Природа малых тел и их миграция в солнечной системе



Скачать 253.44 Kb.
страница2/2
Дата05.11.2012
Размер253.44 Kb.
ТипДокументы
1   2

Миграционно-столкновительная модель и следствия

Орбиты планет обладают малыми эксцентриситетами и наклонениями, а потому они лишь слабо хаотичны и не имеют сколько-нибудь заметной вековой составляющей на временных интервалах, сопоставимых с возрастом Солнечной системы. В отличие от них свойства орбит малых тел отражают динамику регулярных и хаотических процессов в Солнечной системе. Одним из характерных проявлений хаотичности служит миграция, а ее следствием – столкновения комет и астероидов с планетами. Они приводят к катастрофическим событиям и транспорту вещества, что имеет важнейшее значение для эволюции планет и их атмосфер. Убедительным подтверждением периодически происходящих в Солнечной системе столкновительных процессов служат такие известные события, связанные со столкновением малых тел с Землей, как Чиксулюб или Тунгуска (30 июня 1908 г.). Первое произошло в конце мелового периода (около 65 млн. лет тому назад), когда астероид размером примерно 10 км образовал кратер диаметром около 170 км на полуострове Юкатан в Мексике. В июле 1994 г. наблюдалось грандиозное явление – падение на Юпитер более 20 фрагментов ядра кометы Шумейкеров–Леви 9. При входе в атмосферу планеты каждого из этих километровых осколков выделилась энергия, эквивалентная одновременному взрыву сотен тысяч мегатонных бомб (!). Вообще, орбиты комет подвержены наиболее сильной хаотизации, с чем связаны сложности прогноза их движений и точного определения эфемерид. Вычисления характеристических чисел Ляпунова (широко используемых в механике критериев устойчивости систем) для некоторых типов комет и астероидов с хаотическими орбитами подтверждают их чрезвычайно малое (по космическим масштабам) время жизни, обычно не превышающее сотни тысяч лет.

Обусловленные малыми телами миграционно-столкновительные процессы имели, несомненно, ключевое значение для ранней эволюции планет Солнечной системы, о чем говорит обилие не подвергшихся значительной эрозии кратеров на безатмосферных телах. Считается общепризнанным, что на планетах земной группы первичные атмосферы, захваченные из протопланетного облака на стадии их аккумуляции, были потеряны. Убедительным свидетельством такой потери служит то, что содержание и изотопный состав инертных газов в современных атмосферах вторичного происхождения резко отличается от солнечного. Обычно считается, что дегазация из недр в процессе последующей эволюции этих планет внесла основной вклад в формирование гидросферы и атмосферы. Однако такой источник не был, по-видимому, единственным и достаточным, чтобы компенсировать потерю низкотемпературных летучих (вода, азот, углерод, сера и др.) в зоне первоначального формирования планет земной группы при температуре более 103 К в этой части протопланетного диска (внутри границы конденсации воды – «снеговой линии»).
Малая масса этих планет, наряду с высокой температурой, также способствовала убеганию в космос наиболее легких летучих, образующих атмосферы (атмофильные элементы).

Объяснить существующее, тем не менее, относительно высокое содержание летучих элементов на Земле и других планетах земной группы можно их интенсивной бомбардировкой кометами и астероидами из внешних областей Солнечной системы на ранней стадии эволюции. Такой сценарий называют механизмом гетерогенной аккреции. Количественные оценки эффективности данного механизма получены путем изучения орбитальной динамики малых тел, прежде всего комет из занептунового пояса, содержащих наибольшее количество летучих. Согласно существующим оценкам, из 10 млрд. TНO размером не менее 1 км примерно 20 тыс. могут переходить из упомянутой выше зоны накопления вековых возмущений в поясе Койпера на орбиты, пересекающиеся с орбитой Юпитера (JCO – Jupiter Crossing Objects), и находиться там более ста тысяч лет. Автор совместно с коллегой из ИПМ им. М.В. Келдыша доктором физико-математических наук С.И. Ипатовым разработал численную модель миграции тел JCO внутрь Солнечной системы. В основу положены задача N-тел и независимые вычислительные коды (BULSTO и RMVS), с использованием которых проводились расчеты. Из 20 тыс. тел JCO была численно проинтегрирована (на временных интервалах 106 лет с шагом 500 лет и относительной ошибкой 10-8 – 10-9) эволюция к Солнцу 5500 виртуальных объектов из известных семейств или типов комет с учетом гравитационного воздействия всех планет, кроме Меркурия. Интегрирование велось с начальными условиями, отвечающими параметрам орбит трех типов комет: семейства Юпитера, 9P Tempel 1 и 10P Tempel 2. Соударению тела размером 1 км с планетой, при котором его перигелийное расстояние q становилось меньше большой полуоси орбиты планеты a, откуда определялись вероятности соударений PS всех N рассматриваемых тел за время TS.

