A A A A Автор Тема: Что будет если планета столкнется с звездой?  (Прочитано 2312 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн Алексей В.

  • ****
  • Сообщений: 278
  • Благодарностей: 13
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от Алексей В.
Оценка температуры по мощности чернотельного излучения, уходящего в свободное пространство, является очень грубой и я об этом там сразу и написал.
она даже не грубая, а просто в данном случае нужно заходить с совсем другой стороны для оценки этой температуры - а именно с оценки той энергии, которую получил водород при столкновении с Луной на скорости 618 км/с, а уже из этой энергии и определять максимально возможную температуру, кот. возможна, если бы потерь энергии с излучением вообще не было и вся энергия бы доставалась только протону и электрону. Но такой температуры там не будет ни при каких плотностях налетающего водорода, т.к. часть выделенной энергии будет потрачена на создание фотонного газа. К примеру, при температуре = 5,7 млн. К, т.е. половине от максимальной температуры, плотность энергии фотонного газа будет = 800 ГДж/м3 и точно такая же энергия должна приходиться на протоны и электроны. Т.к. их энергия при такой темпер. ~ 500 эВ, то в этом же м3 сжатого газа за фронтом ударной волны вместе с излучением должно находиться ещё 17000 молей частиц или плотность сжатого водорода перед Луной при такой температуре будет 8,5 кг/м3. Давление будет = сумме давлений фотонного и протонно-электронного газа = 266 + 533 = 800 ГПа или 8 млн. атмосфер. Чтобы обеспечить такое давление скоростного напора на этот м2 должно в секунду снизу прилетать по 1300 тонн водорода со скоростью 618 км/с плотностью 2,1 кг/м3.

При температуре 1,14 млн. К плотность энергии фотонного газа = 1,28 ГДж/м3, плотность энергии протонов-электронов = 1/9 фотонной или 142 Мдж/м3. Энергия частиц будет ~ 100 эВ. Кол-во молей в 1 м3 = 15 молей, плотность сжатого водорода = 7,5 г/м3. Давление = 426+95=521 МПа или 5210 атмосфер. Давление скоростного напора будет обеспечиваться торможением об Луну 843 кг водорода в секунду на 1 м2 площади. Плотность водорода 1,36 г/м3.

Это всё в предположении, что энергия выделившаяся при столкновении останется на месте столкновения, т.е. не будет лучистого переноса.

P.S. Кстати, плотность фотосферы 0,2 г/м3, значит при её прохождении температура под Луной будет немногим меньше 1 000 000 К.
« Последнее редактирование: 09 Окт 2021 [19:28:06] от Алексей В. »

