Гелиевый дождь назвали причиной «молодости» Сатурна

Резкое изменение свойств водорода при повышении давления ведет к тому, что гелий начинает отделяться от него и выпадать дождем.

Изображение: Jonathan DuBois

Эксперимент над жидким дейтерием позволил ученым разобраться в процессах, ведущих в выпадению гелиевого дождя на Сатурне. Предположительно именно они отвечают за аномальное тепло во внутренних областях планеты. Соответствующее исследование опубликовано в Science, кратко о нем пишут на сайте Национальных лабораторий Сандии.

Группа исследователей во главе с Маркусом Кнудсоном (Marcus Knudson) из Национальных лабораторий Сандии решила воспроизвести условия, в которых находится водород в недрах Сатурна. Для этого небольшое количество дейтерия обстреляли алюминиевой пластинкой массой около 2 грамм, разогнанной до скорости в 27 километров в секунду. Когда пластинка попадала в образец, внутри него создавалось высокое давление без излишнего повышения температуры. В результате эксперимента выяснилось, что уже при давлении в 3 миллиона атмосфер и сжатии жидкого дейтерия в 12 раз по сравнению с первоначальным объемом, этот изотоп водорода внезапно перешел от состояния молекулярной жидкости-диэлектрика к состоянию атомной жидкости-проводника. Поскольку прямые измерения его электрических свойств в условиях эксперимента были затруднительны, переход сжатого водорода к металлическим свойствам был зафиксирован оптически. Из изолятора с почти нулевым отражением видимого света, дейтерий стал металлом, приобретя при этом коэффициент отражения в 45%.

Для эксперимента было важно уплотнить водород без чрезмерного нагрева, что и обеспечил обстрел пластинкой. Чтобы разогнать ее до нужных скоростей, использовалась Z-машина, установка, обычно применяемая для изучения управляемого термоядерного синтеза. На нее на очень короткое время (менее 100 наносекунд) выдавался электрический ток до 20 миллионов ампер. Импульс подавался на несколько десятков тонких вольфрамовых проволочек, последние почти мгновенно испарялись, превращаясь в плазму. Электрический импульс при этом создавал сильное магнитное поле в электропроводящей плазме, обеспечивая разгонявший пластину пинч-эффект, в природных условиях наблюдаемый в молниях.

Исследователи предполагают, что точное определение условий перехода жидкого водорода к проводящему состоянию может существенно изменить наше представление о процессах, происходящих внутри планет–гигантов. После плотной газовой оболочки Сатурна, еще до его твердого слоя металлического водорода, возникает слой, где гелий из атмосферы соприкасается с жидким водородом, по своим параметром близким к тому, что был получен в эксперименте. До перехода водорода в такую форму он и гелий могут свободно смешиваться. Однако, когда водород уже становится проводником, гелий им еще не является, поэтому он начинает отделяться от водорода, конденсируясь в виде капель. Предположительно, в слое перехода к металлическому водороду внутри Сатурна идет гелиевый дождь.

Подобное явление должно резко менять тепловой баланс планеты. По мере его выпадения в виде осадков, потенциальная энергия капель гелия из-за трения должна переходить в тепловую, дополнительно разогревая недра Сатурна. Сейчас в атмосфере Сатурна гелия примерно втрое меньше, чем в юпитерианской, что ранее порождало предположение о том, что гелиевые дожди на этой планете несколько интенсивнее.

Молодые планеты сразу после своего формирования сильно разогреты и по мере старения охлаждаются, но в случае с Сатурном это происходит так медленно, что по стандартным моделям ему должно быть лишь 2,5 миллиарда лет (на 2 миллиарда лет меньше, чем Юпитеру). В частности, энергия, которую Сатурн излучает в космос, в 2,5 раза больше энергии, которую он получает от Солнца (последняя, в свою очередь, в сто раз меньше, чем для Земли). На данный момент не вполне ясно, как именно генерируется этот избыток тепловой энергии, и почему для Юпитера, во многом схожего с Сатурном, такая ситуация не наблюдается.


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.