В результате расчетов были получены оценки средней вероятности столкновения таких тел с Землей, Венерой и Марсом. Оказалось, что средняя величина вероятности соударения с Землей составляет 6.65 х 10-6 за время порядка миллиона лет. Это означает, что километровый объект может сталкиваться с Землей примерно каждые 500 тыс. лет. Средняя вероятность соударения с Венерой получалась примерно такой же, а с Марсом – втрое меньше. Один из каждых 300 объектов («царапающих Солнце») падает на наше светило. Множество таких погибающих комет в виде ярких вспышек наблюдалось, в частности, с помощью солнечного телескопа, установленного на европейской космической обсерватории «SOHO».

Моделирование привело к ряду важных выводов относительно характера миграции тел из пояса Койпера, первоначально захваченных на орбиту пересечения с орбитой Юпитера, внутрь Солнечной системы и времени их перехода в семейства Главного пояса и NEO. Прежде всего, достаточно высокая вероятность столкновений малых тел между собой и с планетами приводит к перманентному дроблению вещества и его транспорту в межпланетной среде, обеспечивая своего рода «обменные процессы», и может вызывать катастрофические последствия на временных интервалах порядка миллиона лет. Другим ключевым следствием модели является подтверждение важной роли комет как источника летучих в эволюции Земли, Венеры, Марса. Исходя из нижней оценки вероятности соударений с Землей (примерно 4 х 10-6) и оценки суммарной массы планетезималей, пересекавших орбиту Юпитера на стадии его формирования и ранней эволюции (около 100 М), получаем, что масса тел, столкнувшихся с Землей, достигала 0.0004 М. Предполагая далее, что тела, мигрирующее из пояса Койпера, примерно наполовину состоят из водяного льда, приходим к выводу, что масса воды, доставленная на Землю из зоны питания планет-гигантов, составила 2 × 1024 г, что почти в 1.5 раза больше массы воды в земных океанах. Приблизительно такие же объемы воды получили (в расчете на единицу массы) Венера и Марс. Подчеркнем, что этот важный вывод, который относится к известному периоду максимальной бомбардировки кометами тел Солнечной системы около 4 млрд. лет тому назад, согласуется с представлениями о существовании древних океанов на соседних с Землей планетах, потерянных в ходе их последующей эволюции: необратимого парникового эффекта на Венере и захоронения воды в криосфере Марса.

Полученные оценки доставки воды на Землю кометами, естественно, справедливы лишь по порядку величины, и мы далеки от утверждения, что такой источник был единственным. По-видимому, определенный вклад внесла дегазация недр, хотя, как уже упоминалось, захват и удержание летучих элементов в ближайших к Солнцу областях протопланетного диска проблематично. Определить относительную роль эндогенного и экзогенного источников в формировании атмосферы и гидросферы пока вряд ли возможно. Важно, однако, подчеркнуть, что оценка с погрешностью даже в два раза, а не на порядки величин – несомненное свидетельство реалистичности стохастической кометной модели. Ее ограничением служит отношение тяжелого изотопа водорода дейтерия D к водороду D/H, полученное по измерениям в кометах Хиякутаки и Хейла–Боппа, молекул H2O и молекул, в которых один атом водорода замещен дейтерием. Оно оказалось вдвое выше (3.3 х 10-4), чем в земных океанах, по сравнению со стандартным океаническим значением (Standard Mодел Ocean Water) D/H =1.6 х 10-4. Это вряд ли отвергает, однако, связь земной гидросферы с кометным источником. Дело в том, что отношение D/H относится к долгопериодическим кометам, по своему генезису значительно отличающееся от комет семейства Юпитера, с которыми связывается доставка летучих на планеты земной группы. В частности, обе группы могли формироваться в различных областях протопланетного диска при разных температурах, что должно было повлиять на отношение D/H. Упомянем также, что, согласно динамическим моделям, определенный вклад в массу воды земных океанов могли внести, помимо комет, гидратированные астероиды Главного пояса с более близким к земному отношением D/H.

