Планетарное ядро состоит из самых внутренних слоев планеты . [1] Ядра могут быть полностью твердыми или полностью жидкими, или смесью твердых и жидких слоев, как в случае Земли. [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 до сих пор является предметом споров, а возможный состав варьируется от традиционного камня/железа до льда или жидкого металлического водорода . [3] [4] [5] Ядра газовых гигантов пропорционально намного меньше, чем у планет земной группы, хотя, тем не менее, они могут быть значительно больше, чем у Земли; Юпитер в 10–30 раз тяжелее Земли [5] , а экзопланета HD149026 b может иметь ядро, в 100 раз превышающее массу Земли. [6]
Ядра планет сложно изучать, потому что до них невозможно добраться с помощью бура, и почти нет образцов, которые были бы определенно взяты из ядра. Таким образом, они изучаются с помощью косвенных методов, таких как сейсмология, физика минералов и динамика планет.
В 1797 году Генри Кавендиш рассчитал, что средняя плотность Земли в 5,48 раза превышает плотность воды (позже уточнена до 5,53), что привело к общепринятому убеждению, что Земля внутри намного плотнее. [7] После открытия железных метеоритов Вихерт в 1898 году постулировал, что Земля имеет такой же объемный состав, как и железные метеориты, но железо осело в недрах Земли, а позже представило это путем интегрирования объемной плотности Земли. с отсутствующим железом и никелем в качестве ядра. [8] Первое обнаружение ядра Земли произошло в 1906 году Ричардом Диксоном Олдэмом после открытия теневой зоны P-волны ; жидкое внешнее ядро. [9] К 1936 году сейсмологи определили размер всего ядра, а также границу между жидким внешним ядром и твердым внутренним ядром. [10]
Внутреннее строение Луны было охарактеризовано в 1974 году с использованием сейсмических данных, собранных миссией «Аполлон» по лунным землетрясениям . [11] Ядро Луны имеет радиус 300 км. [12] Железное ядро Луны имеет жидкий внешний слой, составляющий 60% объема ядра, и твердое внутреннее ядро. [13]
Ядра скалистых планет первоначально были охарактеризованы путем анализа данных космических кораблей, таких как «Маринер-10» НАСА, который пролетал мимо Меркурия и Венеры, чтобы наблюдать за характеристиками их поверхности. [14] Ядра других планет невозможно измерить с помощью сейсмометров на их поверхности, поэтому вместо этого их приходится делать выводы на основе расчетов, полученных в результате пролетных наблюдений. Масса и размер могут обеспечить расчет первого порядка компонентов, составляющих внутреннюю часть планетарного тела. Структура каменистых планет ограничена средней плотностью планеты и ее моментом инерции . [15] Момент инерции дифференцированной планеты меньше 0,4, поскольку плотность планеты сосредоточена в центре. [16] Меркурий имеет момент инерции 0,346, что свидетельствует о наличии ядра. [17] Сохранение энергетических расчетов, а также измерений магнитного поля также может ограничивать состав, а геология поверхности 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) аккумулируются в планетезимали диаметром около 10 км. Отсюда гравитация начинает действовать, создавая планетарные зародыши размером с Луну и Марс (10 5–10 6 лет), которые 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 планетарная модель аккреции ядра планеты.
Планетарная дифференциация в широком смысле определяется как развитие от одного предмета ко многим вещам; однородное тело на несколько разнородных компонентов. [22] Изотопная система гафний-182 / вольфрам-182 имеет период полураспада 9 миллионов лет и считается вымершей системой через 45 миллионов лет. Гафний — литофильный элемент , а вольфрам — сидерофильный элемент . Таким образом, если сегрегация металлов (между ядром Земли и мантией) произошла менее чем за 45 миллионов лет, в силикатных резервуарах развиваются положительные аномалии Hf/W, а в металлических резервуарах появляются отрицательные аномалии по отношению к недифференцированному хондритовому материалу. [21] Наблюдаемые отношения Hf/W в железных метеоритах ограничивают сегрегацию металлов до 5 миллионов лет, а соотношение Hf/W в мантии Земли указывает на то, что ядро Земли раскололось в пределах 25 миллионов лет. [21] Несколько факторов контролируют сегрегацию металлического ядра, включая кристаллизацию перовскита . Кристаллизация перовскита в раннем океане магмы представляет собой процесс окисления и может стимулировать производство и извлечение металлического железа из исходного силикатного расплава.
