Планетарное ядро состоит из самых внутренних слоев планеты . [ 1] Ядра могут быть полностью жидкими или представлять собой смесь твердых и жидких слоев, как в случае с Землей. [2] В Солнечной системе размеры ядра варьируются от примерно 20% ( Луна ) до 85% радиуса планеты ( Меркурий ).
У газовых гигантов также есть ядра, хотя их состав все еще является предметом споров и варьируется от традиционного каменно-железного до ледяного или жидкого металлического водорода . [3] [4] [5] Ядра газовых гигантов пропорционально намного меньше, чем у планет земной группы, хотя они, тем не менее, могут быть значительно больше земных; ядро Юпитера в 10–30 раз тяжелее Земли, [5] а экзопланета HD149026 b может иметь ядро, масса которого в 100 раз превышает массу Земли. [6]
Планетные ядра сложно изучать, поскольку их невозможно достичь бурением, и почти нет образцов, которые определенно относятся к ядру. Таким образом, их изучают с помощью косвенных методов, таких как сейсмология, минеральная физика и планетарная динамика.
В 1797 году Генри Кавендиш подсчитал, что средняя плотность Земли в 5,48 раза больше плотности воды (позже уточнил до 5,53), что привело к общепринятому мнению, что Земля намного плотнее внутри. [7] После открытия железных метеоритов Вихерт в 1898 году предположил, что Земля имеет такой же объемный состав, как и железные метеориты, но железо осело во внутренних частях Земли, и позже представил это, интегрировав объемную плотность Земли с отсутствующим железом и никелем в качестве ядра. [8] Первое обнаружение ядра Земли произошло в 1906 году Ричардом Диксоном Олдхэмом после открытия зоны тени P-волны ; жидкого внешнего ядра. [9] К 1936 году сейсмологи определили размер всего ядра, а также границу между жидким внешним ядром и твердым внутренним ядром. [10]
Внутренняя структура Луны была охарактеризована в 1974 году с использованием сейсмических данных, собранных миссиями Аполлон о лунотрясениях . [11] Радиус ядра Луны составляет 300 км. [12] Железное ядро Луны имеет жидкий внешний слой, который составляет 60% объема ядра, с твердым внутренним ядром. [13]
Ядра каменистых планет изначально были охарактеризованы путем анализа данных с космических аппаратов, таких как Mariner 10 NASA , который пролетел мимо Меркурия и Венеры, чтобы наблюдать за характеристиками их поверхности. [14] Ядра других планет не могут быть измерены с помощью сейсмометров на их поверхности, поэтому вместо этого их приходится выводить на основе расчетов из этих наблюдений пролета. Масса и размер могут обеспечить расчет первого порядка компонентов, которые составляют внутреннюю часть планетарного тела. Структура каменистых планет ограничена средней плотностью планеты и ее моментом инерции . [15] Момент инерции для дифференцированной планеты меньше 0,4, поскольку плотность планеты сосредоточена в центре. [16] У Меркурия момент инерции 0,346, что свидетельствует о наличии ядра. [17] Расчеты сохранения энергии, а также измерения магнитного поля также могут ограничивать состав, а поверхностная геология планет может характеризовать дифференциацию тела с момента его аккреции. [18] Ядра Меркурия, Венеры и Марса составляют около 75%, 50% и 40% их радиуса соответственно. [19] [20]
Планетные системы формируются из сплющенных дисков пыли и газа, которые быстро (в течение тысяч лет) аккрецируют в планетезимали диаметром около 10 км. Отсюда гравитация берет верх, чтобы произвести планетарные эмбрионы размером с Луну или Марс (10 5 – 10 6 лет), и они развиваются в планетарные тела в течение дополнительных 10–100 миллионов лет. [21]
Юпитер и Сатурн, скорее всего, сформировались вокруг ранее существовавших каменистых и/или ледяных тел, превратив эти предыдущие первичные планеты в ядра газовых гигантов. [5] Это модель образования планет с аккрецией планетарного ядра .
