WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


1 Электронный научно-информационный журнал «Вестник Отделения наук о Земле РАН» №1(22)2004 URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2004/informbul-1/planet-17.pdf URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2004/informbul-1/planet-17.pdf РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЛЬДА И ВОДЫ В КАЛЛИСТО ПО ГЕОФИЗИЧЕСКИМ ДАННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЛЬДА И ВОДЫ В КАЛЛИСТО ПО ГЕОФИЗИЧЕСКИМ ДАННЫМ Кронрод В.А. (ГЕОХИ РАН), Кусков О.Л. (ГЕОХИ РАН) Fax: (095) 938-20-54, (095) 137-86-14 kuskov@geokhi.ru Ключевые слова: космохимия, хондриты, Галилеевы спутники, Каллисто, водный океан Ключевые слова: к Спутник Юпитера Каллисто по размерам сравним с Меркурием, его средняя плотность (1.8344 г см-3) наименьшая среди Галилеевых спутников. Низкая плотность Каллисто указывает на то, что спутник состоит из смеси льдов Н2О и каменного или точнее железокаменного материала в примерно равной пропорции. Под железокаменной компонентой здесь и далее понимается смесь силикатов, гидросиликатов и сульфида железа (Fe-FeS сплав).

лед вода каменно-ледяная область железокаменное ядро Рис. 1. Схема внутреннего строения Каллисто Один из нерешенных вопросов в строении Каллисто - возможность существования глобального водного слоя (океана) под ледяной корой. Недавние исследования наведенного магнитного поля Каллисто зондом “Галилео” говорят в пользу гипотезы существования океана. Возмущения магнитного поля могут быть связаны с конвективными движениями в проводящем слое океанической воды [1].

Цель настоящей работы заключается в исследовании основных структурных параметров внутреннего строения Каллисто. Конкретные задачи включают: 1) изучение степени дифференциации спутника; 2) определение мощности и агрегатного состояния водно-ледяной оболочки;

3) определение концентрации льда в мантии и суммарной концентрации льда в спутнике; 4) поиск ограничений на распределение плотности в мантии, на максимальные и минимальные размеры железокаменного ядра. В качестве опорной информации использованы ограничения на массу и момент инерции спутника [2], геохимические данные по составу метеоритов, а также термодинамические данные по уравнениям состояния воды, льдов высокого давления и вещества обыкновенных L/LL- хондритов в системе Na2O-TiO2-CaO-FeO-MgO-Al2O3-SiO2-Fe-FeS (силикатов/ гидросиликатов и Fe-FeS сплава). Для определения плотности мантии использовался программный комплекс THERMOSEISM [3]. При моделировании строения внешней оболочки принято, что теплоперенос в ледяной коре осуществляется посредством теплопроводности [4, 5].

Мы использовали шестислойную модель Каллисто, включающую ледяную кору, водный океан, трехслойную каменно-ледяную мантию и железокаменное ядро. Модель описывается системой уравнений, включающей уравнения момента и массы, гидростатического равновесия, уравнения состояния, уравнения теплопереноса. Плотность мантии и радиус ядра находятся методом Монте-Карло.

Концентрация ледяной компоненты в каждом i-том резервуаре мантии определяется по уравнениям:

ice - Si Ci,ice =[ (Fe - )]i (Fe-Si - ice) Сi+1,ice < Сi Здесь i.Fe-Si, i,ice,, Сi,ice плотность железокаменной компоненты, плотность льда, плотность смеси льда и железокаменной компоненты, массовая концентрация льда. Концентрация льда не может возрастать с глубиной, так как более тяжелая железокаменная компонента может двигаться относительно льда только к центру спутника. Мы предполагаем, что реология льда неньютоновская. В этом случае по оценкам [5] в ледяной коре отсутствует конвекция. Распределение температуры в слое льда-I описывается уравнением теплопроводности. В водном океане и льдах высокого давления предполагается конвективный теплоперенос, профиль температуры идет по адиабате [4].

Модель внутреннего строения Каллисто приведена на Рис. 2. Максимальная мощность водно-ледяного слоя 315 км. Радиус железокаменного ядра может находиться в интервале 0-км, для модели с жидким слоем всего несколько километров R(Fe-Si-core)=0-950 км. Вышеприведенные оценки получены без ограничений на тепловой поток из Каллисто. Определены геофизически допустимые концентрации льда в мантии Каллисто (Рис.3). Концентрация льда становится почти постоянной по глубине (40 мас.%) при мощности водно-ледяного слоя 300-км.

лед вода каменно-ледяная мантия железокаменное ядро 140 150 160 Мощность ледяной оболочки, км Рис. 2. Внутреннее строение Каллисто с внутренним океаном: толщина ледяной литосферы находится в интервале 135-150 км, толщина водного слоя составляет 120 - 180 км, а общая мощность водно-ледяной оболочки ~270-315 км. 1 - максимальные размеры железокаменного ядра. Сплошная линия - плотность железокаменной компоненты Fe-Si = 3.62 г/см3, штриховая - 3.15 г/см3. 2 - минимальные размеры ядра. Вертикальная линия соответствует мощности ледяной коры 150 км. В области 135-150 км тепловые потоки из Каллисто находятся в интервале F=3.3-3.мВт/м2.

3.0 3.2 3.4 3.6 3.Плотность железокаменной 0 100 200 компоненты, г см -Мощность ледяной оболочки, км Рис. 3. Область допустимых значений концен- Рис. 4. Валовая концентрация Н2О в Каллисто.

