Протопланетный диск представляет собой вращающуюся газо-пылевую систему, сформированную вокруг молодой звезды. Основную массу составляет газ (≈99 %), преимущественно водород и гелий, тогда как твёрдая фаза определяет химическую и минералогическую эволюцию будущих планетных тел. Давление в диске варьирует в широких пределах — от ~10⁻⁶ до 10⁻² бар, температура убывает с расстоянием от звезды и со временем. Эти параметры определяют термодинамическую устойчивость конденсированных фаз.
Химический состав газа близок к солнечному: элементы распределены по космохимическим группам — летучие (H, C, N, O), умеренно летучие (Na, K, S), тугоплавкие (Ca, Al, Ti, REE). Именно различия в температурах конденсации этих элементов задают последовательность формирования твёрдых фаз.
Конденсация в протопланетном диске описывается равновесной термодинамикой при заданных температуре, давлении и химическом потенциале компонентов газовой фазы. Условием конденсации является достижение насыщения газа соответствующим компонентом:
[ _i^{}(T,P) = _i^{}(T,P)]
На практике используют расчёты равновесного состава системы «газ–твёрдая фаза» при медленном охлаждении. При высоких температурах устойчивы только газообразные соединения; по мере охлаждения начинают появляться твёрдые фазы, минимизирующие свободную энергию Гиббса.
Давление существенно влияет на температуры конденсации: при понижении давления конденсация смещается к более низким температурам, а некоторые фазы могут не образовываться вовсе.
Первыми при температурах ~1700–1500 K конденсируются кальций- и алюминийсодержащие соединения. К ним относятся:
Эти минералы формируют кальций-алюминиевые включения (CAI), широко распространённые в углистых хондритах. Их изотопные системы (например, ²⁶Al–²⁶Mg) фиксируют самые ранние этапы эволюции Солнечной системы.
Тугоплавкие редкоземельные элементы избирательно входят в эти фазы, формируя характерные фракционированные спектры, служащие индикаторами условий конденсации.
При температурах ~1400–1200 K начинается формирование магниево-железистых силикатов. Основные реакции включают:
Соотношение Mg/Si и степень окисленности газа (определяемая парциальным давлением кислорода) контролируют минеральный состав. Железо при высоких температурах преимущественно остаётся в металлическом состоянии; его включение в силикаты усиливается при более окислительных условиях.
Железо-никелевый сплав конденсируется при ~1350–1200 K в виде твёрдого раствора Fe–Ni. Состав сплава отражает кинетику охлаждения и последующую переработку. При дальнейшем снижении температуры и наличии серы образуется троилит (FeS):
[ + _2 + _2]
Эта реакция играет ключевую роль в разделении железа между металлической и сульфидной фазами и влияет на сидерофильное поведение элементов.
За пределами «снежной линии» температура падает ниже ~170 K, что приводит к конденсации водяного льда. В более холодных областях диска последовательно конденсируются:
Ледяные фазы становятся основным носителем кислорода, углерода и азота, резко увеличивая массу твёрдого вещества и ускоряя рост планетезималей в внешних областях диска.
Реальные условия протопланетного диска часто отклоняются от идеального равновесия. Быстрое охлаждение, турбулентное перемешивание и радиальный перенос вещества приводят к «замораживанию» высокотемпературных фаз при более низких температурах. В результате наблюдаются:
Хондры — сферические силикатные образования — являются примером вторичной переработки уже сконденсированного вещества, что накладывает дополнительный отпечаток на исходную конденсационную последовательность.
Температурный градиент диска формирует выраженную радиальную зональность. Внутренние области обогащены тугоплавкими фазами и металлическим железом, тогда как внешние — силикатами, сульфидами и льдами. Радиальный перенос пыли и газа сглаживает, но не устраняет эту зональность, что подтверждается разнообразием классов хондритов.
Сравнение минерального и элементного состава метеоритов с расчётными конденсационными моделями позволяет реконструировать физико-химические условия различных областей протопланетного диска и временную последовательность их эволюции.
Конденсация задаёт первичное распределение элементов между газовой и твёрдой фазами, определяя исходный материал для аккреции планет. Тугоплавкие включения фиксируют начальные условия, силикаты и металлы — динамику роста твёрдых тел, а летучие компоненты — потенциал формирования атмосфер и гидросфер. Таким образом, процессы конденсации являются фундаментальной основой космохимической эволюции Солнечной системы.