Планетарная дифференциация в широком смысле определяется как развитие от одного к многим вещам; однородное тело к нескольким гетерогенным компонентам. [22] Изотопная система гафний -182 / вольфрам-182 имеет период полураспада 9 миллионов лет и аппроксимируется как вымершая система через 45 миллионов лет. Гафний является литофильным элементом , а вольфрам является сидерофильным элементом . Таким образом, если сегрегация металла (между ядром Земли и мантией) произошла менее чем за 45 миллионов лет, силикатные резервуары развивают положительные аномалии Hf/W, а металлические резервуары приобретают отрицательные аномалии относительно недифференцированного хондритового материала. [21] Наблюдаемые соотношения Hf/W в железных метеоритах ограничивают сегрегацию металла менее чем 5 миллионами лет, соотношение Hf/W в мантии Земли показывает, что ядро Земли сегрегировало в течение 25 миллионов лет. [21] Несколько факторов контролируют сегрегацию металлического ядра, включая кристаллизацию перовскита . Кристаллизация перовскита в раннем магматическом океане является процессом окисления и может управлять производством и извлечением металлического железа из исходного силикатного расплава.
Столкновения между телами планетарного размера в ранней Солнечной системе играют важную роль в формировании и росте планет и планетарных ядер.
Гипотеза гигантского удара утверждает, что столкновение между теоретической планетой размером с Марс Тейей и ранней Землей сформировало современные Землю и Луну. [23] Во время этого удара большая часть железа из Тейи и Земли вошла в состав ядра Земли. [24]
Слияние ядер прото-Марса и другого дифференцированного планетоида могло произойти за 1000 лет или за 300 000 лет (в зависимости от вязкости обоих ядер). [25]
Используя хондритовую эталонную модель и объединяя известные составы коры и мантии , можно определить неизвестный компонент, состав внутреннего и внешнего ядра: 85% Fe, 5% Ni, 0,9% Cr, 0,25% Co и все другие тугоплавкие металлы в очень низкой концентрации. [21] Это оставляет ядро Земли с 5–10% дефицитом веса для внешнего ядра, [26] и 4–5% дефицитом веса для внутреннего ядра; [26] что приписывается более легким элементам, которые должны быть широко распространены в космосе и растворимы в железе; H, O, C, S, P и Si. [21] Ядро Земли содержит половину земного ванадия и хрома и может содержать значительное количество ниобия и тантала . [26] Ядро Земли обеднено германием и галлием . [26]
Сера является сильно сидерофильной и только умеренно летучей и обедненной в силикатной земле; таким образом, может составлять 1,9% по весу ядра Земли. [21] По аналогичным аргументам, фосфор может присутствовать в количестве до 0,2% по весу. Водород и углерод, однако, являются сильно летучими и, таким образом, были бы потеряны во время ранней аккреции и, следовательно, могут составлять только 0,1–0,2% по весу соответственно. [21] Таким образом, кремний и кислород составляют оставшийся дефицит массы ядра Земли; хотя распространенность каждого из них все еще является предметом споров, вращающихся в основном вокруг давления и состояния окисления ядра Земли во время его формирования. [21] Не существует геохимических доказательств того, что какие-либо радиоактивные элементы включены в ядро Земли. [26] Несмотря на это, экспериментальные данные показали, что калий является сильно сидерофильным при температурах, связанных с формированием ядра, таким образом, существует потенциал для калия в планетарных ядрах планет, а следовательно, и калия-40 . [27]
Изотопные отношения гафния / вольфрама (Hf/W) при сравнении с хондритовой системой отсчета показывают заметное обогащение в силикатной земле, что указывает на истощение в ядре Земли. Железные метеориты, которые, как полагают, являются результатом очень ранних процессов фракционирования ядра, также обеднены. [21] Изотопные отношения ниобия / тантала (Nb/Ta) при сравнении с хондритовой системой отсчета показывают умеренное истощение в объемной силикатной Земле и Луне. [28]
Предполагается, что палласиты образуются на границе ядра и мантии ранних планетезималей, хотя недавняя гипотеза предполагает, что они представляют собой смеси материалов ядра и мантии, образовавшиеся в результате удара. [29]
