Формирование звёзд и планет с точки зрения школьной физики. Детальный алгоритм рождения звёзд и появления планет, и следствия из него - страница 6

Тут придётся решить элементарную для 8 класса задачку, и вывести формулу скорости диффузии частиц разных атомов в газовой среде. Формула оказывается проста v= (k-1) *a*t, и расшифровывается как – устоявшаяся скорость оседания в гравитационном поле (v) равна произведению ускорения свободного падения (a) на среднее время между столкновениями (t) и на отношение массы частицы к средней молекулярной массе газа за вычетом единицы (k-1). Причём формула эта работает не только для отдельных молекул, но и для крупных частиц, состоящих даже из миллионов молекул. Только в последнем случае надо помнить, что чем крупнее частица, тем больше её поперечный размер, тем чаще будут происходить соударения. Но если принять, что частица состоит из N молекул, имеющих по отдельности коэффициент k, и частица приблизительно круглая, то получается что K (частицы) =N*k, а вот T=t/N^ (2/3), и тогда для крупной частицы v≈k*a*t*N^ (1/3)

Зачем это всё понадобилось? А вот зачем. Сперва посмотрим, что происходит на границе нашего облака радиусом порядка 500АЕ. Ускорение нам известно – порядка 10^-7, так же знаем характерное время t=1—100сек, и известна средняя молекулярная масса газа – около 2.8 (75% уже молекулярного а не атомарного водорода, и 25% гелия). И в этих условиях посмотрим к примеру на атом урана – вне зависимости от того, в составе какой молекулы он находится, его коэффициент К порядка 100, а значит средняя скорость диффузии в толще газа порядка долей миллиметра в секунду, или около 1—10 километров в год (год ≈ 30 миллионов секунд). До центра облака ему падать с такой скоростью десятки миллиардов лет. Но есть транспорт и побыстрее.

В исходном составе облака помимо самого водорода и гелия присутствуют в основном гидриды всех элементов, которые обычно похожи на простые шарики, или симметричные эллипсоиды, но помимо этого в ощутимых количествах имеются и молекулы с дипольными свойствами, в основном это обычная вода – чуть меньше чем 1 молекула из 1200 (или 1% всей массы), а так же встречаются и иные, например гидрид лития. А свойства воды нам всем хорошо известны с детства – зимой в воздухе она великолепно переходит из состояния пара в состояние снежинок, которые весьма быстро засыпают землю даже метровыми сугробами. А в вакууме, согласно справочникам, молекулы воды начинают слипаться при температуре около 200°К (-70°С).

Значит, чисто теоретически, при низкой температуре молекулы воды в вакууме должны превращаться в лёд, но вопрос – произойдёт ли это практически? Точного ответа на этот вопрос найти не удалось, возможно, что таких исследований пока что и вовсе не производилось, но зато вот что удалось найти. Плотность обычного земного воздуха колеблется от 1150гр/м^3 при температуре +30°С, до 1400 гр/м^3 при -20°С. А 100% влажность воздуха означает наличие в нём воды в количестве от 83 гр/м^3 при +50°С, до 0.6 гр/м^3 при -25°С. Понятие 100% влажности – это то количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе без спонтанного его перехода в капли росы или кристаллы льда. Таким образом, при нормальном давлении в 1 атмосферу, в килограмме воздуха (это меньше кубометра) может содержаться от 72гр воды при температуре +50°С, до всего лишь 0.5гр при -25°С≈250°К. При ещё более низких температурах – ещё меньше. Но наша задача стоит – оценить уровень 100% влажности водорода в космосе, при температуре 10—100°К и почти в вакууме. Про растворение воды в водороде, а не в воздухе – ничего найти не удалось, но точно известно, что при столь низких температурах (100°К=-173°С) оно должно быть крайне низким, а значит значение порядка 0.5гр/кг, или иначе 1/2000 часть, взятое от воздуха при -25°С, должно оказаться либо похожим на реальное, либо даже чрезвычайно завышенным, но никак не заниженным. Теперь сравниваем это значение с нашими исходными данными, 851 атом кислорода, превратившийся в 851 молекулу воды, на миллион атомов водорода, и получаем, что у нас концентрация воды около 1.5% по массе, что более чем в 30 раз превышает уровень 100% влажности, составляющий по примерной оценке 1/2000 часть. А это и означает, что молекулы воды неизбежно должны группироваться в кристаллы льда.