凝聚式過濾器工作原理

假定具有宇宙豐度的均勻太陽星云最初溫度很高，其中的物質(zhì)完全處于氣體狀態(tài)。伴隨星云冷卻，元素按其化合物或自身的難熔程度依次凝聚。

在拉里莫(J.W.Larimer)和安德斯(E. Anders)的熱凝聚模型中，討論了兩種極端情況:

①快冷卻，各種物質(zhì)隨溫度降低而依次凝聚，固相與氣相之間沒有擴(kuò)散平衡，是純?cè)睾突衔锏哪?

②慢冷卻，凝聚物之間以及氣體-凝聚物之間完全擴(kuò)散平衡，可形成合金和固熔體。實(shí)際凝聚情況介于快冷卻和慢冷卻之間。

按溫度降低順序，太陽星云的化學(xué)演化可劃分為幾個(gè)階段:

①難熔物的凝聚和分餾;

②金屬-硅酸鹽分餾;

③揮發(fā)物分餾，各種隕石中揮發(fā)成分的差異反映它們形成前溫度、壓力的不同。

巴謝(S.S.Barshay)和劉易斯(J.S.Lewis)用化學(xué)熱力學(xué)原理研究了星云凝聚過程中的化學(xué)反應(yīng)和行星的化學(xué)成分，討論了氣體凝聚過程的兩種極端情況:

①平衡凝聚模型，溫度下降緩慢，氣體與疑聚物之間以及凝聚物之間在熱力學(xué)平衡條件下發(fā)生反應(yīng)，凝聚物成分只同當(dāng)時(shí)星云的溫度、壓力及化學(xué)成分(或者說是熱力學(xué)的"態(tài)函數(shù)")有關(guān)，而同過去的熱歷史無關(guān);

②非平衡凝聚模型，冷卻凝聚進(jìn)行得很快，氣體與凝聚物之間，甚至凝聚物之間不發(fā)生反應(yīng)，凝聚物依次很快地被吸積到星體上，導(dǎo)致星體上形成由不同凝聚物構(gòu)成的洋蔥狀層次結(jié)構(gòu)。

兩種模型的凝聚過程和生成物不同。一般認(rèn)為，難熔物可能是平衡凝聚產(chǎn)物，大多數(shù)揮發(fā)物是非平衡凝聚產(chǎn)物。平衡凝聚模型能較好地說明類地行星的密度和化學(xué)成分。 表示太陽星云的一些平衡凝聚物的穩(wěn)定范圍。圖中各曲線間的區(qū)域表示相應(yīng)凝聚物的穩(wěn)定范圍,曲線旁的符號(hào)代表相應(yīng)的凝聚物:W曲線之上為氣相區(qū);W為高溫難熔物;CaTiO3為鈣鈦礦和其他難熔氧化物(包括Al、Ca、Ti、V、稀土、U和Th的化合物);Fe為鐵及 Fe-Ni合金，右上三角區(qū)是熔融鐵的穩(wěn)定范圍;冰為水冰、NH3冰和 CH4冰。絕熱線為卡梅倫星云模型的溫度和壓力分布，絕熱線上也標(biāo)出了各行星形成區(qū)的溫度和壓力范圍。水星形成于較高溫度區(qū)，主要由難熔金屬礦物、Fe-Ni合金和少量頑火輝石組成，因而密度大;金星不但吸積類似于組成水星的物質(zhì)，還吸積頑輝石和許多鉀鈉硅酸鹽礦物，但不含硫和水;地球吸積大量透閃石、一些含水硅酸鹽，以及金屬鐵、氧化鐵和硫化鐵;火星吸積大量含水硅酸鹽、氧化鐵和硫化鐵;小行星可由各種巖石礦物組成，但不含有冰;小行星區(qū)以外的外行星主要吸積氣體(冥王星可能除外)、冰物質(zhì)和一些巖石物質(zhì)，它們的大氣可用非平衡凝聚模型解釋，但對(duì)于行星本身還不能肯定哪種凝聚模型更適用。

伍德(J.A.Wood)用化學(xué)熱力學(xué)原理研究了太陽星云冷卻過程中的礦物平衡凝聚序列。圖中標(biāo)出了各天體的吸積溫度:水星約1400K，金星約900K，地球約600K，火星約450K，小行星及碳質(zhì)球粒隕石約300K，木星的衛(wèi)星約200K。

克萊頓(D. D.Clayton)認(rèn)為太陽星云為冷的恒星氣體和塵埃，直接聚集形成太陽系天體。星際介質(zhì)中的塵埃有 3種來源:超新星爆發(fā)拋出的熱凝聚物;巨恒星拋出的熱凝聚物;冷星云中的非熱結(jié)合物。星際物質(zhì)("前凝聚物")中存在化學(xué)和同位素分餾。它的主要特征是:超新星熱凝聚物富含難熔的Ca、Al和Ti氧化物,巨恒星熱凝聚物富含s過程核素(見元素起源)，星際氣體中含Ca、Al和Ti較少,O主要在冷區(qū)凝聚為H2O,冷星云中的非熱凝聚物富含揮發(fā)物。這種分餾是決定太陽星云初始組成的關(guān)鍵因素。在溫暖的太陽星云盤中，只有非熱化合物中的揮發(fā)物才發(fā)生蒸發(fā)和再凝聚作用。由于聚集形成星體的氣體和塵埃的比例不同，加以母體內(nèi)的固體化學(xué)作用，產(chǎn)生隕石的化學(xué)和同位素異常。

H.阿爾文和阿亨尼斯(G. O.S.Arrhenius)認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)室與空間的等離子體研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)的均一、平衡觀念不正確，應(yīng)代之以磁化等離子體的不均一、非平衡凝聚模型。他們提出，在先形成的，有磁場(chǎng)的中心天體(太陽或行星)周圍有"源云"，源云中的粒子受中心天體引力作用而加速降落，因粒子之間碰撞電離而成為等離子體。由于中心天體的磁場(chǎng)作用，等離子體形成A、B、C、 D4個(gè)云，各云的主要成分由元素的電離電位決定，于是導(dǎo)致元素分餾。實(shí)際情況涉及原子-離子-分子-塵粒之間的相互作用。各云中除主要元素外，還含有其他混合物或雜質(zhì)。中心天體周圍的等離子體極不均勻并處于非熱平衡狀態(tài)，形成密度比鄰區(qū)大的低溫纖維結(jié)構(gòu)──"超日珥"。超日珥中發(fā)生顆粒凝聚，形成軌道相近的顆粒流──"噴流"。噴流可以俘獲與它碰撞的其他顆粒，并聚集形成行星或衛(wèi)星。由各云凝聚物質(zhì)成分的不同可解釋各行星和衛(wèi)星的化學(xué)差異。

近年來發(fā)現(xiàn)，星云正常的化學(xué)演化難以解釋同位素組成的異常，可能有外來物質(zhì)加入正在凝聚的太陽星云，使星云的化學(xué)成分具有原始的不均一性。因此，非平衡的太陽星云演化模型目前雖不夠完善，卻更有發(fā)展前景。

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