Оффлайн Krosh

  • **
  • Сообщений: 52
  • Благодарностей: 5
    • Сообщения от Krosh
она даже не грубая, а просто в данном случае нужно заходить с совсем другой стороны для оценки этой температуры - а именно с оценки той энергии, которую получил водород при столкновении с Луной на скорости 618 км/с, а уже из этой энергии и определять максимально возможную температуру, кот. возможна, если бы потерь энергии с излучением вообще не было и вся энергия бы доставалась только протону и электрону.
Вот конкретно такой ситуации не может быть в принципе, это гораздо более грубое приближение. Да Вы и сами далее начинаете про фотонный газ говорить. Равновесная температура приповерхностного слоя будет ограничиваться двумя основными факторами: тепловым излучением и увеличением внутренней энергии испаряемого вещества планеты.
Тепловой излучение живёт в условиях оптически-непрозрачной среды. Есть вопрос, с какой скоростью эта энергия реально уносится от источника. Почему-то в памяти цифра, что в конвективной зоне передача энергии от зоны лучистого переноса до фотосферы занимает что-то масштаба 10 тыс. лет. Тут могу очень грубо ошибаться, быстрый гуглопоиск не помог. Но этот срок относится скорее к физическому движению вещества, перенос излучением при тамошних параметрах идёт медленнее (поэтому, собственно, она и конвективная). Это я к тому, что даже если полное энерговыделение в событии сопоставимо с годовым излучением Солнца, то одномоментно оно не выйдет наружу, всё будет достаточно медленно.
А второй фактор (нагрев холодного вещества планеты до тех самых 200 эВ, которые в центре Солнца) тоже откусит довольно много энергии. Зависит от геологического состава планеты, конечно. Но если даже брать простой песок, то есть диоксид кремния, то при указанной температуре кислород будет ионизирован полностью, а кремний - до гелиеподобного иона. Если что, это оценки по модели локального термодинамического равновесия (формула Саха), потенциалы ионизации можно посмотреть тут: https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/ionEnergy.html
При этом только на ионизацию кислорода уйдёт больше 2 кэВ, плюс каждая частица (ион + 8 электронов) термализуется до 200 эВ - вот и ещё почти 2 кэВ улетело. Излучение тут не считаю, и так всё чёрным телом ограничено. Ну и у кремния - примерно та же история.
Короче, мозгом немного поразвлекаться можно, но задача наскоком не решается, нужны аккуратные численные коды и аккуратные физические модели. Самый пока непонятный по физике вопрос, про который уже писал - это гидродинамическая стабильность планеты при торможении. Даже если у неё нет структуры и всё однородное по глубине. Из экспериментов по лазерному термояду известны примерно масштабы, на которых неустойчивость Рэлея-Тейлора всё портит. А в данной задаче выше по теме была похожая на правду оценка, что путь до торможения может составить десятки тысяч километров, т.е. для тела масштаба Луны это десяток радиусов. Это много, может фрагментироваться раньше. Но это опять вопрос к точному счёту, на пальцах ответ не получить.
Когда написал этот текст, то внезапно задался вопросом: а ведь люди должны были что-то такое посчитать и статью опубликовать.
Из поиска вывалилось, к примеру, вот это (мне из дома открылось): https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aad77c/pdf
Просмотрел по диагонали, есть претензии к их физической модели, но любопытный вывод в заключении о том, что существуют варианты, когда планета протыкает зону конвекции и разрушается уже в более глубоких слоях звезды с массой, равной солнечной.
Короче, часть ответов науке известна, просто при наличии интереса нужно сидеть и искать такие статьи.

Онлайн Змей Петров

  • *****
  • Сообщений: 25 992
  • Благодарностей: 453
  • В тёмной комнате всегда найдётся очень черный кот
    • Сообщения от Змей Петров
Попутно вопрос .
Как будет изменяться агрегатное состояние "Луны" в процессе погружения ?
- За это я превращу тебя в скользкую холодную рыбу.
- Но... Вы обещали - в кота ...
- Недостоин

Оффлайн николай теллалов

  • *****
  • Сообщений: 14 880
  • Благодарностей: 794
    • Сообщения от николай теллалов
    • блог
Как будет изменяться агрегатное состояние "Луны" в процессе погружения ?
она еще на подлете раздробится

не знаю почему все продолжают описывать ее как единое тело, а не облако камней

Онлайн Змей Петров

  • *****
  • Сообщений: 25 992
  • Благодарностей: 453
  • В тёмной комнате всегда найдётся очень черный кот
    • Сообщения от Змей Петров
Каков предел Роша для системы Солнце - "Луна" ?
- За это я превращу тебя в скользкую холодную рыбу.
- Но... Вы обещали - в кота ...
- Недостоин

Оффлайн Алексей В.