траций льда Н2О в среднем (штриховая линия) Сплошная линия – концентрация Н2О в каменнои нижнем (сплошная линия) резервуарах ка- ледяной мантии + водно-ледяная оболочка. Пункменно-ледяной мантии Каллисто. тирная – то же самое, но с учетом химически связанной Н2О в водосодержащих минералах.

Радиус Каллисто, км в Каллисто, мас % Концентрация H O Концентрация льда, мас % Модели с постоянной концентрацией льдов в каменно-ледяной мантии Каллисто реализуются во всем диапазоне мощности водно-ледяной оболочки. С учетом химически связанной Н2О в водосодержащих минералах суммарная концентрация Н2О в Каллисто оценивается в интервале 49-54 мас.%, рис. 4. Построена модель водно-ледяной оболочки на основе модели теплопереноса и фазовой диаграммы льдов высокого давления. Вода находится в жидкой фазе, если тепловой поток больше, чем 2 мВ/м2.

40 80 120 160 200 130 140 150 160 170 Мощность льда-I, км H, км ice Рис. 5. Мощность ледяной коры из льда-I в зави- Рис. 6. Зависимость мощности водно-ледяной симости от теплового потока с поверхности Кал- оболочки Каллисто (лед - I + вода) от мощности листо. Штриховая линия – температура поверхно- коры из льда-I. Символами обозначают фиксирости 100 К, сплошная – 130 К. ванные значения теплового потока F через ледяную кору и температуры Т1 на поверхности. Светлый квадрат - F=3.3 мВт/м2, Т1=112 К; темный квадрат - F=3.3 мВт/м2, Т1=100 К; крест - F=2.мВт/м2, Т1=100 К.

Оценки теплового потока от радиогенных источников дают величину 3.3 - 3.9 мВ/ м2. Нами была определена максимальная величина теплового потока в 3.7 мВ/м2. В этом случае величина теплового потока из Каллисто при наличии водного океана находится в узком интервале 3.3 - 3.7 мВ/м2. Зависимость теплового потока от мощности ледяной коры показана на рис. 5.

Мощность водно-ледяной оболочки непосредственно зависит от теплового потока или от мощности ледяной коры. Если тепловой поток находится в интервале 3.3-3.7 мВ/м, мощность водно-ледяной оболочки составляет 270-315 км. На рис. 6 показана зависимость мощности водно-ледяного слоя от мощности ледяной оболочки. При толщине водно-ледяной оболочки 270315 км мощность ледяной коры составляет 135-150 км, мощность внутреннего океана – 120-км. Для этой модели радиус железокаменного ядра не превышает 600 км.

.

Заключение Рассмотрены возможные модели строения Каллисто. Показано, что однослойная модель Каллисто с постоянной концентрацией льда от поверхности до центра, равно как и двухслойная модель спутника, дифференцированного на ледяную (водно-ледяную) оболочку и железокаменное ядро, не реализуются. Возможны модели с ледяной оболочкой мощностью вплоть до 315 км и железокаменным ядром с радиусом вплоть до 1120-1280 км в различных сочетаниях с каменно-ледяной мантией. Модели с постоянной концентрацией льдов в каменно-ледяной мантии Каллисто реализуются во всем диапазоне мощности водно-ледяной оболочки. С учетом химически связанной Н2О в водосодержащих минералах суммарная концентрация Н2О в Каллисто оценивается в интервале 49-54 мас.%. Для моделей с кондуктивным механизмом теплопереноса в слое льда-I исследованы сценарии строения Каллисто с внутренним океаном. Показано, что для современного теплового потока F=3.3-3.7 мВт/м2, соответствующего ожидаемому от радиогенных источников тепла, полная мощность водно-ледяной оболочки составляет 270315 км, ледяного покрова - 135-150 км, а толщина подстилающего водного слоя ~120-180 км.

Для этой модели размеры железокаменного ядра не превышают 500-600 км, концентрация льда F, мВт / м Мощность водно ледяной оболочки, км в каменно-ледяной мантии постоянна по глубине и составляет 40 мас.%.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты № 03-05-64413, № 04-05-64867) и гранта по программе фундаментальных исследований Президиума РАН № 25) Литература 1. Zimmer C. et al., Subsurface oceans on Europe and Callisto // Icarus. 2000. V. 147. PP. 329-347.

2. Anderson J.D. et al., Shape, mean radius, gravity field, and interior structure of Callisto // Icarus, 2001. V.153. PP. 157-157.

3. Kuskov O.L., Kronrod V.A. Core sizes and internal structure of the Earth's and Jupiter's satellites // Icarus. 2001. V.151. PP. 204-227.

4. Kronrod V.A., Kuskov O.L. Chemical differentiation of the Galilean satellites of Jupiter: 1. An internal structure of Callisto's water-ice shell // Geokhimia. 2003. № 9. PP. 968-983. (Geochem. Intern. 2003. V. 41).

5. Ruiz J. The stability against freezing of an internal liquid-water ocean in Callisto // Nature. 2001. V.

412. PP. 409-411.

Вестник Отделения наук о Земле РАН - №1(22)Информационный бюллетень Ежегодного семинара по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии 2004 года (ЕСЭМПГ-2004) URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2004/informbul-1/planet-17.pdf Опубликовано 1 июля 2004 г © Вестник Отделения наук о Земле РАН, 1997 (год основания), При полном или частичном использовании материалов публикаций журнала, ссылка на "Вестник Отделения наук о Земле РАН" обязательна











© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.