Коснемся еще одной интригующей темы, непосредственно связанной с проблемой миграции. Можно предполагать, что транспорт вещества, включая его первичные формы, имеет самое непосредственное отношение не только к эволюции планет, но и к проблеме происхождения жизни как одной из альтернативных моделей ее зарождения на Земле. Здесь огромный интерес представляет миграция частиц межпланетной пыли. На основе численных расчетов миграции пыли с учетом, помимо гравитационных, ряда других эффектов, автором совместно с С.И. Ипатовым были получены оценки относительной доли кометных и транснептуновых частиц, содержащих около 10% летучих, в общем балансе пыли, выпадавшей на планеты земной группы. Оказалось, что, по сравнению с малыми телами, вклад пыли в приток летучих на планеты земной группы на 3 – 4 порядка меньше. Однако пылевые частицы могли быть наиболее эффективными с точки зрения доставки на Землю органического или даже биогенного вещества вследствие существенно меньшего аэродинамического нагрева при входе частички пыли в ее атмосферу с эллиптической орбиты под малыми углами атаки. Такое случайное и, на первый взгляд, незначительное экзогенное воздействие могло при благоприятных условиях вызвать раскачку изначально устойчивой природной системы, обусловленное принесенными зародышами примитивных форм жизни и ее последующим бурным развитием с колоссальным коэффициентом усиления, свойственным таким биологическим системам, как микроорганизмы. Это, в свою очередь, означает переход природной среды в новое устойчивое состояние, ассоциируемое с прообразом ранней биосферы Земли.

Как видим, проблема происхождения жизни связывается в последнее время с транспортом вещества внутри и вне пределов Солнечной системы и миграционно-столкновительными процессами, ключевую роль в которых, как показывают наши расчеты, играют кометы и, возможно, пылевые частицы. В согласии с этим подходом находится концепция академика А.С. Спирина, связывающего с кометами появление на Земле древнего мира РНК, ансамбли молекул которых могут быть самодостаточными как ассимилирующие, метаболизирующие, структурообразующие и реплицирующие системы, то есть могут быть прототипами живых систем. С развиваемых нами позиций стохастической динамики такие события есть не что иное, как порождение и следствие локальной неустойчивости в нелинейной хаотической системе с большим числом степеней свободы. Эволюцию такой системы следует рассматривать как последовательность изменения состояний (бифуркаций), приводящих к возникновению самоорганизации. Каждому новому состоянию системы отвечают иная совокупность и взаимодействие природных комплексов.

Другой подход, в основе которого также лежит самоорганизация в процессе предбиологической эволюции, но происходящей непосредственно на Земле, состоит в механизме последовательного химического упорядочения, ключевую роль в нем играет молекула аденозинтрифосфата (АТФ). В рамках данной модели, развиваемой академиком Э.М. Галимовым, нарастающая упорядоченность исходной (хаотической) системы состоит в последовательности бифуркаций, от появления примитивных полимерных структур и развития универсальной каталитической функции пептидов до возникновения нуклеотидных последовательностей, участвующих в синтезе белка, и генетического кода. Реализация данной модели требует обратной связи для перехода к новому уровню самоорганизации при участии естественного отбора, что является ее ключевой особенностью. Необходима также восстановительная среда в условиях раздельного существования атмосферы и гидросферы и обеспечения доступности и подвижности фосфатов, что в целом не противоречит существующим представлениям о природных условиях на Земле в период, с которым связывают возникновение первых примитивных форм жизни (примерно 3.8 млрд. лет назад). Так или иначе, выбор между альтернативными моделями зарождения жизни и биосферы непосредственно на Земле или с участием внешнего источника - одна их наиболее актуальных и интригующих проблем современного естествознания.

Уместно еще раз подчеркнуть важность и актуальность представлений стохастической динамики при исследовании природных сред и всего многообразия процессов, лежащих в основе их формирования, что мы попытались показать на примерах моделирования миграции малых тел и их взаимодействия с планетами. Изучая свое ближайшее космическое окружение, мы хотим не просто понять, как произошла Солнечная система, но и выяснить благодаря чему возникла ее устойчивая конфигурация, принципиально отличная от известных к настоящему времени планетных систем у других звезд - экзопланет. Необходимо также ответить на вопрос о том, что выделило Землю с ее уникальными природными условиями среди других планет земной группы, в первую очередь ее ближайших соседей, Венеры и Марса, и каковы пределы существующих регуляционных механизмов обратной связи на Земле, препятствующих неблагоприятным сценариям ее дальнейшей эволюции. Вызывает, в частности, озабоченность факт накопления негативных антропогенных воздействий на окружающую природную среду. Не приведет ли этот процесс к радикальному изменению условий и постепенному «сползанию» Земли на путь эволюции ее ближайшего аналога Венеры? С позиций стохастической динамики такой неблагоприятный сценарий можно ассоциировать с бифуркацией состояния природной среды как открытой нелинейной диссипативной системы. Другими словами, это пример неравновесной ситуации, в которой могут возникать диссипативные структуры и новый уровень самоорганизации. Ответ на этот и многие другие кардинальные вопросы эволюции природных комплексов призвана дать интеграция наук о Земле и планетах. Это поможет лучше понять настоящее, прошлое и будущее Земли на основе сравнительной планетологии. Одновременно это должно помочь решению кардинальных проблем планетной космогонии и, в частности, наложить значительно более жесткие ограничения на диапазон параметров, используемых при разработке модели происхождения и эволюции Солнечной системы и модели зарождения земной биосферы.

