Планетолог предлагает альтернативную теорию о том, что скрывается под поверхностью Урана и Нептуна
Модели внутренних структур ледяных планет-гигантов Урана и Нептуна содержат два различных промежуточных слоя: верхний, богатый водой конвективный слой, в котором генерируются неорганизованные магнитные поля, и нижний, неконвективный слой, богатый углеводородами. Новое компьютерное моделирование показывает, что ледяные материалы естественным образом разделяются при высоком давлении и температуре на эти два слоя. Автор: Буркхард Милитцер, Калифорнийский университет в Беркли
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 чуть ниже облачных слоев 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 атмосферы. глубокий интерьер.
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".
Плане́та (греч. πλανήτης, альтернати́вная фо́рма др.-греч. πλάνης — «странник») — это небесное тело, вращающееся по орбите вокруг звезды или её остатков, достаточно массивное, чтобы стать округлым под действием собственной гравитации, но недостаточно массивное для начала термоядерной реакции, и сумевшее очистить окрестности своей орбиты от планетезималей[a].
Термин «планета» — древний и имеет связи с историей, наукой, мифологией и религией. Википедия
Читайте также:Крупное обновление усилит игру Star Wars The Old RepublicВ новых роликах Exodus Мэттью Макконахи делится историями о боевых медведяхTSMC борется с полем для гольфа за строительство завода по производству 2-нм чиповИгра на выживание с атмосферой «Планеты обезьян»Релиз стратегии Beyond These Stars, в которой нужно выживать на спине кита, перенесли на 2025 год
Конвекция приводит к возникновению магнитных полей
Когда 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 состоят 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.
Богатый — топоним: Богатый — хутор в Новооскольсковском районе Белгородской области, Россия. Богатый — хутор в Шпаковском районе Ставропольского края, Россия. Богатый — посёлок в Чернском районе Тульской области, Россия. Богатый — остров в Баренцевом море. Википедия
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 равно размеру Марса.
Он надеется сотрудничать 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.
Подробнее: Буркхард Милитцер и др., Фазовое разделение планетарных льдов объясняет недиполярные магнитные поля Урана и Нептуна, Труды Национальной академии наук (2024). DOI: 10.1073/pnas.2403981121
Источник: University of California - Berkeley
0 комментариев