Железо, камень и металлический водород: что находится в центрах планет Солнечной системы

Если наблюдениями небесных тел люди начали заниматься по большей части из чистого любопытства, то исследование Земли всегда имело большой практический смысл. Но проникновение в ее недра оказалось гораздо более сложным процессом, чем изучение далеких светил. Со многими аспектами ее внутренней структуры мы до сих пор знакомы лишь теоретически. Еще труднее проводить такие исследования на других планетах. Что же мы знаем о них и что нам дают эти знания?

Изучение внутреннего строения планет Солнечной системы тесно связано с исследованием их эволюции. Процесс их образования из газово-пылевого облака был длительным, причем для каждого тела продолжительность этого процесса зависела от его массы и размера. По понятным причинам больше всего мы знаем о внутреннем составе Земли. В этом нам помогли сейсмические данные, наблюдения теплового потока из недр, а также измерения гравитационного и магнитного полей. При этом принимаются во внимание геологические характеристики поверхности, которые могут отражать следы внутренних (эндогенных) процессов. Большая роль в получении информации о состоянии вещества в планетных недрах отводится также лабораторным экспериментам, связанным с физикой высоких давлений и температур.

Полученные данные и найденные закономерности ученые попытались экстраполировать на другие объекты Солнечной системы. Но настоящий прорыв в планетологии произошел, когда к соседним планетам отправились автоматические исследовательские зонды. Многие из них уже совершили мягкую посадку на поверхность Луны, Венеры, Марса, нескольких небольших астероидов и сатурнианского спутника Титана.

Сейчас мы знаем, что по физическим свойствам большие планеты делятся на две группы в порядке их удаленности от Солнца. Четыре ближайших к нему — Меркурий, Венера, Земля и Марс — принадлежат к планетам земной группы, а все остальные — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — к планетам-гигантам. Они отличаются размерами, состоянием поверхности и средней плотностью. Эта разница обусловлена ростом температуры в протопланетном диске по мере приближения к центральному светилу, вблизи которого в виде твердых частиц смогли сохраниться наименее летучие компоненты, имевшие высокую плотность.

Планеты земной группы

Как уже упоминалось, больше всего нам известно о составе и строении недр Земли. Считается, что с физико-химической точки зрения она имеет две составляющие: силикатную оболочку (или мантию) и металлическое ядро. Земная кора имеет вторичное происхождение: она «отделилась» от мантии на ранних стадиях эволюции вследствие гравитационной дифференциации, когда легкие компоненты «всплывали», а тяжелые — опускались к ядру.

Внутреннее строение Земли. Источник: wikipedia

Под континентами земная кора простирается до глубины почти 40 км, образую тонкий в масштабах планеты внешний слой. Континентальная кора состоит из легкого вещества (преимущественно из гранита), океаническая — в 2-3 раза тоньше, в ее составе преобладают базальты. Мантия простирается от коры до глубины 2900 км и по объему занимает почти 80% Земли. Силикатная мантия — твердая, но в геологических масштабах времени она ведет себя как вязкая жидкость.

Ниже мантии располагается жидкое внешнее ядро, состоящее из железа с примесями легких веществ (углерод, кислород, кремний и сера), а в самом центре находится твердое внутреннее ядро из железно-никелевого сплава. В качестве примесей в нем присутствуют тяжелые металлы.

Из всех планет за пределами Земли лучше всего изучено внутреннее строение Марса. Согласно современным представлениям, его кора имеет толщину 50-100 км и представляет собой одну большую тектоническую плиту (в отличие от земной коры, где таких плит много и их движение является важной составляющей планетной эволюции). Некоторые исследователи не исключают, что тектоника плит все же имела место на начальных этапах марсианской истории — свыше 4 млрд лет назад. Ядро Марса находится в жидком состоянии благодаря тому, что железо и никель, из которых оно состоит, содержат значительную примесь серы. Его радиус равен половине радиуса самой планеты. В 2019-2023 годах посадочный зонд InSight осуществлял сейсмические эксперименты на марсианской поверхности.

Внутреннее строение Марса. Источник: NASA/JPL-Caltech

Другая планета земной группы — Венера — по своим параметрам (радиус, масса, средняя плотность) очень похожа на Землю. Она тоже имеет жидкое железное ядро, но из-за малой скорости вращения лишена магнитного поля. Там отсутствуют следы глобальной тектоники плит, а самым существенным отличием является относительно молодой возраст горных пород на венерианской поверхности. Радарные исследования обнаружили на ней отчетливые признаки вулканической деятельности.

Внутреннее строение Венеры. Источник: Wikipedia

К сожалению, из-за высокой температуры (примерно 470°С) и давления у поверхности (более 90 бар) технические условия для сейсмических экспериментов на Венере очень сложны: ни один из существующих инструментов не способен проработать там более двух часов. Поэтому сейчас разрабатывают альтернативную методику регистрации сигналов и исследований активности в венерианской атмосфере, связанной с сейсмическими процессами в недрах планеты.

