Планета тьмы


Масса, сила тяжести, радиус

О первоначальных воззрениях ИАЕ на массу и силу тяжести свидетельствует ещё одна ошибка, которую он попытался исправить. ИАЕ считал, что сила тяжести на поверхности планеты во столько же больше земной, во сколько масса планеты больше массы Земли.

— Уточненная масса  — сорок три целых две десятых земной.

Сообщения поступали непрерывно и характер планеты становился всё яснее. Эрг Hoop сводил получаемые цифры, собирая материал для вычисления орбитального режима. Сорок Три и две десятых земных масс — планета была велика. Сила ее тяготения придавит корабль к почве. В беспомощных пресмыкающихся/насекомых на клею превратятся люди...

... предстоял огромнейший труд по перегрузке контейнеров с амамезоном. Нелегкая сама по себе задача, здесь, на планете с почти тройной тяжестью, превращалась в дело, требовавшее высокой инженерной изобретательности.

Сила тяжести на поверхности действительно пропорциональна массе планеты. Но также она обратно пропорциональна квадрату радиуса планеты. Поэтому отношение ускорений свободного падения

𝐺
𝑔
 = 
𝑀
𝑚
𝑟²
𝑅²
,

где заглавные буквы относятся к планете, а строчные — к Земле.

Масса, по журналу, втрое больше земной. Радиус не дан, но, очевидно тоже существенно больше. Значит, сила тяжести отнюдь не втрое больше, а, быть может, даже и меньше земной.

Видимо, Ефремову на это указали, и он решил, чтобы не было никаких сомнений, радикально увеличить массу. Вместо 3,2 стало 43,2. А силу тяжести чуть уменьшил:

Только давление толстой атмосферы превышало нормальное давление Земли в один и четыре десятых раза да сила тяжести больше чем в два с половиной раза превосходила земную.

Разумеется, ИАЕ дописал «сорок», что называется, «на глазок»: промежуточная масса меньше, чем у Юпитера и Сатурна, больше, чем у Нептуна и Урана. Не стоит искать в этом числе сакральный смысл. Но искушение проверить слишком велико. Если принять 𝐺/𝑔 = 2,5, то получится

𝑅 = 𝑟
𝑀
𝑚
𝑔
𝐺
 = 𝑟
43,2
2,5
 = 4,2𝑟 = 27 тыс.км.

Средняя плотность Земли, т.е. отношение её массы к объёму

ρ = 
𝑚
4/3 π𝑟³
,
равна 5,5 г/см3. А плотность «планеты тьмы»
P
ρ
 = 
𝑀
𝑚
𝑟³
𝑅³
 = 
43,2
4,2³
 = 0,6

почти вполовину меньше, хотя планета скалистая. Похоже, ИАЕ переборщил с массой.

В данном случае Ефремова легко «исправить». Пусть средняя плотность планеты равна плотности железа (и железо-никелевых метеоритов) P = 7,8 г/см³. Вероятно, ИАЕ одобрил бы, что планета железной звезды сама почти целиком из железа. Тогда относительные радиус и масса планеты равны:

𝑅
𝑟
 = 
𝐺
𝑔
ρ
P
 = 2,5
5,5
7,8
 = 1,76,
𝑀
𝑚
 = 
𝐺³
𝑔³
ρ²
 = 2,5³
5,5²
7,8²
 = 7,77.

Планеты с такими характеристиками, так называемые суперземли, действительно открыты.


Толщина атмосферы

Сбросили физическую станцию, и автомат вскоре доложил о поразительном наличии свободного кислорода в нижних слоях криптоново/неоново-азотной атмосферы, присутствии водяных паров и температуре в двенадцать градусов тепла. Эти условия были в общем сходны с земными. Только давление толстой атмосферы превышало нормальное давление Земли в один и четыре десятых раза да сила тяжести больше чем в два с половиной раза превосходила земную.

— Температура поверхностных слоёв на освещённой стороне триста двадцать градусов Кельвина! (только книга)

Сведения немного противоречивые, так как 320 К = 47 °C ≠ 12 °C; будем считать 𝑇 ≈ 300 К.

Зависимость давления от высоты даётся барометрической формулой (для модели плоской изотермической атмосферы):

𝑝 = 𝑝₀ 𝑒−ℎ/𝐻,

где 𝑝₀ — давление на уровне моря (или любом другом уровне), ℎ — высота над ним, 𝑒 = 2,72 — число Эйлера. Величина 𝐻 имеет смысл высоты, при подъёме на которую давление убывает в 𝑒 раз. Этот масштаб высоты (scale height) связан с абсолютной температурой 𝑇, средней молярной массой μ и ускорением свободного падения 𝑔:

𝐻 = 
𝑅𝑇
μ𝑔
,

где 𝑅 = 8,31 Дж/(К·моль) — универсальная газовая постоянная.

Для Земли, если принять 𝑇 = 300 К, μ = 29 г/моль, масштаб высоты примерно 9 км (𝐻 = 8766 м) . Для «планеты тьмы» ускорение в 2,5 раза больше, μ примерно такая же, значит и 𝐻 во столько же меньше. Парадоксально, но факт: чем больше тяжесть на поверхности и чем массивнее молекулы атмосферы, тем быстрее давление убывает с высотой — толщина атмосферы меньше (при прочих равных условиях). Из перечисленных Ефремовым газов только неон с молярной массой 20 способен немного уменьшить μ. Даже если считать, что вся атмосфера чисто неоновая, 𝐻  планетной атмосферы будет в 𝑘 = 2,5·20/29 = 1,72 раз меньше, чем земной. Учитывая, что давление на поверхности планеты в 1,4 раза больше, получится следующая зависимость давления в атмосфере планеты по отношению к земному на той же высоте: 2,5 𝑒−ℎ(𝑘 − 1)/𝐻. Расчёты показывают, что ниже 11 км давление больше земного, но выше атмосфера планеты менее плотная, а значит толщина её меньше.

Всякий взглянувший на облака без затемняющих фильтров лишился бы зрения, как и тот, кому пришлось бы обернуться в сторону грозного светила, находясь вне защиты восьмисот/тысячи километров земной атмосферы.

Атмосфера не имеет резкой границы и возможны различные критерии её толщины. Сомнительно то, что атмосфера «планеты тьмы» вдвое толще земной:

— Толщина атмосферы — тысяча семьсот километров.