникать разделения их изотопов в атмосфере. 


«Наша группа пришла к выводу, что изученные планетарные эмбрионы, даже при отсутствии разделения изотопов, будут сильно обеднены в отношении инертных газов и умеренно летучих элементов. Таким образом, гидродинамическое истечение атмосфер может существенно влиять на финальный состав планет, которые поглощают такие планетарные эмбрионы в процессе своей эволюции. Это может касаться как летучих компонентов, так и соотношения железа и магния в составе планеты. К примеру, рассмотренный механизм может быть одной их причин высоких значений железа и магния и низких значений кремния, наблюдаемых на Земле в настоящее время», — резюмировал красноярский учёный. 

Сообщается, что исследование инициировано сотрудниками Института космических исследований и Грацского университета имени Карла и Франца (г. Грац, Австрия), а также Университета Версаль-Сен-Кантен-ан-Ивелин (Версаль, Франция). 

Пресс-служба СФУ 

Похожие новости

  • 17/04/2020

    Региональный научно-образовательный математический центр будет создан на базе СФУ и Красноярского научного центра СО РАН

    ​На базе Сибирского федерального университета совместно с Институтом вычислительного моделирования СО РАН​ будет создан региональный Научно-образовательный математический центр Восточной Сибири (НОМЦ).
    1038
  • 16/04/2019

    Ученые создали математические модели для изучения ранних фаз планетарной эволюции

    ​Международная группа исследователей, изучающая планету в системе молодой звезды в созвездии Скорпиона, создала математическую модель верхней атмосферы для различных планетарных гипотетических масс. Исследование этого небесного тела позволяет изучать планетарную эволюцию на ранних фазах, сообщили в пресс-службе Сибирского федерального университета (СФУ).
    738
  • 10/08/2020

    Теплофизики создадут базу данных по экологичному органоводоугольному топливу

    ​Масштабное фундаментальное исследованиее будут вести специалисты десяти ведущих российских научных центров во главе с учеными Института теплофизики СО РАН. Участники научного консорциума объединят результаты своих исследований в области горения и детонации топлив.
    549
  • 09/07/2020

    Исследователи выяснили, почему в составе планет Солнечной системы много железа и магния

    ​​​По данным ученых, легкие химические элементы улетучиваются по мере отвердевания магмы на "зародышах" планет и могут полностью исчезнуть под действием излучения Солнца. Международная группа исследователей с помощью компьютерного моделирования определила причину, по которой в составе планет Солнечной системы преобладают тяжелые химические элементы – железо и магний.
    1079
  • 04/08/2020

    Лето исследований. Сразу несколько экспедиций отправились в Арктику

    Совместный проект ЮНЕСКО и Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова — плавучий университет, научно-исследовательское судно «Академик Николай Страхов» вошло в акваторию Баренцева моря, где более 20 студентов из МГУ и других российских вузов при поддержке Министерства образования и науки России будут изучать перспективы нефтегазоносности этого района.
    740
  • 17/04/2019

    Российские ученые создали «умные» керамические фильтры для промышленности

    ​Российские ученые создали нанокомпозитный материал, который улучшит свойства мембран из электропроводной керамики и электрохимических датчиков. Такие мембраны смогут выборочно выделять и пропускать одни ионы и "отвергать" другие, сообщила пресс-служба Сибирского федерального университета (СФУ).
    710
  • 14/08/2020

    Красноярские учёные предложили модель нового легкоуправляемого оптического устройства

    ​​Ученые Сибирского федерального университета и Института физики ФИЦ КНЦ СО РАН предложили концепцию легко управляемого оптического устройства на основе гибридных таммовских мод.​ Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Optics.
    633
  • 07/12/2018

    Новая модель ионосферы Земли опровергла действенность одного из способов предсказания землетрясений

    ​Ученые из Сибирского федерального университета (СФУ) вместе с российскими и австрийскими коллегами создали новую модель ионосферы — верхнего слоя атмосферы Земли. Она гораздо точнее описывает электрические поля и токи и опровергает самое популярное объяснение того, как литосфера влияет на ионосферу.
    2104
  • 23/11/2020

    Эксперты: слабая активность Солнца позволила сохранить азотную атмосферу спутника Сатурна

    Азотная атмосфера Титана, являющегося самым крупным спутником Сатурна, сохранилась до наших дней благодаря слабой активности Солнца. К таким выводам пришла международная группа исследователей, в которую вошли ученые Сибирского федерального университета, сообщили ТАСС в пресс-службе вуза.
    368
  • 03/08/2020

    Алтайский ученый рассказал об уровне науки и новых изобретениях

    Не в деньгах счастье, считает Владимир Плотников, доктор физико-математических наук, завкафедрой общей и экспериментальной физики Алтайского госуниверситета.  На его счету сотни научных работ, десятки изобретений.
    603