Введение

Внутренние слои планеты
ядро Земли
ядро как тело планетарного образования

Планетарное ядро состоит из самых внутренних слоев планеты. Ядра могут быть полностью твердыми, полностью жидкими или представлять собой смесь твердых и жидких слоев, как это происходит на Земле. В Солнечной системе размеры ядер варьируются от примерно 20% (Луна) до 85% радиуса планеты (Меркурий). Газовые гиганты также имеют ядра, хотя их состав до сих пор остается предметом дискуссий и может варьироваться от традиционного каменно-железного до ледяного или жидкого металлического водорода. Ядра газовых гигантов пропорционально намного меньше, чем у твердых планет, хотя они могут быть значительно больше земного; ядро Юпитера в 10–30 раз массивнее Земли.

Изучать планетарные ядра сложно, поскольку их невозможно достичь бурением и существует очень мало образцов, достоверно происходящих из ядра. Поэтому их изучают с помощью косвенных методов, таких как сейсмология, физика минералов и планетарная динамика.

Ядро Земли

В 1797 году Генри Кавендиш вычислил среднюю плотность Земли, равную 5,48 плотностям воды (позже уточнено до 5,53), что привело к общепринятому мнению о значительно большей плотности Земли во внутренних областях. После обнаружения железных метеоритов Вихерт в 1898 году предположил, что Земля имеет схожий общий состав с железными метеоритами, однако железо осела в недра Земли, и впоследствии представил это, интегрируя общую плотность Земли с недостающим железом и никелем, формирующими ядро. Первое обнаружение ядра Земли произошло в 1906 году благодаря Ричарду Диксону Олдхэму, обнаружившему зону тени P-волн, что свидетельствовало о существовании жидкого внешнего ядра. К 1936 году сейсмологи определили размеры ядра в целом, а также границу между жидким внешним ядром и твердым внутренним ядром.

Ядро Луны

Внутренняя структура Луны была охарактеризована в 1974 году на основе сейсмических данных, полученных в ходе миссий "Аполлон" при исследовании лунных сейсмоволн. Ядро Луны имеет радиус 300 км. Железное ядро Луны состоит из жидкого внешнего слоя, занимающего 60% объема ядра, и твердого внутреннего ядра.

Ядра каменистых планет

Ядра скалистых планет изначально характеризовались анализом данных, полученных с космических аппаратов, таких как NASA Mariner 10, который пролетал мимо Меркурия и Венеры для изучения характеристик их поверхности. Ядра других планет нельзя измерить с помощью сейсмометров на их поверхности, поэтому их приходится определять на основе расчетов, основанных на данных, полученных при пролетных наблюдениях. Масса и размер позволяют провести первоначальную оценку компонентов, составляющих внутреннюю часть планетарного тела. Структура скалистых планет определяется средней плотностью планеты и её моментом инерции. Момент инерции для дифференцированной планеты меньше 0,4, поскольку плотность планеты сосредоточена в центре. Момент инерции Меркурия составляет 0,346, что свидетельствует о наличии ядра. Расчеты на основе закона сохранения энергии, а также измерения магнитного поля также позволяют ограничить состав, а геологическое строение поверхности планет характеризует дифференциацию тела с момента его аккреции. Ядра Меркурия, Венеры и Марса составляют примерно 75%, 50% и 40% от их радиуса соответственно.

Аккреция

Планетарные системы формируются из уплощенных дисков пыли и газа, которые быстро (в течение тысяч лет) аккрецируют в планетезимали диаметром около 10 км. Далее гравитация берет на себя формирование планетарных зародышей размером от Луны до Марса (10⁵ – 10⁶ лет), которые развиваются в планетарные тела в течение дополнительных 10–100 миллионов лет. Юпитер и Сатурн, вероятно, сформировались вокруг ранее существовавших каменистых и/или ледяных тел, превратив эти первоначальные планеты в ядра газовых гигантов. Изотопная система гафния-182/вольфрама-182 имеет период полураспада 9 миллионов лет и считается вымершей примерно через 45 миллионов лет. Гафний – литофильный элемент, а вольфрам – сидерофильный элемент. Следовательно, если металлическая сегрегация (между ядром и мантией Земли) произошла менее чем за 45 миллионов лет, в силикатных резервуарах развиваются положительные аномалии Hf/W, а в металлических резервуарах – отрицательные аномалии относительно недифференцированного хондритового материала. В ходе этого столкновения большая часть железа из Тейи и Земли оказалась включена в ядро Земли.

Марс

Слияние ядер прото-Марса и другого дифференцированного планетоида могло занять от 1000 до 300 000 лет (в зависимости от вязкости обоих ядер).

Определение основного состава Земля

Используя хондритную эталонную модель и объединяя известные составы коры и мантии, можно определить состав неизвестного компонента – внутреннего и внешнего ядра: 85% Fe, 5% Ni, 0,9% Cr, 0,25% Co и все остальные тугоплавкие металлы в очень низкой концентрации, а также 4–5% дефицит массы для внутреннего ядра.