  • ****
  • Сообщений: 278
  • Благодарностей: 13
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от Алексей В.
Равновесная температура приповерхностного слоя будет ограничиваться двумя основными факторами: тепловым излучением и увеличением внутренней энергии испаряемого вещества планеты.
испарением вещества планеты можно пренебречь, т.к. во-первых, заряд ядер из которых состоит грунт гораздо больше заряда ядра водорода, а значит излучение неохотно будет проникать вглубь грунта по сравнению с водородом.
Во-вторых, плотность сжатого водорода будет долгое время меньше плотности грунта, а излучение стремится убежать в среду с меньшей плотностью.
К примеру, при термоядерном взрыве на барже в море при испытаниях в первые микросекунды - до примерно 1 миллисекунды огненный шар растёт только лишь за счёт лучистого переноса энергии. Он растёт только лишь в воздухе, конечно он соприкасается в поверхностью воды, от чего она взрывным образом испаряется, пары её отлетают вверх и блокируют собой дальнейшее проникновение излучения к жидкой воде.
Ещё пример, малозаглублённый взрыв - взрыв на глубине 1-2 метра под грунтом заряда около 500-1000 килотонн. Сначала вся лучистая энергия поглощается прилегающим грунтом, а затем грунт начинает разлетаться и в процессе этого переизлучает почти всю полученную энергию в воздушное пространство.
Т.е. в грунт излучение не пойдёт однозначно.

Есть вопрос, с какой скоростью эта энергия реально уносится от источника. Почему-то в памяти цифра, что в конвективной зоне передача энергии от зоны лучистого переноса до фотосферы занимает что-то масштаба 10 тыс. лет.
<<<промежуток времени, за который многократно переизлучённый фотон (изначально возникший в ядре) достигает конвективной зоны, согласно современным моделям Солнца, может лежать в пределах от 10 тысяч до 170 тысяч лет (иногда встречающаяся цифра в миллионы лет считается завышенной)>>>
правда тут про зону лучистого переноса, а не конвективную зону.
Но в ней плотность водорода от 0,2 (на поверхности) до 20 (в глубине) г/см³ + ещё сама её протяжённость 325 000 км, что и обуславливает такую низкую теплопроводность, хотя температуры будут схожими. Большая плотность вещества означает малый пробег излучения и всё это ещё помножено на огромное расстояние, кот. это излучение должно пройти.
Но в случае с Луной всё будет по другому, особенно, когда она проходит фотосферу, где плотность водорода будет уже всего 0,2 г/м3, т.е. в миллион раз меньше, чем на границе конвективной и лучевой зон + размеры явления будут на 2 порядка меньше. Так что вот тут-то может перенос излучением и будет играть какую-то роль, правда чтобы точно сказать надо рассчитывать.

даже если полное энерговыделение в событии сопоставимо с годовым излучением Солнца, то одномоментно оно не выйдет наружу, всё будет достаточно медленно.
не факт, что достаточно медленно, т.к. если скажем тепловой поток от ядра Солнца =120 МВт/м2 может нагреть скажем за час на 1 миллион градусов слой водорода плотностью 200 кг/м3 толщиной всего около 10 сантиметров при толщине конвективной зоны 200 000 км, что обеспечивает достаточно медленную конвекцию.
Но при падении Луны и её торможении образуется нагретого на миллионы градусов относительно окружающего водорода уже диаметром в тысячи километров и он сразу после образования начнёт всплывать наверх. Правда насколько высоко он сможет подняться не известно, т.к. при поднятии плотность окружающего водорода будет снижаться, значит он будет расширяться и охлаждаться при этом и если его температура сравняется при этом с окружающим водор., то он прекратит подъём. И это касается всех высот, через которые прошла траектория Луны, начиная от фотосферы. Так что может быть на поверхности начнётся пекло очень скоро и быстро.

существуют варианты, когда планета протыкает зону конвекции и разрушается уже в более глубоких слоях звезды с массой, равной солнечной.
так так и будет, т.к. плотность бОльшей части конвективной зоны слишком мала, чтобы как-то существенно влиять на падение планеты. Более того, Луна не только не будет замедляться, а она будет продолжать ускоряться уже под фотосферой, т.к. на неё будет действовать ускорение 28 g уже на уровне фотосферы, а ниже ещё больше. При плотности 3350 кг/м3 и диаметре 3500 км нужно давление скоростного напора ~ 50 млн. атмосфер для того, чтобы просто перестать ускоряться. Оно будет достигнуто на глубине ~150 000 км при гравитации 45 g и скорости более 700 км/с, при плотности налетающего водорода 10 кг/м3.

