Земля - самая плотная планета Солнечной системы. Это не должно быть

Исходя из атомов, из которых они состоят, самая внутренняя планета всегда должна быть самой плотной. Вот почему Земля превосходит Меркурий безоговорочно.

Ключевые выводы

Когда солнечные системы только формируются, самые тяжелые элементы опускаются преимущественно к центральной протозвезде, в то время как более легкие элементы легко уносятся ветром.
Основываясь только на их атомном составе и соотношениях, Меркурий должен быть самой плотной планетой.
Но Земля еще плотнее из-за сочетания ее состава и гравитационного сжатия. Вот почему так важна вся история.

Когда дело доходит до Солнечной системы, элементы, из которых состоит каждая планета, определяются тем, как они все сформировались. Ближайшие к Солнцу высокие температуры, большое количество солнечной радиации и интенсивные солнечные ветры могут легко выбить самые легкие элементы из любых формирующихся протопланет. Но чем дальше от Солнца, этим факторам труднее вытеснять легкие элементы. В результате мы получаем планеты, которые непропорционально состоят из более тяжелых элементов, чем ближе вы подходите к Солнцу, и имеют более низкую плотность состава и большое количество более легких атомов, чем дальше мы отправляемся.

В самой внутренней части Солнечной системы находится планета Меркурий, которая имеет лишь незначительную атмосферу и состоит в основном из каменистого и металлического материала. По мере того, как мы удаляемся от Солнца, атмосферы становятся обычными, как и большее количество более легких элементов. Если бы мы посмотрели на состав каждой планеты с точки зрения составляющих ее атомов, Меркурий имел бы самый высокий процент тяжелых элементов, уступая Венере и Земле, а Марс еще дальше..

Вы можете подумать, что это сделает Меркурий самой плотной планетой, но это совсем не так. Если измерить массу каждой планеты и разделить ее на объем, то окажется, что Земля, а не Меркурий, является самым плотным миром в нашей Солнечной системе. Вот удивительная наука, почему.

Относительное содержание элементов в Солнечной системе было измерено в целом, причем наиболее распространенными элементами были водород и гелий, за которыми следуют кислород, углерод и множество других элементов. Однако состав самых плотных тел, таких как планеты земной группы, искажен, чтобы быть совершенно другим подмножеством этих элементов.

Из чего именно состоят различные планеты? На поверхностном уровне ответ прост: атомы. Если мы перемотаем часы примерно на 4,6 миллиарда лет назад, к тому времени, когда наша Солнечная система только начинала формироваться, мы бы увидели, как множество конкурирующих процессов работают друг против друга, когда дело доходит до создания не только больших планет, но и каждого тела в Солнечной системе.. Из начального облака коллапсирующего газа образуется и начинает расти большое количество массивных сгустков - гравитационных несовершенств. Сгустки, которые становятся достаточно большими и достаточно быстро, будут преимущественно притягивать окружающую их материю, и космические «победители» в этих газовых облаках - это те, которые появятся хотя бы с одной звездой внутри.

Наша центральная протозвезда представляет собой один из таких скоплений, и когда она впервые образовалась, она образовалась вместе с протопланетным диском, как и практически все известные нам протозвезды. Этот диск, даже на ранних стадиях, будет состоять из самых разных материалов: всех атомов, которые присутствовали в молекулярном облаке, которое коллапсировало, чтобы сформировать нас. Однако ключевое значение имеет центральное расположение протозвезды: место, где скапливается наибольшая масса, также является для молодой Солнечной системы источником:

нагревать
электромагнитное излучение
высокоэнергетические частицы
гравитация

Проще говоря, это основной внешний фактор, управляющий эволюцией всей окружающей материи.

Выборка из 20 протопланетных дисков вокруг молодых, зарождающихся звезд, измеренная в рамках проекта Disk Substructures at High Angular Resolution: DSHARP. Наблюдения, подобные этим, показали нам, что протопланетные диски формируются в основном в одной плоскости, что согласуется с теоретическими ожиданиями и расположением планет в нашей собственной Солнечной системе.