Теория динамо — это предложенный механизм для объяснения того, как небесные тела, такие как Земля, генерируют магнитные поля. Наличие или отсутствие магнитного поля может помочь ограничить динамику планетарного ядра. Более подробную информацию см. в разделе Магнитное поле Земли . Динамо требует источника тепловой и/или композиционной плавучести в качестве движущей силы. [28] Тепловая плавучесть от остывающего ядра сама по себе не может управлять необходимой конвекцией, как показано моделированием, поэтому требуется композиционная плавучесть (от изменений фазы ). На Земле плавучесть возникает из-за кристаллизации внутреннего ядра (которая может происходить в результате температуры). Примерами композиционной плавучести являются осаждение железных сплавов на внутреннее ядро и несмешиваемость жидкостей, что может влиять на конвекцию как положительно, так и отрицательно в зависимости от температуры окружающей среды и давления, связанного с телом-хозяином. [28] Другими небесными телами, которые демонстрируют магнитные поля, являются Меркурий, Юпитер, Ганимед и Сатурн. [3]
Планетарное ядро выступает в качестве источника тепла для внешних слоев планеты. На Земле тепловой поток через границу ядра и мантии составляет 12 тераватт. [30] Это значение рассчитывается на основе различных факторов: векового охлаждения, дифференциации легких элементов, сил Кориолиса , радиоактивного распада и скрытой теплоты кристаллизации. [30] Все планетные тела имеют изначальную теплоту или количество энергии от аккреции. Охлаждение от этой начальной температуры называется вековым охлаждением, и на Земле вековое охлаждение ядра передает тепло в изолирующую силикатную мантию. [30] По мере роста внутреннего ядра скрытая теплота кристаллизации добавляется к тепловому потоку в мантию. [30]
Небольшие планетарные ядра могут испытывать катастрофическое высвобождение энергии, связанное с фазовыми изменениями внутри их ядер. Рэмси (1950) обнаружил, что общая энергия, высвобождаемая таким фазовым изменением, будет порядка 10 29 джоулей; эквивалентно общему высвобождению энергии из-за землетрясений в течение геологического времени . Такое событие могло бы объяснить пояс астероидов . Такие фазовые изменения могли бы происходить только при определенных соотношениях массы к объему, и примером такого фазового изменения было бы быстрое образование или растворение твердого компонента ядра. [31]
Все каменистые внутренние планеты, а также луна, имеют ядро с преобладанием железа. Венера и Марс имеют дополнительный основной элемент в ядре. Считается, что ядро Венеры состоит из железа и никеля, как и у Земли. Марс, с другой стороны, считается имеющим железо-серное ядро и разделенным на внешний жидкий слой вокруг внутреннего твердого ядра. [20] По мере увеличения радиуса орбиты каменистой планеты размер ядра относительно общего радиуса планеты уменьшается. [15] Считается, что это происходит потому, что дифференциация ядра напрямую связана с начальным теплом тела, поэтому ядро Меркурия относительно большое и активное. [15] Венера и Марс, а также луна, не имеют магнитных полей. Это может быть связано с отсутствием конвективного жидкого слоя, взаимодействующего с твердым внутренним ядром, поскольку ядро Венеры не является слоистым. [19] Хотя на Марсе есть жидкий и твердый слои, они, по-видимому, не взаимодействуют таким же образом, как жидкие и твердые компоненты Земли взаимодействуют, создавая динамо. [20]
Текущее понимание внешних планет в солнечной системе, ледяных и газовых гигантов, предполагает небольшие ядра горных пород, окруженные слоем льда, а в моделях Юпитера и Сатурна предполагается большая область жидкого металлического водорода и гелия. [19] Свойства этих слоев металлического водорода являются основной областью спора, поскольку их трудно получить в лабораторных условиях из-за требуемых высоких давлений. [32] Юпитер и Сатурн, по-видимому, выделяют гораздо больше энергии, чем они должны излучать только от Солнца, что приписывается теплу, выделяемому слоем водорода и гелия. Уран, по-видимому, не имеет значительного источника тепла, но у Нептуна есть источник тепла, который приписывается «горячему» образованию. [19]
Ниже обобщены известные сведения о планетарных ядрах некоторых незвездных тел.