Самый пока непонятный по физике вопрос, про который уже писал - это гидродинамическая стабильность планеты при торможении.
при торможении в водороде с плотностью 200 кг/м3 лобовое давление будет 850 млн. атмосфер. На сколько я помню, при опытах с имплозией достигались давления нескольких миллионов атмосфер, при этом вещество сжималось примерно в 2 раза.
Значит при 850 оно ,наверное, должно сжаться примерно в несколько десятков раз. Т.е. Луна будет сжата в такой как бы блин, но не плоский, а центр блина будет немного впереди его краёв, чтобы обеспечить нормальное их обтекание потоком водорода.

Попутно вопрос .
Как будет изменяться агрегатное состояние "Луны" в процессе погружения ?
она будет потихоньку сжиматься под действием давления налетающего водорода и разогреваться при этом. При этом форма её будет так же постепенно сжиматься в "блин".

Оффлайн archetip-z

  • *****
  • Сообщений: 3 390
  • Благодарностей: 90
  • coniunctio oppositorum
    • Skype - Archetip-Z
    • Сообщения от archetip-z
она будет потихоньку сжиматься под действием давления налетающего водорода и разогреваться при этом. При этом форма её будет так же постепенно сжиматься в "блин".
Я одного не могу понять, почему вы игнорируете кипение? В пар превратится вещество, вот и играйте с паром. А вы играете с жидкостью, зачем то. Если у вас есть основание сказать, что газ будет вести себя, как жидкость, что вполне возможно при высоких давлениях, обоснуйте это.

Оффлайн Krosh

  • **
  • Сообщений: 52
  • Благодарностей: 5
    • Сообщения от Krosh
... Луна будет сжата в такой как бы блин, но не плоский, а центр блина будет немного впереди его краёв, чтобы обеспечить нормальное их обтекание потоком водорода...
Это так не работает.
Слова "неустойчивость Рэлея-Тейлора" я уже приводил.
Поверхность раздела вещества звезды и планеты является неустойчивой (пока плотность планеты больше локальной плотности звезды). Поэтому малейшее отклонение от идеальной плоскости (ну как бы у нас и не плоскость, а сфера - это только численный коэффициент меняет) будет приводить к появлению "пупырей", которые будут со временем расти и в высоту, и укрупняться в масштабе. Мелкая рябь не страшна, она просто размажет поверхностный слой на какое-то расстояние. А вот более крупномасштабные неоднородности (низкие пространственные моды возмущений) могут просто порвать исходное тело на множество фрагментов причудливой формы.
Начальная стадия развития неустойчивости плоского слоя обычно выглядит как-то так:

(картинка отсюда: https://www.researchgate.net/publication/282896287_A_Two-length_Scale_Turbulence_Model_for_Single-phase_Multi-fluid_Mixing )
Повторюсь, с течением времени размер неоднородностей быстро растёт.
Эта тема сейчас интенсивно развивается применительно к лазерному термояду. Вот просто пример того, как этой неустойчивостью разрушается оболочка термоядерной мишени, которая исходно имела форму ёлочного шарика (цвет кодирует локальную плотность вещества):

(картинка отсюда: https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4981222 )
На второй картинке задача совсем другая, но это даёт понять, чего можно ожидать при таких параметрах. Кстати, скорости имплозии в лазерном термояде сравнимы с тем, что обсуждается тут: сотни километров в секунду.

Онлайн Змей Петров

  • *****
  • Сообщений: 25 992
  • Благодарностей: 453
  • В тёмной комнате всегда найдётся очень черный кот
    • Сообщения от Змей Петров
Я одного не могу понять, почему вы игнорируете кипение?
Не думаю, что там возможна жидкая фаза . Термин "кипение" лучше заменить на абляцию .
- За это я превращу тебя в скользкую холодную рыбу.
- Но... Вы обещали - в кота ...
- Недостоин

Оффлайн Алексей В.