Столкновения между телами размером с планету в ранней Солнечной системе являются важными аспектами формирования и роста планет и планетных ядер.
Гипотеза гигантского удара утверждает, что столкновение между теоретической планетой Тейя размером с Марс и ранней Землей сформировало современные Землю и Луну. [23] Во время этого удара большая часть железа Тейи и Земли вошла в ядро Земли. [24]
Слияние ядра между протомарсом и другим дифференцированным планетоидом могло происходить как быстро, как 1000 лет, так и медленно, как 300 000 лет (в зависимости от вязкости обоих ядер). [25]
Используя эталонную модель хондрита и объединив 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 дефицитом веса внешнего ядра на 5–10%, [26] и дефицитом веса внутреннего ядра на 4–5%; [26] который относят к более легким элементам, которые должны быть распространены в космосе и растворимы в железе; H, O, C, S, P и Si. [21] Ядро Земли содержит половину земного ванадия и хрома , а также может содержать значительное количество ниобия и тантала . [26] Ядро Земли обеднено германием и галлием . [26]
Сера сильно сидерофильна, умеренно летучая и обеднена силикатной землей; таким образом, может составлять 1,9 вес.% ядра Земли. [21] По аналогичным аргументам фосфор может присутствовать до 0,2 мас.%. Однако водород и углерод очень летучи и, следовательно, были бы потеряны во время ранней аккреции и, следовательно, могут составлять только от 0,1 до 0,2 мас.% соответственно. [21] Кремний и кислород, таким образом, составляют оставшийся дефицит массы ядра Земли; хотя содержание каждого из них до сих пор является предметом споров, в основном связанных с давлением и степенью окисления ядра Земли во время его формирования. [21] Не существует геохимических доказательств наличия каких-либо радиоактивных элементов в ядре Земли. [26] Несмотря на это, экспериментальные данные показали, что калий сильно сидерофилен при температурах, связанных с образованием ядра, поэтому существует потенциал для калия в планетных ядрах планет, а следовательно, и для калия-40 . [27]
Изотопные отношения гафний / вольфрам (Hf/W) по сравнению с хондритической системой отсчета показывают заметное обогащение силикатной земли, что указывает на истощение ядра Земли. Железные метеориты, которые, как полагают, образовались в результате очень ранних процессов фракционирования ядра, также истощены. [21] Изотопные отношения ниобия и тантала (Nb/Ta) по сравнению с хондритической системой отсчета показывают небольшое истощение объемного силикатного состава Земли и Луны. [28]
Считается, что палласиты образуются на границе ядра и мантии ранней планетезимали, хотя недавняя гипотеза предполагает, что они представляют собой образовавшуюся в результате удара смесь материалов ядра и мантии. [29]
Теория динамо — это предлагаемый механизм, объясняющий, как небесные тела, такие как Земля, генерируют магнитные поля. Наличие или отсутствие магнитного поля может помочь ограничить динамику ядра планеты. Для получения более подробной информации обратитесь к магнитному полю Земли . Динамо-машине требуется источник тепловой и/или композиционной плавучести в качестве движущей силы. [28] Тепловая плавучесть от охлаждающегося ядра сама по себе не может обеспечить необходимую конвекцию, как показано в моделировании, поэтому требуется композиционная плавучесть (из изменений фазы ). На Земле плавучесть возникает в результате кристаллизации внутреннего ядра (которая может происходить в результате температуры). Примеры композиционной плавучести включают осаждение сплавов железа на внутреннее ядро и несмешиваемость жидкости, что может влиять на конвекцию как положительно, так и отрицательно в зависимости от температуры и давления окружающей среды, связанных с телом-хозяином. [28] Другими небесными телами, обладающими магнитными полями, являются Меркурий, Юпитер, Ганимед и Сатурн. [3]
Ядро планеты действует как источник тепла для внешних слоев планеты. На Земле тепловой поток через границу ядра-мантии составляет 12 тераватт. [30] Это значение рассчитывается с учетом множества факторов: векового охлаждения, дифференциации легких элементов, сил Кориолиса , радиоактивного распада и скрытой теплоты кристаллизации. [30] Все планетные тела имеют первоначальную теплоту или количество энергии, полученной в результате аккреции. Охлаждение от этой начальной температуры называется вековым охлаждением, а на Земле вековое охлаждение ядра передает тепло изолирующей силикатной мантии. [30] По мере роста внутреннего ядра скрытая теплота кристаллизации добавляется к тепловому потоку в мантию. [30]
Маленькие планетарные ядра могут испытывать катастрофическое выделение энергии, связанное с фазовыми изменениями внутри их ядер. Рэмси (1950) нашел, что полная энергия, выделяемая при таком фазовом переходе, будет порядка 10 29 джоулей; эквивалентен общему выделению энергии в результате землетрясений в течение геологического времени . Такое событие могло бы объяснить появление пояса астероидов . Такие фазовые изменения могут происходить только при определенных соотношениях массы и объема, и примером такого фазового изменения может быть быстрое образование или растворение твердого основного компонента. [31]
