Летучие вещества — это соединения с низкими температурами кипения, способные легко переходить в газообразное состояние при относительно невысоких температурах. В контексте ранней Солнечной системы к ним относятся в первую очередь вода (H₂O), аммиак (NH₃), метан (CH₄), диоксид углерода (CO₂), монооксид углерода (CO), а также различные летучие органические соединения и редкие благородные газы. Химическая стабильность и реакционная способность этих веществ определялись температурным градиентом протопланетного диска, интенсивностью ультрафиолетового излучения Солнца и взаимодействиями с пылевыми частицами.
В ранней Солнечной системе летучие вещества подвергались двум основным процессам: диффузии и конденсации. Диффузия газов происходила в плотном протопланетном диске, приводя к их перераспределению от горячей внутренней части к холодным внешним областям. Конденсация летучих на пылевых зернах была критическим механизмом формирования первичных твердых тел — конденсатных зерен, которые позднее служили строительным материалом для планетезималей и комет.
Температурный порог конденсации различных летучих веществ известен как снежная линия. Для воды эта граница находилась примерно на расстоянии 3 астрономических единиц от Солнца, для CO₂ — около 10 а.е., а для CO и N₂ — свыше 20 а.е. Внутри этих линий летучие существовали преимущественно в газовой фазе, вовлекаясь в химические реакции с минеральными компонентами диска, включая силикатные и металлические частицы.
Летучие вещества активно реагировали с твердой фазой протопланетного диска. Гетерогенные реакции на поверхности пылевых зерен приводили к образованию гидратов, карбонатов, аммонийных и органических комплексов. Например, вода могла формировать аморфные или кристаллические льды на поверхности кремнезема и оксидов железа, что способствовало захвату летучих в твердых телах. Метан и аммиак в присутствии каталитически активной пыли подвергались частичной аминогрупповой и метановой трансформации, что создавало предшественники сложных органических молекул.
Высокоэнергетическое излучение и космические лучи вызывали фотодиссоциацию и радиолитическое разложение летучих. Эти процессы приводили к образованию свободных радикалов и ионов, которые вступали в дальнейшие химические реакции с другими газовыми или твердотельными компонентами диска. В частности, ультрафиолетовое фотодиссоциативное взаимодействие воды и аммиака способствовало образованию гидроксильных, оксидных и нитратных соединений на поверхности пылевых частиц.
Диффузия, турбулентность и газо-пылевые взаимодействия приводили к сложной вертикальной и радиальной миграции летучих в диске. Более легкие молекулы, такие как H₂, He, CH₄, могли уноситься солнечным ветром, тогда как полярные молекулы типа H₂O и NH₃ имели тенденцию адсорбироваться на пылевых зернах и осаждаться в холодных областях. Этот процесс определял химическое зональное распределение элементов и изотопов в будущих планетах, астероидах и кометах.
Летучие вещества играли ключевую роль в формировании кометных ядер и внешних ледяных оболочек планет-гигантов. Конденсированная вода, CO и CO₂ образовывали аморфные или полукристаллические льды, включающие пузырьки газов, что влияло на механические свойства кометных тел. Летучие также служили источником химической энергии при термическом разложении внутри тел, стимулируя процессы дифференциации и возможного образования органических молекул в ранней стадии планетарного развития.
Изотопный состав летучих веществ несет информацию о происхождении и эволюции Солнечной системы. Соотношения D/H (дейтерий/водород), 13C/12C и 15N/14N в воде, аммиаке и органических молекулах фиксируют процессы конденсации, газофазной химии и взаимодействий с радиацией. Например, повышенное содержание дейтерия в кометных льдах указывает на низкотемпературное происхождение и ограниченную переработку материи вблизи Солнца.
Совокупность физических и химических процессов — конденсации, адсорбции, фотохимии и радиационного разложения — формировала химический ландшафт протопланетного диска. Летучие вещества не только служили строительными блоками для ледяных тел, но и стимулировали образование сложных органических соединений, что создавало предпосылки для предбиологической химии. Их поведение определяло состав планет, комет, астероидов и в конечном итоге влиял на доступность воды и органики на ранних этапах развития планетных систем.