  • ****
  • Сообщений: 278
  • Благодарностей: 13
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от Алексей В.
Я одного не могу понять, почему вы игнорируете кипение? В пар превратится вещество, вот и играйте с паром. А вы играете с жидкостью, зачем то. Если у вас есть основание сказать, что газ будет вести себя, как жидкость, что вполне возможно при высоких давлениях, обоснуйте это.
не газ, как жидкость или жидкость, как газ. При высоких давлениях и температурах разница между газом и жидкостью нет вообще никакой.
Взять к примеру, воду и пар на линии насыщения. При 100 градусах цельсия и 1 атмосфере, плотность воды и пара соответственно 1,04 литра/кг и 1674 л/кг, теплота испарения 2257 кДж/кг.
При 200 градусах и 15,5 атм. плотность воды 1,15 л/кг, вод. пара 127 л/кг, теплота исп. = 1939 кдж/кг.
При 300 гр. и 86 атм. плотн. будет 1,4 и 21,6. Тепл. исп. = 1403.
350 гр. и 165 атм. плотн. = 1,74 и 8,8. Тепл. исп. = 893.
И наконец критическая точка для воды наступает при 374,12 гр. С при давл. 221,145 атм. Плотность воды и водяного пара теперь РАВНА МЕЖДУ СОБОЙ и равна 3,147 л/кг. А теплота испарения = 0.
Т.е. насколько можно заметить при нагреве воды в герметичной емкости по мере роста температуры плотность воды падает, а плотность пара растёт, пока не сравняются между собой и чем выше температура будет в такой закрытом объёме, тем ниже будет теплота испарения, пока совсем не обнулится, т.е. вода часть энергии, нужной для парообразования будет брать из своей внутренней энергии. А при достижении критической точки разницы между водой и паром уже вообще не останется никакой.
Подробнее можете посмотреть в следующем справочнике: <<< Варгафтик Н.Б. - Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей (1972) >>> страницы 43-45.

Поверхность раздела вещества звезды и планеты является неустойчивой (пока плотность планеты больше локальной плотности звезды). Поэтому малейшее отклонение от идеальной плоскости (ну как бы у нас и не плоскость, а сфера - это только численный коэффициент меняет) будет приводить к появлению "пупырей", которые будут со временем расти и в высоту, и укрупняться в масштабе. Мелкая рябь не страшна, она просто размажет поверхностный слой на какое-то расстояние. А вот более крупномасштабные неоднородности (низкие пространственные моды возмущений) могут просто порвать исходное тело на множество фрагментов причудливой формы.
ааа, я понял о чём вы. В книге про КВС (котёл взрывного сгорания), это называлось турбулентным перемешиванием.
Это к примеру, когда натриевая жидкая защитная стенка образует собой закрытый карман, который, получив взрывной импульс от термоядерного взрыва, начинает двигаться в сторону корпуса, а внутри кармана находится аргон, кот. сжался бы этой стенкой как поршнем, но происходит как раз вами описанное явление и образуется из сплошной жидкой стенки плотный дождь из капель.
Т.е. принцип явления понятен - скажем жидкая стенка летит на корпус со скоростью 50 м/с и на неё действует давление скажем в 50 атмосфер сжатого газа и заставляет её тормозить, но если от этой стенки отделится капля, то аргон начнёт на неё давить не с одной стороны, как на цельную стенку, а со всех сторон и это скомпенсирует тормозящее давление, таким образом пока капля в составе стенки на неё будет действовать тормозящая сила, как только отделится - не будет. Таким образом стенка будет тормозиться, а капли, кот. из неё вылетают нет, что приводит к формированию турбулентно-перемешанного слоя жидкого натрия и аргона.
В случае с Луной. Во-первых, она в начале всё-таки не жидкая и имеет некоторую прочность.
Во-вторых, для того, чтобы началось перемешивание нужно, чтобы Луну начало сносить потоком назад, и если в случае с натриевой стенкой кот. имеет толщину всего в 2 метра и давлением в 50 атмосфер её неплохо тормозит, то Луна имеет толщину уже 3500 км и даже только звуку нужно целый час чтобы её пройти по диаметру.
Т.е. даже при тысячах атмосфер давления потока никакого движения нижней поверхности Луны вверх не будет.
Только уже на заключительных этапах, когда скоростным напором будет буквально вдавливать нижнюю полусферу в верхнюю, тогда, наверное, и начнётся разрушение.
Ещё, на Луне есть горы, т.е. выступающие части, кот. позже могли бы оторваться, но при обтекании потоком водорода они будут снесены и поверхность будет выглажена, все неровности убраны.
Хотя это, скорее всего, не сильно поможет.
Да, скорее всего Луна разрушится когда начнётся её сжатие потоком. Что в принципе не сильно повлияет на сам процесс торможения.
« Последнее редактирование: 12 Окт 2021 [18:25:36] от Алексей В. »