Все каменистые внутренние планеты, а также Луна имеют ядро с преобладанием железа. Венера и Марс имеют в ядре дополнительный главный элемент. Считается, что ядро Венеры, как и Земля, железо-никелевое. С другой стороны, Марс, как полагают, имеет железо-серное ядро и разделен 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 связано с тем, что дифференциация ядра напрямую связана с первоначальным нагревом тела, поэтому ядро Меркурия относительно большое и активное. [15] Венера и Марс, а также Луна не имеют магнитных полей. Это могло быть связано с отсутствием конвекционного слоя жидкости, взаимодействующего с твердым внутренним ядром, поскольку ядро Венеры не является слоистым. [19] Хотя на Марсе действительно есть жидкий и твердый слои, они, по-видимому, не взаимодействуют таким же образом, как жидкие и твердые компоненты Земли взаимодействуют, образуя динамо-машину. [20]
Современные представления о внешних планетах Солнечной системы, ледяных и газовых гигантах, предполагают небольшие каменные ядра, окруженные слоем льда, а модели Юпитера и Сатурна предполагают наличие большой области жидкого металлического водорода и гелия. [19] Свойства этих слоев металлического водорода являются основной областью споров, поскольку их трудно производить в лабораторных условиях из-за необходимого высокого давления. [32] Юпитер и Сатурн, похоже, выделяют гораздо больше энергии, чем они должны излучать только от Солнца, что объясняется теплом, выделяемым слоями водорода и гелия. Уран, похоже, не имеет значительного источника тепла, но у Нептуна есть источник тепла, который приписывают «горячему» образованию. [19]
Ниже суммированы известные сведения о планетарных ядрах данных незвездных тел.
У Меркурия есть наблюдаемое магнитное поле, которое, как полагают, генерируется внутри его металлического ядра. [28] Ядро Меркурия занимает 85% радиуса планеты, что делает его самым большим ядром по сравнению с размером планеты в Солнечной системе; это указывает на то, что большая часть поверхности Меркурия могла быть потеряна в начале истории Солнечной системы. [33] Меркурий имеет твердую силикатную кору и мантию, покрывающую твердый металлический внешний слой ядра, за которым следует более глубокий слой жидкого ядра, а затем, возможно, 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 значительно варьируется в зависимости от модели, использованной для его расчета, поэтому необходимы ограничения. [35]
Существование лунного ядра до сих пор обсуждается; однако, если бы у него действительно было ядро, оно сформировалось бы синхронно с собственным ядром Земли через 45 миллионов лет после запуска Солнечной системы, основываясь на данных о гафнии-вольфраме [36] и гипотезе гигантского удара . В таком ядре, возможно, на ранних этапах своей истории располагалось геомагнитное динамо. [28]
У Земли есть наблюдаемое 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] Соотношение Fe/Ni в ядре хорошо ограничивается хондритовыми метеоритами. [26] Сера, углерод и фосфор составляют лишь ~2,5% дефицита компонента/массы легких элементов. [26] Никаких геохимических доказательств наличия каких-либо радиоактивных элементов в ядре не существует. [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 динамо ранней 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 ядра мантии произошла в течение первых 30 миллионов лет истории Земли. [26] Время кристаллизации внутреннего ядра до сих пор в значительной степени не решено. [26]
Марс, возможно, в прошлом имел магнитное поле, генерируемое ядром. [28] Динамо-машина прекратилась через 0,5 миллиарда лет после формирования 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, приводившим в действие раннюю марсианскую динамо-машину. [27]
Слияние ядра протомарса с другим дифференцированным планетоидом могло происходить как быстро, как 1000 лет, так и медленно, как 300 000 лет (в зависимости от вязкости как ядер, так и мантии). [25] Ударный нагрев марсианского ядра мог бы привести к расслоению ядра и уничтожить марсианское динамо на период от 150 до 200 миллионов лет. [25] Моделирование выполнено Уильямсом и др. 2004 предполагает, что для того, чтобы Марс имел функциональное динамо, марсианское ядро изначально было на 150 К горячее , чем мантия (что согласуется с историей дифференциации планеты, а также с гипотезой удара), и с жидким калиевым ядром. -40 имел бы возможность разделиться на ядро, обеспечив дополнительный источник тепла. Модель далее приходит к выводу, что ядро Марса полностью жидкое, поскольку скрытая теплота кристаллизации привела бы в действие динамо-машину, работающую дольше (более одного миллиарда лет). [2] Если ядро Марса жидкое, нижняя граница содержания серы будет составлять пять весовых %. [2]
У Ганимеда есть наблюдаемое магнитное поле, генерируемое внутри его металлического ядра. [28]
У Юпитера наблюдается наблюдаемое магнитное поле, генерируемое внутри его ядра , что указывает на присутствие некоторого металлического вещества. [3] Его магнитное поле является самым сильным в Солнечной системе после Солнца.