Изотопный состав Земля

Изотопные отношения гафния к вольфраму (Hf/W), при сравнении с хондритовой эталонной шкалой, демонстрируют значительное обогащение в силикатной части Земли, что указывает на обеднение в ядре Земли. Железные метеориты, которые, как считается, образовались в результате очень ранних процессов разделения вещества в ядре, также обеднены.

Метеориты палласита

Считается, что палласиты формируются на границе ядра и мантии ранней планетезимали, однако недавняя гипотеза предполагает, что они представляют собой смесь материалов ядра и мантии, образовавшуюся в результате удара.

Динамо

Теория динамо – это предлагаемый механизм, объясняющий, как небесные тела, такие как Земля, генерируют магнитные поля. Наличие или отсутствие магнитного поля может помочь ограничить динамику планетарного ядра. Более подробную информацию можно найти в статье о магнитном поле Земли. Для работы динамо требуется источник тепловой и/или гравитационной неустойчивости в качестве движущей силы. Эта величина рассчитывается на основе различных факторов: секулярного охлаждения, дифференциации легких элементов, сил Кориолиса, радиоактивного распада и скрытой теплоты кристаллизации.

Внутренние каменистые планеты

Все внутренние каменистые планеты, а также Луна, имеют ядро, состоящее преимущественно из железа. У Венеры и Марса в ядре присутствует дополнительный основной элемент. Считается, что ядро Венеры состоит из железа и никеля, подобно ядру Земли. В то же время, ядро Марса, как полагают, состоит из железа и серы и разделено на внешний жидкий слой, окружающий внутреннее твердое ядро. Юпитер и Сатурн выделяют значительно больше энергии, чем должны излучать, получая тепло только от Солнца, что объясняется теплом, выделяемым слоем водорода и гелия. У Урана, по-видимому, нет значительного внутреннего источника тепла, но у Нептуна есть источник тепла, который связывают с его «горячим» формированием. У Меркурия твердая силикатная кора и мантия, перекрывающие твердый металлический внешний слой ядра, за которым следует более глубокий слой жидкого ядра, а затем, возможно, твердое внутреннее ядро, образующее третий слой.

Венера

Состав ядра Венеры значительно варьируется в зависимости от используемой модели расчёта, поэтому необходимы ограничения. ЭлементХондритовая модельМодель равновесной конденсацииПиролитическая модельЖелезо88,6%94,4%78,7%Никель5,5%5,6%6,6%Кобальт0,26%НеизвестноНеизвестноСера5,1%0%4,9%Кислород0%Неизвестно9,8%

Луна

Существование лунного ядра до сих пор является предметом дискуссий; однако, если оно и существует, то, согласно данным по гафнию-вольфраму и гипотезе гигантского столкновения, оно сформировалось синхронно с ядром Земли через 45 миллионов лет после начала формирования Солнечной системы. Такое ядро могло генерировать геомагнитное динамо на ранних этапах своей истории. Миссия "Психея", названная "Путешествие к металлическому миру", направлена на изучение объекта, который потенциально может являться остатком планетарного ядра.

Внесолнечные

По мере расширения области изучения экзопланет, благодаря новым методам, позволяющим обнаруживать разнообразные экзопланеты, создаются модели их ядер. Эти модели зависят от начального состава экзопланет, который определяется на основе спектров поглощения отдельных экзопланет в сочетании со спектрами излучения их звезды.

Хтонские планеты

Хтонская планета образуется, когда у газового гиганта удаляется внешняя атмосфера под воздействием его звезды, скорее всего, из-за миграции планеты к звезде. В результате остается только исходное ядро.

Планеты, полученные из звездных ядер и алмазные планеты

Углеродные планеты, бывшие когда-то звездами, формируются одновременно с формированием миллисекундного пульсара. Первая обнаруженная планета такого типа имела плотность в 18 раз превышающую плотность воды и в пять раз превышала размер Земли. Следовательно, планета не может быть газообразной и должна состоять из более тяжелых элементов, широко распространенных во Вселенной, таких как углерод и кислород, что делает ее, вероятно, кристаллической, подобно алмазу. PSR J1719-1438 – это 5,7-миллисекундный пульсар, у которого обнаружен спутник с массой, сопоставимой с массой Юпитера, но с плотностью 23 г/см³, что указывает на то, что спутник является ультранизкомассивным углеродным белым карликом, вероятно, ядром древней звезды.

Горячие ледяные планеты

Экзопланеты со средней плотностью (более плотные, чем юпитерианские планеты, но менее плотные, чем земные планеты) позволяют предположить, что такие планеты, как GJ1214b и GJ436, состоят преимущественно из воды. Внутреннее давление на таких водных планетах приведет к формированию экзотических фаз воды на поверхности и внутри их ядер.