У Меркурия наблюдается магнитное поле, которое, как полагают, генерируется внутри его металлического ядра. [28] Ядро Меркурия занимает 85% радиуса планеты, что делает его самым большим ядром относительно размера планеты в Солнечной системе; это указывает на то, что большая часть поверхности Меркурия могла быть потеряна в начале истории Солнечной системы. [33] У Меркурия есть твердая силикатная кора и мантия, покрывающие твердый металлический внешний слой ядра, за которым следует более глубокий жидкий слой ядра, а затем возможное твердое внутреннее ядро, образующее третий слой. [33] Состав богатого железом ядра остается неопределенным, но оно, вероятно, содержит никель, кремний и, возможно, серу и углерод, а также следовые количества других элементов. [34]
Состав ядра Венеры существенно различается в зависимости от модели, используемой для его расчета, поэтому необходимы ограничения. [35]
Существование лунного ядра все еще обсуждается; однако, если у него есть ядро, оно должно было сформироваться синхронно с собственным ядром Земли через 45 миллионов лет после начала Солнечной системы, основываясь на гафниево-вольфрамовых свидетельствах [36] и гипотезе гигантского удара . Такое ядро могло содержать геомагнитное динамо на ранней стадии своей истории. [28]
У Земли наблюдается магнитное поле , генерируемое внутри ее металлического ядра. [28] Земля имеет дефицит массы 5–10% для всего ядра и дефицит плотности от 4–5% для внутреннего ядра. [26] Значение Fe/Ni ядра хорошо ограничено хондритовыми метеоритами. [26] Сера, углерод и фосфор составляют только ~2,5% от дефицита компонента/массы легких элементов. [26] Не существует геохимических доказательств включения каких-либо радиоактивных элементов в ядро. [26] Однако экспериментальные данные показали, что калий является сильным сидерофилом при работе с температурами, связанными с аккрецией ядра, и, таким образом, калий-40 мог стать важным источником тепла, способствующим раннему динамо Земли, хотя и в меньшей степени, чем на богатом серой Марсе. [27] Ядро содержит половину земного ванадия и хрома и может содержать значительное количество ниобия и тантала. [26] Ядро обеднено германием и галлием. [26] Дифференциация мантии ядра произошла в течение первых 30 миллионов лет истории Земли. [26] Время кристаллизации внутреннего ядра до сих пор в значительной степени не определено. [26]
Марс, возможно, имел магнитное поле, генерируемое ядром в прошлом. [28] Динамо прекратило свое существование в течение 0,5 миллиарда лет после образования планеты. [2] Изотопы Hf/W, полученные из марсианского метеорита Загами, указывают на быструю аккрецию и дифференциацию ядра Марса; т. е. менее 10 миллионов лет. [23] Калий-40 мог быть основным источником тепла, питающим раннее марсианское динамо. [27]
Слияние ядер прото-Марса и другого дифференцированного планетоида могло произойти всего за 1000 лет или всего за 300 000 лет (в зависимости от вязкости как ядер, так и мантий). [25] Нагрев марсианского ядра от удара привел бы к расслоению ядра и убил бы марсианское динамо на период от 150 до 200 миллионов лет. [25] Моделирование, проведенное Уильямсом и др. в 2004 году, предполагает, что для того, чтобы Марс имел функционирующее динамо, марсианское ядро изначально было на 150 К горячее мантии (что согласуется с историей дифференциации планеты, а также с гипотезой удара), и при жидком ядре калий-40 имел бы возможность разделиться в ядре, обеспечивая дополнительный источник тепла. Модель далее приходит к выводу, что ядро Марса полностью жидкое, поскольку скрытая теплота кристаллизации могла бы приводить в действие более долговечное (более миллиарда лет) динамо. [2] Если ядро Марса жидкое, нижняя граница для серы будет составлять пять весовых %. [2]
У Ганимеда наблюдается магнитное поле, генерируемое внутри его металлического ядра. [28]
У Юпитера наблюдается магнитное поле, генерируемое в его ядре , что указывает на присутствие некоторого металлического вещества. [3] Его магнитное поле является самым сильным в Солнечной системе после магнитного поля Солнца.