Оффлайн Krosh

  • **
  • Сообщений: 52
  • Благодарностей: 5
    • Сообщения от Krosh
В случае с Луной. Во-первых, она в начале всё-таки не жидкая и имеет некоторую прочность...
Это так.
Какое-то время, в верхней атмосфере, ничего кроме испарения от разогрева поверхности происходит не будет.
Но только скорости большие. Напомню, что на гораздо меньших скоростях, на которых летит кумулятивная струя противотанкового снаряда, и вольфрам сердечника, и танковая броня являются жидкостями (подробности - тат: http://www.mathnet.ru/links/b015c5948cc711f60ff3dcf491e0b760/rm7663.pdf ). Так что где-то неустойчивость заведомо начнёт работать.

Оффлайн Алексей В.

  • ****
  • Сообщений: 278
  • Благодарностей: 13
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от Алексей В.
Какое-то время, в верхней атмосфере, ничего кроме испарения от разогрева поверхности происходит не будет.
вообще-то при нескольких тысячах атмосфер будет сильный ветер, который будет обтекать Луну и в случае, если ветер будет силён так же и вблизи поверхности Луны, то он срежет горы и прочие неровности поверхности. Хотя Луна ещё будет практически в первоначальном целом состоянии. Так как звуковая волна может пройти по диаметру Луны только за час, а весь процесс полёта от фотосферы до разрушения займёт около 5 минут, то чтобы нижняя поверхность пошла вверх нужно её туда вдавить, т.е. на большой глубине под фотосферой при миллионах атмосфер встречного потока внутри Луны уже будет распространяться сильная ударная волна сжатия.

Но только скорости большие. Напомню, что на гораздо меньших скоростях, на которых летит кумулятивная струя противотанкового снаряда, и вольфрам сердечника, и танковая броня являются жидкостями
дело не в скорости, а в импульсе полученному в единицу времени единицей площади, а импульс можно получить не только за счёт скорости, но ещё и за счёт массы (т.е. плотности налётающего потока).
Ведь формула давления потока = плотности * скорость^2.
Плотность кумулятивной струи = 7800 кг/м3 если это железо, умножаем на (5000м/с)^2, получаем давление в месте удара = 195 ГПа или 1,95 млн. атмосфер при том, что самая прочная сталь может выдержать только всего 30 000, т.е. в 65 раз меньше.
Но если плотность мала, как к примеру в фотосфере Солнца = 0,0002 кг/м3, то даже на скорости в 618 км/с давление будет "всего лишь" 764 атмосферы.
Помню, как-то на форуме обсуждали КВС и там была ситуация с возможностью аварийного ядерного взрыва (без натриевой защитной стенки) и высказывалось такое мнение, что раз скорость ударной волны в момент её удара по стальному корпусу будет 10 км/с, т.е. выше скорости звука в стали, то её этим ударом разнесёт в пыль, а потом ещё и бетон в придачу))
Я сказал тогда, что это возможно только если один кусок стали на скорости в 10 км/с ударит по другому, тогда да, иначе никак.