Внутреннее строение Меркурия. Источник: NASA

Наименее изученной планетой земной группы является Меркурий — самый маленький по размеру и ближайший к Солнцу. Он не имеет атмосферы, толщина его коры достигает 50 км, а железо-никелевое ядро занимает примерно ¾ радиуса планеты и окружено силикатной мантией толщиной 400 км. В отличие от Венеры, Меркурий обладает глобальным магнитным полем. Считается, что оно образуется по принципу гидромагнитного динамо (как у Земли) — благодаря циркуляции вещества в жидком ядре.

Газовые и ледяные гиганты

Планеты-гиганты сформировались на таком расстоянии от Солнца, где его тепло не столь активно испаряло летучие химические соединения, поэтому они состоят преимущественно из гелия и водорода с примесями воды, метана и аммиака. Все они имеют значительно меньшую среднюю плотность, чем планеты земной группы («рекордсменом» по этому показателю является Сатурн с плотностью 0,687 г/см³ — это меньше, чем у воды). На ранних стадиях эволюции эти объекты довольно быстро росли за счет ледяной компоненты, что позволило им не только вобрать в себя большую массу газа из своей области пространства, но и «удержать» водородно-гелиевую компоненту. Благодаря этому в них оказалась сосредоточенной почти вся планетная масса и подавляющая часть момента количества движения Солнечной системы.

Внутренняя структура Юпитера. Источник: NASA/JPL-Caltech

Из-за огромной массы планет-гигантов их недра сильно разогреваются вследствие гравитационного сжатия. Среди них выделяют две подгруппы: Юпитер и Сатурн являются преимущественно водородными планетами, а Уран и Нептун содержат большое количество водяного льда (поэтому их часто называют ледяными гигантами). Юпитер в среднем на 80% состоит из газа — водорода, гелия, неона, метана, моноксида углерода. Приблизительно 15% приходится на ледяную компоненту (вода, аммиак, углекислый газ), остальные 5% — это железно-силикатная компонента (железо, никель, оксиды железа, магния, кальция, алюминия, кремния и др.), «собранная» в каменно-металлическое ядро. У Сатурна газовая компонента немного меньше, а ледяная — больше: 70% і 23% соответственно. Также в его составе содержится больше металлов и силикатов. Ученые предполагают, что юпитерианское и сатурнианское ядро окружено слоем экзотического вещества — так называемого металлического водорода. Он находится под невероятно высоким давлением и является проводником электрического тока, что и обуславливает наличие мощных магнитных полей у двух крупнейших планет.

Внутренняя структура Сатурна. Источник: ESA

На данный момент известно, что атмосферы Юпитера и Сатурна имеют меньшее содержание гелия по сравнению с Солнцем. Поэтому ученые сделали вывод о дифференциации этого элемента и наличии двухслойного ядра, в котором внешний слой заметно им обогащен. Последние исследования, выполненные космическим аппаратом Cassini, на основе анализа колебаний в сатурнианских кольцах, вызванных колебаниями гравитационного поля планеты, позволили сделать более точные оценки размера и массы ее ядра. Оказалось, что его радиус может составлять почти 60% радиуса газового гиганта, при этом треть его массы приходится на каменистые породы и лед. В составе Урана и Нептуна ледяная компонента больше; второе место по массе в них занимают силикатные породы.

Внутренняя структура Урана и Нептуна. Источник: https://pages.uoregon.edu

В недрах планет-гигантов водород находится в так называемых закритических условиях. При погружении вглубь газовая атмосфера постепенно уплотняется под давлением вышележащих слоев и без четкой границы переходит в жидкое, сравнительно плотное состояние, не образуя классической «поверхности». Стоит заметить, что самые точные ограничения на модели внутренней структуры этих планет ученые получают в ходе исследований их гравитационных полей. Однако на результаты также сильно влияют атмосферные процессы, из-за чего измерить массу и размеры ядер Юпитера и Сатурна з высокой точностью практически невозможно (не говоря уже об Уране и Нептуне).

* * *

Как видим, планеты Солнечной системы представляют собой сложный конгломерат твердого вещества, жидкостей, газов и электромагнитных полей, состав и структура которых сильно зависят от условий формирования конкретного тела в протопланетном диске более 4,5 млрд лет назад. Несмотря на существенные достижения планетологии, в ней до сих пор остается много открытых вопросов, ответить на которые помогут новые космические миссии, а также данные о характеристиках планет в других звездных системах. И хотя теория звездообразования и формирования протопланетных дисков была разработана достаточно давно, в наше время, благодаря успехам астрономии, астрофизики и космонавтики, мы начинаем лучше понимать детали этих процессов, дающих нам ключ к структуре земных и планетных недр.

Автор статьи: доктор физико-математических наук Александра Иванова

Данная статья была опубликована в №4 за 2021 год журнала Universe Space Tech. Купить этот номер в электронной или бумажной версии можно в нашем магазине.