Історія атмосфери Землі: фізики розповіли, як землеподобні планети втрачають газову оболонку

12 жовтня 2020 | 12:40
Історія атмосфери Землі: фізики розповіли, як землеподобні планети втрачають газову оболонку - фото 1

Фізики провели 259 тривимірних симуляцій зіткнення пари твердих планетоподобні тел навколоземній маси і отримали функцію, яка наближено пов'язує параметри таких зіткнень з часткою втрачається атмосфери. За словами авторів, цей результат можна буде вбудовувати в моделі утворення планет і використовувати для аналізу сценаріїв ударного формування Місяця на основі даних про історію атмосфери Землі.

Робота опублікована в The Astrophysical Journal Letters.

Вважається, що землеподобні планети утворюються з десятків планетезималей, які народжуються з протопланетного диска і стикаються один з одним. Одне з таких зіткнень, зокрема, могло призвести до утворення Місяця з молодої Землі і гіпотетичної планети Тейя.

Серед наслідків зіткнень можна виділити втрату газової оболонки (повну або часткову) небесного тіла - це подія може вплинути на підсумковий склад атмосфери планети і, імовірно, частково пояснити спостерігаються відмінності в складах атмосфер схожих планет в одній і тій же системі. Проте характер такого впливу остаточно не вивчений - до недавнього часу дослідження в основному зупинялися на одновимірних моделях, які, крім того, обмежувалися лобовим зіткненням або розглядали занадто мале число сценаріїв для побудови прогнозів в широкому діапазоні параметрів.

Вчені з Великобританії і США під керівництвом Джейкоба Кегеррейса (Jacob Kegerreis) з англійської Інституту обчислювальної космології змоделювали зіткнення, подібні до того, в якому могла утворитися Місяць, і простежили за впливом таких ударів на втрату атмосфери. В якості мети і налітає тіла виступали кулясті об'єкти, що містять залізне ядро ​​(на яке припадало 30 відсотків маси) і мантію з гірських порід (несучу інші 70 відсотків маси). У деяких симуляції також брали участь однорідні тіла (повністю залізні або кам'янисті).

Об'єкт-мета (а в ряді випадків і налітав тіло) додатково володів атмосферою, маса якої становила соту частку від загальної маси ядра і мантії. Для аналізу поведінки атмосфери з високою роздільною здатністю вчені використовували тривимірні симуляції з високою роздільною здатністю на основі рівнянь гравітації і гідродинаміки. У них брало участь по 10 мільйонів атмосферних частинок в розрахунку на одну масу Землі в випадках з великими масами стикаються тел і на 10-0,5 (близько 0,316) мас Землі - у випадках з менш масивними учасниками зіткнення.

Всього дослідники провели 259 симуляцій, які розділили на основні три групи. У першому наборі сценаріїв маса мети і налітає об'єкта змінювалися в діапазоні 10-1,25-100,25 (тобто 0,056-1,778) мас Землі. За швидкістю випадки ділилися на повільні - в них відносна швидкість налітаючого тіла дорівнювала взаємної другої космічної швидкості системи (тобто тієї, яка необхідна кожному з тіл, щоб подолати тяжіння іншого), і швидкі - в них налітали тіло рухалося втричі швидше. Крім того, вчені моделювали ситуації лобового зіткнення - коли налітав тіло рухалося у напрямку на центр цілі, і зачіпає, в якому прицільний параметр становив частку в 0,7 від суми радіусів тел.

У другій групі симуляцій для підмножини пар мета-налітав тіло фізики докладніше досліджували залежність результату від відносної швидкості налітає тіла (були додані сценарії з проміжним значенням, в яких вона вдвічі перевищувала взаємну другу космічну швидкість) і від прицільного параметра (додатково до 0 і 70 відсоткам досліджувалися значення в 30, 50 і 90 відсотків від суми радіусів).

У третьому наборі сценаріїв при фіксованих масі цілі (одна маса Землі), прицільний параметр (70 відсотків суми радіусів) і швидкості (потроєна взаємна друга космічна) автори замінювали один або обидва об'єкти на однорідні (повністю кам'яні або повністю залізні) тіла такої ж маси.

За підсумками кожного з симуляцій автори обчислювали частку атмосфери, яку небесне тіло втрачає в результаті зіткнення, а потім досліджували залежність цього числа від мінялися параметрів моделі - прицільного параметра, швидкості налітає тіла, мас і густин мети і налітає тіла.

В результаті вчені змогли приблизно уявити втрачену частку атмосфери у вигляді статечної функції, яка залежить від ставлення швидкості налітає тіла до другої космічної швидкості, відносини маси налітаючого тіла до повної масі системи, відносини щільності тіл і частки взаємодіє (безпосередньо бере участь в зіткненні) маси, що залежить від прицільного параметра. За словами авторів, в майбутніх дослідженнях виявлені закономірності можна буде вбудовувати в вже існуючі моделі формування планет.

Крім того, фізики відзначили, що в найбільш близьких до різних версій освіти Місяця сценаріях протоземля могла втратити близько 10-60 відсотків атмосфери. Надалі за допомогою цих прогнозів, ймовірно, можна буде уточнити моделі формування супутника на основі даних про історію земної атмосфери.

Раніше повідомлялося, що вчені емпірично перевірили можливість виявлення багатоклітинного життя виходячи з даних про альбедо в низькій роздільній здатності.

Пандемія коронавірусу: в МОЗ назвали три області з найвищими показниками захворюваності
27 листопада 2020
Гранатомети, кулемети і артилерійські снаряди: в центрі Києва виявили схованку зі зброєю - відео
27 листопада 2020
Держбюджет-2021: проект до другого читання надійшов у Раду
27 листопада 2020
Підтримка бізнесу: в Раді зареєстрований законопроект про виділення коштів з COVID-фонду
27 листопада 2020
Купила вертолітний майданчик Януковича: АМКУ оштрафував мати нардепа
27 листопада 2020
Україна приєдналися до санкцій Євросоюзу проти «Ісламської держави» та аль-Каїди
27 листопада 2020