У Юпитера есть каменное и/или ледяное ядро, масса которого в 10–30 раз больше массы Земли, и это ядро, вероятно, растворимо в газовой оболочке выше, и поэтому изначально по составу. Поскольку ядро все еще существует, внешняя оболочка должна была изначально аккрецироваться на ранее существовавшем планетарном ядре. [5] Модели теплового сжатия/эволюции подтверждают наличие металлического водорода внутри ядра в больших количествах (больше, чем у Сатурна). [3]
У Сатурна наблюдается магнитное поле, генерируемое внутри его металлического ядра . [3] Металлический водород присутствует внутри ядра (в меньших количествах, чем у Юпитера). [3] У Сатурна есть каменное или ледяное ядро, масса которого в 10–30 раз превышает массу Земли, и это ядро, вероятно, растворяется в газовой оболочке выше, и поэтому оно является первичным по составу. Поскольку ядро все еще существует, оболочка должна была изначально аккрецироваться на ранее существовавшие планетарные ядра. [5] Модели теплового сжатия/эволюции подтверждают наличие металлического водорода внутри ядра в больших количествах (но все еще меньше, чем у Юпитера). [3]
Миссии к телам в поясе астероидов предоставят больше информации о формировании планетарного ядра. Ранее считалось, что столкновения в Солнечной системе полностью сливаются, но недавние исследования планетарных тел утверждают, что остатки столкновений имеют оголенные внешние слои, оставляя после себя тело, которое в конечном итоге станет планетарным ядром. [37] Миссия Psyche под названием «Путешествие в металлический мир» направлена на изучение тела , которое может быть остатком планетарного ядра. [38]
По мере того, как область экзопланет расширяется, поскольку новые методы позволяют открывать как разнообразные экзопланеты, моделируются ядра экзопланет. Они зависят от начальных составов экзопланет, которые выводятся с использованием спектров поглощения отдельных экзопланет в сочетании со спектрами излучения их звезд.
Хтоническая планета возникает, когда внешняя атмосфера газового гиганта стирается его родительской звездой, вероятно, из-за внутренней миграции планеты. Все, что остается от столкновения, — это первоначальное ядро.
Углеродные планеты , ранее звезды, образуются вместе с образованием миллисекундного пульсара . Первая такая обнаруженная планета была в 18 раз плотнее воды и в пять раз больше Земли. Таким образом, планета не может быть газообразной и должна состоять из более тяжелых элементов, которые также широко распространены в космосе, таких как углерод и кислород; что делает ее, вероятно, кристаллической, как алмаз. [39]
PSR J1719-1438 — это 5,7-миллисекундный пульсар, у которого, как обнаружено, есть спутник с массой, схожей с массой Юпитера, но плотностью 23 г/см3 , что позволяет предположить, что спутник представляет собой сверхмаломощный углеродный белый карлик , вероятно, ядро древней звезды. [40]
Экзопланеты с умеренной плотностью (более плотные, чем планеты-гиганты, но менее плотные, чем планеты земной группы) предполагают, что такие планеты, как GJ1214b и GJ436, состоят в основном из воды. Внутреннее давление таких водных миров привело бы к образованию экзотических фаз воды на поверхности и внутри их ядер. [41]