Автор предлагаемой вниманию читателей статьи – академик Михаил Яковлевич Маров – ведущий российский ученый в области изучения Солнечной системы, сравнительной планетологии, природных и космических сред. Ему принадлежат выдающиеся пионерские результаты исследований Венеры и Марса, которые получили мировое признание. М.Я. Маров выполнил первые в мире прямые измерения температуры и давления на поверхностях Венеры и Марса, провел исследования теплового режима Венеры, динамики ее атмосферы, структуры, состава и микрофизических свойств облаков. Он непосредственно участвовал в осуществлении программ «Луна», «Венера», «Вега», «Марс» и «Фобос».

Наряду с этим М.Я. Марову принадлежат глубокие теоретические исследования природных процессов на планетах земной группы. Его оригинальные методы моделирования природных и космических сред позволили разработать эволюционный подход к изучению Земли и планет. М.Я. Маров опубликовал более 220 научных работ, в том числе 12 монографий.

М.Я. Маров – лауреат Ленинской и Государственной премий СССР, лауреат Международной Галаберовской премии по астронавтике, академик Международной академии астронавтики. В последнее время он возглавляет Отдел космических исследований Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, является главным научным сотрудником Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН и профессором Международного космического университета. Свыше 25 лет он – главный редактор журнала РАН «Астрономический вестник. Исследования Солнечной системы».

28 июля 2008 г. М.Я. Марову исполнилось 75 лет. Редколлегия, редакция и авторский коллектив «Земли и Вселенной» поздравляют Михаила Яковлевича – большого друга нашего журнала – с замечательным юбилеем, желают ему еще много лет успешно трудиться на благо российской и мировой науки!


Источник: "Земля и Вселенная", 2008, №6

http://www.inauka.ru/astronomy/article97541/print.html

1   2

Похожие:

Природа малых тел и их миграция в солнечной системе iconСравнение оценок нелинейности в задачах построения доверительных областей движения малых тел Солнечной системы 1
Сравнение оценок нелинейности в задачах построения доверительных областей движения малых тел Солнечной системы1
Природа малых тел и их миграция в солнечной системе iconГеологическое и геохимическое проявление земли как планеты в солнечной системе и в млечном пути
Солнечной системы (§ 12). Энергетическая пространственная связь нашей планеты с Солнцем (§ 13, 14). Значение геологии для планетной...
Природа малых тел и их миграция в солнечной системе iconСравнительный анализ критериев родственности малых тел Солнечной системы
Характер поведения критериев оценивался по каталогам орбит метеорных тел различных метеорных потоков (Лирид, Персеид, Леонид, Орионид,...
Природа малых тел и их миграция в солнечной системе iconГлава фазовая функция блеска астероида
Пояс астероидов занимает особое место в Солнечной системе. Структура пояса астероидов, физическое состояние вещества малых планет...
Природа малых тел и их миграция в солнечной системе iconВ. Н. Жарков, В. И. Мороз
Солнечной системы планет, их спутников, малых тел (комет, астероидов). Особо следует выделить проблему построения теории образования...
Природа малых тел и их миграция в солнечной системе iconИнфракрасная спектрометрия Венеры и Марса с космических аппаратов
Работа выполнена в отделе Физики планет и малых тел Солнечной системы ики ран, является плановой и соответствует профилю ики ран
Природа малых тел и их миграция в солнечной системе iconИмпульс Импульс тел (количество движения)
...
Природа малых тел и их миграция в солнечной системе iconИсследования планет и малых тел Солнечной системы
В результате дополнительной обработки данных ик фурье-спектрометрии на борту Венеры-15, получены трехмерные поля термического ветра...
Природа малых тел и их миграция в солнечной системе iconГравитационное поле в системе многих тел
...
Природа малых тел и их миграция в солнечной системе iconЛекции о Солнечной системе
Солнечной системы, с использованием информации, полученной с помощью методов космонавтики. Рассмотрены планеты и их спутники, Главный...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org