Наиболее распространенная конфигурация Солнечных систем, о которой мы узнали только путем непосредственного измерения свойств протопланетных дисков, находящихся в процессе формирования планет вокруг других новорожденных звезд, состоит в том, что они формируют планеты в единый самолет. Пока наше Солнце формировалось, в него втягивался газ, а вокруг него образовывался большой, рассеянный и пыльный диск материи.

Вы получаете диск по той же причине, по которой спиральные галактики образуют диск: всякий раз, когда у вас есть сгусток материи, он будет распределен асимметрично, и одна ось неизбежно будет короче другой. два. Эта ось схлопнется раньше двух других, и, поскольку материал состоит из обычной материи, он ударится в этом направлении.

Вы можете возмутиться, насколько ненаучно звучит слово «сплат», но научный термин не намного лучше: вместо этого мы говорим, что это «блинчики». Поскольку обычная материя состоит из атомов и их составляющих, нас не должно удивлять, что они «хлопают» при столкновении, и этот «плеск» означает, что они нагреваются в результате столкновений и трения. Через очень короткий промежуток времени мы получаем диск материи, который вращается вокруг центральной, растущей и нагревающейся массы.

На иллюстрации этого художника изображена протозвезда, окруженная протопланетным диском, внутри которого находятся молодые протопланетезимали. Самые большие протопланеты находятся в областях с наименьшей плотностью диска, и первые «пробелы» в диске будут соответствовать самым ранним и самым массивным возникающим планетам.

Это довольно типично для протопланетного диска. Но дальше идет космическая гонка между этими важными конкурирующими факторами. Вот в чем дело.

В этом диске существуют гравитационные несовершенства, которые приведут к формированию, росту и работе сгустков материи, притягивающих к себе окружающий материал.
Когда глыбы сталкиваются, они могут либо слипаться и ускорять свой рост, либо разбивать друг друга вдребезги, что приводит к фрагментации и повторному заселению диска.
В то же время излучение и частицы, исходящие от центральной звезды, будут эффективно выталкивать частицы, с которыми она сталкивается, отбрасывая их на более высокие, менее тесно связанные орбиты.

На первый взгляд кажется, что это очень простая гонка. Несовершенства будут стремиться формировать планеты и поглощать столько массы, сколько смогут, в то время как центральный протозвездный двигатель будет стремиться сдуть этот формирующий планету материал. С течением времени и развитием протозвезда нагревается, что означает, что она предпочтительно более эффективно отталкивает летучий материал с низкой плотностью, особенно материал, ближайший к самой центральной звезде.

В системе, в которой доминирует одна протозвезда, будут основные регионы, определяемые несколькими линиями, включая линию сажи и линию инея. Помимо последней большой массивной планеты, можно также провести дополнительную линию, в которой все внешние по отношению к ней объекты имеют больше общего друг с другом, чем с любым другим классом объектов.

Неудивительно, что самые большие и самые ранние сгустки, которые сформируются, будут наиболее успешными, сметая всю материю на своих орбитах и с окружающих орбит. Они не просто сформируют единую массивную планету, но также сформируют свою собственную миниатюрную протосистему; все планеты-гиганты сформировали околопланетные диски, аналог протопланетных дисков, которые формируются вокруг новорожденных звезд.

Кроме того, самые ранние сгустки будут притягивать смесь трех разных типов материи, присутствующих в этих ранних протопланетных дисках:

тяжелые металлы, которые быстро осядут в ядрах этих массивных глыб
мантийный материал, в основном состоящий из силикатов и других скалистых частиц
летучие вещества или легкие элементы и соединения, которые легко выкипают при нагревании

Вот рецепт формирования всего, что мы видим в нашей современной Солнечной системе.

Хотя теперь мы считаем, что понимаем, как сформировались Солнце и наша солнечная система, этот ранний вид является лишь иллюстрацией. Когда дело доходит до того, что мы видим сегодня, все, что у нас осталось, это выжившие. То, что было вокруг на ранних стадиях, было гораздо более многочисленным, чем то, что сохранилось сегодня, факт, который, вероятно, верен для каждой солнечной системы и неудавшейся звездной системы во Вселенной.

Летучие вещества легче всего уносятся из внутренней части Солнечной системы, в то время как остаются только более тяжелые элементы. Следовательно, самая внутренняя планета, Меркурий, должна состоять из самых тяжелых элементов, и, следовательно, вы ожидаете, что Меркурий будет самой плотной планетой. Венера и Земля находятся дальше, но они оба значительно массивнее Меркурия, что указывает на то, что они, вероятно, образовались немного раньше. Когда планета формируется рано, она может втянуть в себя большее количество массы, поскольку доступной массы больше, а это означает, что вы, вероятно, получите несколько иное соотношение материалов: вероятно, меньше металлов, больше материала, похожего на мантию, и некоторые из летучие вещества, которых не хватает самой внутренней планете.

Мы ожидаем, что Марс будет состоять из менее плотного материала, чем любая из трех других планет земной группы. Астероиды должны быть в среднем несколько менее плотными, чем Марс, хотя возможно, что летучие вещества некоторых астероидов полностью испарились, оставив после себя более плотное ядро. Юпитер, вероятно, был самым ранним скоплением, сформировавшимся в нашем протопланетном диске, и, вероятно, имеет массивное плотное ядро, которое во много раз превышает массу и размер Земли. Водород и гелий, которыми он обладает, представляют собой первозданное летучее вещество, но Юпитер может удержать его только благодаря своей огромной массе. Однако вблизи Юпитера и за его пределами все спутники, планеты и другие тела обладают меньшей общей плотностью, чем внутренние планеты земной группы.

Все тела, происходящие из пояса астероидов Солнечной системы, отсортированные по массе и плотности (как известно). Вы должны спуститься к очень малой массе, около 0,001% массы Земли, прежде чем вы достигнете объектов, которые соперничают с плотностью Марса или превышают ее.

Итак, возможно, вы наивно полагали, что Меркурий будет самой плотной планетой, за которой следует Венера, затем Земля, затем Марс, а затем планеты-гиганты в некотором порядке. Если вы включите спутники этих планет-гигантов, а также астероиды, некоторые из них могут конкурировать с Марсом - наименее плотной из каменистых планет - с точки зрения плотности. Но все они будут намного меньше и меньше по массе. Конечно, вы ожидаете, что ни один из этих других миров не сможет сравниться с тремя самыми внутренними планетами Солнечной системы.

На самом деле так оно и есть, если не считать одного гигантского сюрприза: Меркурий, Венера и Земля - три самых плотных мира в Солнечной системе. Следующим по плотности объектом является Марс, за ним следует самая внутренняя большая луна Юпитера, Ио, затем следует луна Земли, а затем вторая большая луна Юпитера, Европа. Каждый другой большой мир Солнечной системы менее плотный, чем гранит и базальт, типичные горные породы на поверхности Земли, и только несколько других миров подозреваются в наличии металлического ядра.

И да, Меркурий немного плотнее Венеры, как и следовало ожидать. Но Земля? Удивительно, но Земля побила их всех. По плотности Земля является рекордсменом в нашей Солнечной системе; ни один другой мир не превосходит плотность нашей планеты.

Когда дело доходит до больших негазовых миров Солнечной системы, Меркурий имеет самое большое металлическое ядро по сравнению с его размером. Однако именно Земля является самым плотным из всех этих миров, и ни одно другое крупное тело не может сравниться по плотности.

Это должно быть сюрпризом. В конце концов, если бы мы составили список плотностей восьми главных планет, просто измерив их массы и объемы, мы бы получили вот что. В граммах на кубический сантиметр (г/см³), где плотность воды 1 г/см^{3, плотности планет:}

Ртуть: 5,43 г/см³
Венера: 5,24 г/см³
Земля: 5,51 г/см³
Марс: 3,93 г/см³
Юпитер: 1,33 г/см³
Сатурн: 0,69 г/см³
Уран: 1,27 г/см³
Нептун: 1,64 г/см³

Все они идут в порядке убывания, пока плотность снова немного не поднимется за пределами Сатурна, но Земля будет торчать как больной палец. По какой-то причине Земля является самой плотной планетой, опережая даже внутренние Меркурий и Венеру.

Это должно быть еще более удивительным, когда мы думаем о составе Меркурия. У Меркурия не только нет атмосферы, но и очень тонкая мантия: она составляет всего около 15% радиуса Меркурия. Помимо этого, Меркурий почти полностью состоит из металлического ядра, которое составляет около 85% его внутренней части по радиусу, а также объясняет, почему у Меркурия наблюдается наблюдаемое магнитное поле. Как будто с Меркурия была удалена не только атмосфера, но и большая часть того, что станет его внешними слоями. И все же для Земли, ядро которой составляет лишь около 55% нашего радиуса, и где мы почти в три раза дальше от Солнца, чем Меркурий, мы самая плотная планета из всех.

Этот вид в разрезе четырех планет земной группы плюс Луна Земли показывает относительные размеры ядер, мантий и корок этих пяти миров. Обратите внимание, что у Меркурия есть ядро, которое составляет 85% его внутренней части по радиусу; Граница между ядром и мантией Венеры весьма неопределенна; и что сам Меркурий - единственный известный нам мир без коры.

Итак, кто виноват?

Верьте или нет, это просто из-за гравитации. Внутри ядра Земли совокупная гравитационная сила всего, что ее окружает, оказывает сокрушительное давление на внутреннюю часть планеты: примерно в 3 600 000 раз больше, чем давление, которое мы испытываем на уровне моря, и значительно меньше, чем любое давление, испытываемое внутри Меркурия. При таком экстремальном давлении сами атомы начинают изменяться, поскольку они сжимаются лишь до доли своего нормального размера при нулевом давлении. Этот фактор, известный как гравитационное сжатие, является ключом к пониманию удивительной плотности Земли.

Как оказалось - и это было разработано еще в 1950-х годах - планета не может быть намного больше Земли и при этом оставаться каменистой планетой. За пределами радиуса 10 000 километров (а Земля уже упирается в радиус, превышающий 6 000 километров), планета фактически начнет сжиматься по мере того, как вы добавляете все больше и больше массы. По мере роста массы вашей планеты размеры центральных атомов уменьшаются быстрее, чем дополнительно добавляемые атомы увеличивают общий размер планеты.

Земля под тонкой атмосферой и океанами переходит от преимущественно каменистого материала к металлическому ядру, когда вы проходите примерно 45% пути вниз. При давлении в ядре, превышающем 3,6 миллиона атмосфер, атомы в ядре сжимаются до доли своего первоначального размера, что объясняет нехарактерно высокую плотность Земли.

Эффекты гравитационного сжатия имеют жизненно важное значение при рассмотрении плотности планеты. Без них Меркурий вернулся бы к своей позиции самой плотной планеты Солнечной системы, победив Землю и обойдя Венеру с еще большим отрывом, чем сейчас. Основываясь только на атомном составе, Меркурий состоит из более плотных и тяжелых атомов, чем любая другая планета в нашей Солнечной системе. Если бы мы смотрели только на атомы, из которых они состоят, плотности Земли и Венеры были бы очень близки друг к другу, а наше непонимание внутреннего устройства Венеры означает, что остается возможным, что Венера - основываясь исключительно на том, из чего она состоит. может состоять даже из более тяжелого «вещества», чем Земля.

Но Земля массивна: намного массивнее Меркурия и даже массивнее Меркурия, Венеры и Марса вместе взятых. Этого большого количества массы в одном месте достаточно, чтобы начать существенно сжимать атомы внутри Земли, и особенно в ядре Земли, что является решающей причиной того, что Земля является самой плотной планетой Солнечной системы. Если бы атомы были действительно и полностью несжимаемыми, Меркурий был бы самой плотной планетой Солнечной системы, а плотность Земли была бы сравнима только с плотностью Венеры. Примечательно, что даже в планетарных масштабах физика, управляющая скромным атомом, в конечном итоге отвечает за ответ на вопрос: «Почему Земля, а не Меркурий, является самой плотной планетой из всех?»