Юпитер имеет каменное и/или ледяное ядро, масса которого в 10–30 раз превышает массу Земли, и это ядро, вероятно, растворимо в газовой оболочке выше и поэтому имеет первичный состав. Поскольку ядро все еще существует, внешняя оболочка, должно быть, изначально срослась с ранее существовавшим ядром планеты. [5] Модели теплового сжатия/эволюции подтверждают наличие металлического водорода внутри ядра в больших количествах (больше, чем у Сатурна). [3]
Сатурн имеет наблюдаемое магнитное поле, генерируемое внутри его металлического ядра . [3] Металлический водород присутствует в ядре (в меньших количествах, чем на Юпитере). [3] Сатурн имеет каменное или ледяное ядро, масса которого в 10–30 раз превышает массу Земли, и это ядро, вероятно, растворимо в газовой оболочке выше, и поэтому оно имеет первичный состав. Поскольку ядро все еще существует, оболочка, должно быть, изначально срослась с ранее существовавшими ядрами планет. [5] Модели теплового сжатия/эволюции подтверждают наличие металлического водорода внутри ядра в больших количествах (но все же меньше, чем у Юпитера). [3]
Миссии к телам в поясе астероидов дадут больше информации о формировании планетарных ядер. Ранее считалось, что столкновения в Солнечной системе полностью слились, но недавние исследования планетных тел утверждают, что у остатков столкновений были удалены внешние слои, оставив после себя тело, которое в конечном итоге станет ядром планеты. [37] Миссия «Психея » под названием «Путешествие в металлический мир» направлена на изучение тела , которое могло бы быть остатком планетарного ядра. [38]
Поскольку область экзопланет растет, поскольку новые методы позволяют открывать обе разнообразные экзопланеты, ядра экзопланет моделируются. Они зависят от начального состава экзопланет, который определяется на основе спектров поглощения отдельных экзопланет в сочетании со спектрами излучения их звезд.
Хтоническая планета возникает, когда внешняя атмосфера газового гиганта отрывается родительской звездой, вероятно, из-за внутренней миграции планеты. Все, что осталось от встречи, — это оригинальное ядро.
Углеродные планеты , ранее бывшие звездами, формируются одновременно с формированием миллисекундного пульсара . Первая обнаруженная такая планета имела плотность в 18 раз больше воды и в пять раз больше Земли. Таким образом, планета не может быть газообразной и должна состоять из более тяжелых элементов, которых также много в космосе, таких как углерод и кислород; что делает его, вероятно, кристаллическим, как алмаз. [39]
PSR J1719-1438 — пульсар с длительностью 5,7 миллисекунды, у которого обнаружен спутник с массой, аналогичной Юпитеру, но с плотностью 23 г/см 3 , что позволяет предположить, что спутник представляет собой углеродный белый карлик со сверхмалой массой , вероятно, ядро древней звезды. [40]
Экзопланеты с умеренной плотностью (более плотные, чем планеты-гиганты, но менее плотные, чем планеты земной группы) позволяют предположить, что такие планеты, как GJ1214b и GJ436, состоят в основном из воды. Внутреннее давление таких водных миров приведет к образованию экзотических фаз воды на поверхности и внутри их ядер. [41]
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )