Почему планеты и спутники в Солнечной системе выглядят так сильно по-разному, если они произошли из более или менее одного и того же вещества?

Эти вопросы можно разделить на две части; для планет и спутников.

Разнообразие планет частично отражает разнообразие химического состава протопланетного диска. Мы знаем, что ультрафиолетовое излучение солнца может диссоциировать сложные или даже очень простые молекулы; например, когда ультрафиолетовые лучи расщепляют молекулы воды, в результате образуются свободные атомы водорода и кислорода. Поскольку водород чрезвычайно легкий, его можно легко транспортировать потоком звездного ветра. Таким образом, вода, чтобы продолжить этот пример, если бы она находилась близко к солнцу, могла бы в конечном итоге диссоциировать и истощиться из области диска, но выше так называемой «линии снега».Ультрафиолетовое излучение Солнца было настолько слабым, что это не могло происходить так часто, и поэтому молекулы воды (которые очень тяжелы по сравнению с отдельными атомами водорода) оставались там. Это только объясняет дихотомию между внутренними и внешними планетами с точки зрения содержания воды, и даже тогда некоторые процессы (например, поздняя тяжелая бомбардировка ) могут добавить немного воды внутрь (как это произошло на Земле). Но это рассуждение справедливо не только для воды, углекислого газа, аммиака, метана и сотых долей различных молекул есть свои «линии замерзания». Ближе к солнцу углерод не может быть метаном — летучим газом, который быстро выталкивается наружу, но на некоторых десятых а.е. метан может оставаться в стабильных условиях и даже может конденсироваться в капли жидкости.

Все это только для того, чтобы сказать, что протопланетный диск НЕ был однородным с точки зрения химического состава и не был однородным с точки зрения плотности или давления. Термический и химический градиент в туманности обеспечивает некоторое разнообразие и сложность всей планетарной системы.

Вот красивая диаграмма, показывающая, как разные химические соединения могут конденсироваться при разных температурах и давлениях на протопланетном диске.

Кроме того, аккреция планетезималей происходит более энергично ближе к Солнцу (это означает, что разрывы могут происходить чаще и планетам трудно расти в больших размерах), в то время как во внешних регионах планеты могут регулярно увеличиваться в массе, поскольку столкновения с другими планетезималями происходят при более низкие относительные скорости (из-за того, что две одинаковые орбиты имеют разницу в периодах, которая становится больше, когда вы приближаетесь к Солнцу и, следовательно, больше относительные скорости). Это в сочетании с гравитационным взаимодействием протопланет и раннего диска ( см .и т.д...) допускают разные темпы аккреции и аккрецию материалов разного состава из того, что было найдено в исходном месте образования той или иной планетезимали. Это также помогает сохранять большое разнообразие планетарных масс.

Широкое разнообразие масс планет является отправной точкой для большего изменения, поскольку планеты развиваются во времени и отклоняются от своих начальных условий. Маленькая каменистая планета (Меркурий) может иметь меньше тепла, удерживаемого внутри, чем более крупная (Земля), из-за меньшей энергии, высвобождаемой при меньших скоростях аккреции. Таким образом, она может быстро остыть, и магнитосфера из-за расплавленной внутренней части не может возникнуть. Отсутствие магнитосферы позволяет заряженным частицам солнечного ветра разрушать атмосферу, распыляя. Вместо этого на такой планете, как Земля, большая масса привела к расплавлению внутренней части, которая, в свою очередь, породила магнитосферу, которая просуществовала миллиарды лет, на Марсе она существовала некоторое время, но теперь почти исчезла, поэтому атмосфера также была почти разрушена. На Земле наличие атмосферы приводит ко всякого рода химическим эрозиям и явлениям. Кроме того, его расплавленная внутренняя часть в сочетании с особенностями его химического состава и толщины коры допускают механизм, называемый тектоникой плит. Тектоника не может произойти на Венере, потому что кора не такая толстая (из-за другого состава) и, таким образом, она не распадается на плиты, а просто деформируется и складывается сложным поведением, уникальным для Венеры.

Также столкновения с планетезималями могут изменить будущую эволюцию подобных планет. Венера, вероятно, была очень похожа на Землю (похожая масса, очень похожий состав и не такие разные температуры, как можно было бы подумать), но их пути полностью разошлись, поскольку тектоника на Земле перерабатывала литосферу, а на Венере углекислый газ больше задерживался в результате парникового эффекта. и потому что у Земли было столкновение с другой планетой, у нас есть наша Луна, которая является механическим стабилизатором, в то время как случайное столкновение с Венерой (с другими прицельными параметрами) привело к чрезвычайно медленному вращению и длинным дням (но не лунам). Более длинные дни означают другую изоляцию, и это резко меняет климат планеты. На Марсе дни похожи на земные, но поскольку он меньше и атмосфера исчезла, многие вещи очень отличаются от земных. Также,

Чтобы увидеть, насколько разной может быть эволюция двух планетарных объектов, просто сделав их разной массы, взгляните на нашу Луну. Он имеет тот же химический состав (на самом деле это кусок Земли), он находится в основном на том же расстоянии от Солнца, что и Земля, он живет в той же межпланетной среде (такая же солнечная радиация, солнечный ветер, частота ударов и т. д.). .), и все же это совсем другое. Это все из-за массы! Луна не может удерживать большую атмосферу, как Земля, потому что у нее меньше гравитационного притяжения. Та же температура для нашей атмосферы там означает, что частицы легко достигают космической скорости и начинают улетучиваться из гравитационного колодца. Без атмосферы, без внутреннего тепла на Луне отсутствуют почти какие-либо виды эрозии за миллиарды лет эволюции. Процессы эрозии на Земле привели к резкому увеличению разнообразия геологических образований по сравнению с найденными на Луне. Даже в этом случае у Луны есть свои особенности и уникальные для нее динамические особенности.

Теперь мы приближаемся к вопросу о спутниках. На самом деле они должны выглядеть почти одинаково, так как сделаны из очень и очень похожего материала в очень похожих условиях. И действительно, мы считаем, что изначально луны были очень похожи (например, 4 галилеевых луны). Но Ио находится близко к Юпитеру, и другие спутники взаимодействуют с ним таким образом, что геологические процессы совершенно другие. Вода и летучие вещества быстро испарялись, поскольку нагревались приливными силами Юпитера. Эти приливные силы были не такими сильными на Европе, поскольку она находится дальше, поэтому она только растопила часть ледяной коры, создав ледяной аналог тектоники плит, который породил множество разнообразных образований. Спутники развиваются. Энцелад выпускает струи из-за приливных взаимодействий и орбитальных резонансов с другими спутниками. Некоторые луны, такие как Джапето, имеют двойную цветную поверхность из-за материала, распыленного Энцеладом, приземлившегося на одну из его сторон. Некоторые луны, такие как Тритон, не имеют ничего общего с другими, потому что они образовались в другом регионе Солнечной системы, а затем попали в ловушку гравитационного притяжения планеты (в данном случае Нептуна).

Как я уже говорил. Атмосферы (плотность, состав и давление) во многом зависят от массы планеты или Луны. Посмотрите на этот график:

Он показывает скорость молекул газа по отношению к температуре газа. При более высоких температурах молекулы газа движутся быстрее. У планеты с малой массой скорость убегания ниже, чем у планеты с большей массой. Таким образом, планета, расположенная ближе к Солнцу (с более высокой температурой), должна быть больше по размеру, если она хочет сохранить в своей атмосфере те же молекулы газа, что и планета, которая находится дальше (более холодная). Вы можете понять, почему земная атмосфера может захватывать и удерживать воду, кислород, углекислый газ, аммиак, метан, азот и другие газы, в то время как она не может улавливать водород и гелий (поскольку они легче и, следовательно, при той же температуре могут двигаться так же быстро, как необходимо для побега с Земли). Между тем, Луна, которая имеет то же тепло, что исходит от Солнца, как и Земля, поскольку она менее массивна, не может удерживать почти никаких газов (может быть, немного ксенона). Титан — огромная луна, поэтому он может удерживать много газообразных молекул, таких как азот и кислород (которые, в свою очередь, создают достаточно высокое давление, чтобы удерживать также летучие вещества, такие как метан, в жидкой форме на поверхности). Но почему у Ганимеда нет такой же атмосферы, как у Титана, если они в основном одного размера? Поскольку Ганимед находится ближе к Солнцу, более высокая температура означает, что молекулы движутся быстрее и поэтому легко избегают его притяжения.

Как видите, сложные процессы атмосфер луны или планеты меняют все (эрозия, процессы рециркуляции, химическая коррозия и т. д.), и, в свою очередь, это разнообразие атмосфер происходит от разнообразия масс и расстояний до Солнца.

Я думаю, что Солнечная система является хаотической системой, динамически, геологически, химически и т. д. Хаос означает, что при небольшой разнице в начальных условиях система будет развиваться в экспоненциально расходящихся различных состояниях. Планеты и луны могли начинаться как похожие объекты, но история и хаотическая динамика системы превратились в совершенно разные среды. Не только это, но правда в том, что планеты не были равными, но с самого начала были очень разными, так что представьте, как далеко Венера, чтобы стать Титаном, или Ио, чтобы стать Землей.

Также существуют процессы и условия, которые особенно хорошо подходят для дивергенции. Например: Земля очень динамична, а Марс, Венера, Меркурий, Луна и другие совершенно нет. Почему? потому что на Земле вода может существовать в 3 различных агрегатных состояниях. Мы можем найти жидкую воду, водяной пар и лед в разных регионах и временах года. И это потому, что Земля имеет среднюю температуру, и ее атмосфера имеет как раз то давление, которое позволяет это сделать. Земные условия очень близки к тройной точке воды (где сосуществуют все три состояния материи), поэтому на Земле существует круговорот воды, когда реки и ледники размывают ландшафт, а облака регулируют климат.

Марс, Венера, Меркурий — все имеют температуру и давление, при которых этого не может произойти не только с водой, но и со многими присутствующими в ней соединениями. Вы знаете, где это может произойти? На Плутоне! Это было очень удивительно, Плутон демонстрирует разнообразие рельефа и геологических особенностей, превосходящее все ожидания. Теперь мы знаем, что это связано с тем, что Плутон чрезвычайно динамичен (как и Земля), и может происходить множество эрозионных и геохимических процессов, но это не из-за воды (поскольку на Плутоне низкое давление и низкие температуры), а из-за азота и Неон! Оба элемента имеют свою тройную точку внутри диапазона условий Плутона, и поэтому на этой карликовой планете ожидаются неоновые реки, азотные ледники и дымка.

Это действительно интересный вопрос. Как невероятны законы природы, допускающие крайнее разнообразие даже между братьями. Интересно, как может быть планета вокруг любой другой звезды, наши упрощенные категории горячих юпитеров, мини-нептунов, супер-терр и т. д. настолько примитивны и ограничены. Какие чудеса ждут нас в этом сложном и многообразном космосе, выше нашего понимания.