АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2014, том 48, № 3, с. 234-256
УДК 523.44, 523.46-87, 523.681.2, 523.681.5
ФОРМА МАЛЫХ ТЕЛ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ © 2014 г. Е. Н. Слюта
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской Академии наук, Москва
Поступила в редакцию 07.06.2012 г.
После исправления 06.11.2012 г.
Рассмотрены морфометрические параметры фигуры фрагментов обыкновенных хондритов и железных метеоритов, а также каменных астероидов и С-типа, металлических астероидов и ледяных малых тел Солнечной системы. Показано, что все малые тела Солнечной системы в зависимости от состава и, соответственно, от физико-механических свойств, характеризуются своей собственной, характерной только для данного состава, формой. Менее прочные С-астероиды, прочность которых почти в три раза меньше прочности 8-астероидов, отличаются от последних меньшей вытянуто-стью. Систематического изменения морфометрических параметров в виде увеличения округлости или сферичности малых тел различного состава в зависимости от их массы не наблюдается, что указывает на несостоятельность гипотезы о крипе в малых телах Солнечной системы. Отсутствие крипа подтверждает, что все малые тела Солнечной системы независимо от их состава являются твердыми упругими телами, обладающими пределом прочности (пределом прочности на растяжение, пределом прочности на сжатие) и пределом текучести.
Б01: 10.7868/80320930X14030050
ВВЕДЕНИЕ
Гравитационная нагрузка в малых телах в виде девиаторных напряжений, обусловленных массой и неравновесной фигурой тел, постоянна и фактически существует с момента их образования (Б1уи;а, Уогораеу, 1997; Слюта, 2009; 2013). Изменение механических характеристик пород малых тел при длительном воздействии нагрузок, в том числе и ниже предела текучести, определяется их реологическими свойствами. Чем длительнее воздействие на породы гравитационной нагрузки, тем слабее становятся упругие свойства пород, уменьшается предел текучести и тем сильнее проявляются их пластические свойства. Явление постепенного роста деформации породы во времени при постоянном напряжении известно как ползучесть или крип (Ржевский, Новик, 1973). Внешне явление ползучести похоже на пластическое течение, но если последнее происходит только за пределами текучести, то ползучесть проявляется при длительной нагрузке и при напряжениях, не превышающих предел текучести. Первоначальные упругие деформации постепенно переходят в пластические, и в результате ползучести при постоянной деформации происходит постепенное снижение напряжений, т.е. релаксация.
Поскольку теоретически эквипотенциальной поверхностью гравитационного поля точечной массы является сфера, то неправильная фигура малого тела под действием крипа должна постепенно превратиться в шарообразную. Чем больше
масса малого тела одного и того же состава, тем выше девиаторные напряжения, ответственные за деформацию, тем ближе к шарообразной должна быть его фигура. Таким образом, если у малых тел отсутствует предел прочности и основным механизмом гравитационной деформации малых тел является крип, то характер перехода между малыми и планетными телами должен быть постепенным, т.е. должна наблюдаться постепенная релаксация фигуры малых тел в зависимости от времени и массы, — "Отношение между фигурой или высотой рельефа и размерами тела известного состава и прочности ... задача интересная, так как касается времени существования фигуры таких небольших объектов Солнечной системы, как астероиды и спутники" (Johnson, McGetchin, 1973).
Для оценки критического размера астероидов обычно использовалось уравнение гидростатического равновесия (P = pgh), на основе которого рассматривалась либо одна из двух, либо обе модели: (а) величина статической нагрузки в зависимости от прочности, плотности и размера тела; (б) скорость деформации тела в зависимости от вязкости материала, температуры и размера тела (Johnson, McGetchin, 1973; Симоненко, 1979; Farinella и др., 1982b; 1983; 1985). Оценки, полученные на основе уравнения гидростатического равновесия, соответствовали предположениям Л.Б. Личкова о постепенном переходе, — "Угловатость велика у метеоритов, слабее она у астероидов и становится ничтожной у планет, причем у малых планет она больше, чем у больших. Мягкоконтурность
форм возрастает с ростом величин агрегатов" (Личков, 1960; 1965). Частичная внутренняя релаксация также была очевидным следствием гидростатической модели и крипа, — "На астероидах поперечником даже в 300—400 км из-за малого "веса" камня ... явление текучести вовсе отсутствует, а на самых крупных астероидах оно происходит чрезвычайно медленно, да и то лишь в их недрах. ... Таким образом, "утрамбованы" силой тяжести могут быть лишь недра немногих крупнейших астероидов" (Симоненко, 1979).
Итак, природа сама поставила уникальный эксперимент, где в качестве пресса объемного сжатия служит гравитация, а в качестве исследуемых образцов представлены малые тела Солнечной системы различного состава и различной массы. Основная задача предлагаемой работы заключается лишь в том, чтобы представить результаты уже поставленного однажды эксперимента и подтвердить или опровергнуть состоятельность гипотезы о крипе в малых телах, а также оценить зависимость физико-механических свойств и формы малых тел от состава.
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРОЕНИЕ МАЛЫХ ТЕЛ
Классификация малых и планетных тел Солнечной системы в зависимости от задачи исследования и удобства применения может проводиться на разной основе, например, на основе типа орбиты (астероиды, кометы, планеты, спутники), на основе элементов орбиты, на основе формы и массы тел и наличия или отсутствия изостазии (малые и планетные тела), на основе разной формы оптических и ИК-спектров, на основе величины альбедо и т.д. Физико-механические свойства малых тел определяются, прежде всего, составом и структурой, т.е. внутренним строением. По своему валовому составу малые тела подразделяются на несколько основных типов — каменные (силикатные), ледяные и металлические. Конечно, как и силикатные, малые ледяные тела тоже различаются по своему детальному составу, например, состоящие преимущественно из водного льда (большинство ледяных тел в системах Юпитера и Сатурна), либо со значительной добавкой экзотических льдов (СО, СО2, CH3OH, CH4, H2CO и др., например, некоторые малые спутники планет-гигантов, кометы, койперовские объекты и др.). По своему строению или внутренней структуре малые тела также подразделяются на три основных типа — монолитные или когерентные (coherent), бинарные (contact binaries) и рыхлые (rubble pile) (Chauvineau и др., 1991; Behrend и др., 2006; Benner и др., 2006; Kwiatkowski и др., 2007; Kryszczyn-ska и др., 2009; Taylor, Margot, 2011). Когерентные или монолитные тела независимо от размеров состоят из одного консолидированного куска или
блока породы. Бинарные или многокомпонентные тела состоят из двух, а иногда — из трех или более (многокомпонентные системы — multiple systems) отдельных когерентных блоков, удерживающихся вместе силой притяжения.
Модель рыхлого тела (rubble pile), которая является крайним случаем многокомпонентной системы, представляет собой совокупность частиц или отдельных фрагментов, которые также удерживаются вместе только силой притяжения. Например, существует несколько моделей "рыхлого тела" для кометного ядра. В одном случае это фактически совокупность частиц межзвездной пыли (Asphaug, Benz, 1994; Solem, 1994; Richardson и др., 1995). Подобная модель с экстремальной низкой плотностью представляет собой сильно разряженный рой частиц (Rettig и др., 1994). Либо это может быть совокупность фрагментов (например, кометезималей) самого разного размера, из которых состоит кометное ядро (Weiss-man, 1986; Scotti, Melosh, 1993; Weidenschilling, 1994) и которые также удерживаются вместе только силой притяжения. Модель "рыхлого тела" предполагает полное отсутствие каких-либо коге-зионных сил сцепления между строительными элементами. Прочность этих тел определяется только силой притяжения. Для малых тел с относительно небольшой массой это означает полное отсутствие прочности (Asphaug, Benz, 1996). Например, усилие, необходимое для разделения двух небольших совокупностей частиц (комете-зималей), удерживаемых вместе под действием собственного притяжения, не превышает 8.4 х х 10-5 кПа (Sin-iti, Greenberg, 2000). Но детальный анализ наблюдаемых, экспериментальных и аналитических данных показал, что предел прочности на растяжение кометного вещества и в целом кометных ядер является величиной вполне различимой, не зависит от массы, составляет около 2 кПа и преимущественно обусловлен когезией (силами Ван дер Ваальса) (Слюта, 2009).
Некоторые астероиды, например 39 Laetitia, 45 Eugenia, 107 Camilla, 25143 Itokawa и др., также, по-видимому, представляют собой рыхлые тела (Farinella и др., 1981; 1982a; Fujiwara и др., 2006), т.е. сложены не монолитными породами, а обломками различных размеров. Наблюдаемая слабая корреляция между отношением полуосей и частотой вращения астероидов может объясняться некоторым уплощением и вытянутостью такого тела вследствие центробежных сил при достаточно высокой скорости вращения (Magnuson идр., 1989; Harris, Pravec, 2006). Это возможно, например, в результате раскручивания небольших астероидов диаметром до 5—10 км под действием YORP-эффекта (Rubincam, 2000; Broz и др., 2006). В целом же форма рыхлых астероидов далека от формы эллипсоида вращения (сфероида Макла-рена) (Holsapple, 2001; 2004; Harris и др., 2009),
которую они должны были бы иметь в полном соответствии с теорией гравитирующей несжимаемой вязкой жидкости (Chandrasekhar, 1969), если бы не обладали некоторой прочностью, обусловленной в том числе и когезией (Holsapple, 2004; 2007; Scheeres и др., 2010). При режимах приливного воздействия или вращения, близких к критическим, может лишь происходить "приливная сальтация" или левитация, т.е. перемещение частиц или фрагментов по поверхности, иногда с возможным их отрывом и образованием пылевого орбитального облака (Harris и др., 2009).
Прочность рыхлых тел о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.