Якщо спостереженнями небесних тіл люди почали займатися здебільшого з чистої цікавості, то дослідження Землі завжди мало неабиякий практичний сенс. Але проникнення у її надра виявилося набагато складнішим процесом, ніж вивчення далеких світил. З багатьма аспектами її внутрішньої структури ми досі знайомі лише теоретично. Ще важче проводити такі дослідження на інших планетах. То що ж ми наразі знаємо про них і що нам дають ці знання?
Вивчення внутрішньої будови планет Сонячної системи тісно пов’язане з дослідженням їхньої еволюції. Процес їх утворення з газово-пилової хмари був тривалим, причому для кожного тіла тривалість цього процесу залежала від його маси та розміру. Зі зрозумілих причин, найбільше ми знаємо про внутрішній склад Землі. У цьому нам допомогли сейсмічні дані, спостереження теплового потоку з надр, а також виміри гравітаційного та магнітного полів. При цьому беруться до уваги геологічні характеристики поверхні, що можуть відображати сліди внутрішніх (ендогенних) процесів. Велика роль в отриманні інформації про стан речовини у планетних надрах відводиться також лабораторним експериментам, пов’язаним із фізикою високих тисків і температур.
Отримані дані та знайдені закономірності вчені намагалися екстраполювати на інші об’єкти Сонячної системи. Але справжній прорив у планетології відбувся, коли до сусідніх планет вирушили автоматичні дослідницькі зонди. Багато з них уже здійснили м’яку посадку на поверхню Місяця, Венери, Марса, кількох невеликих астероїдів і сатурніанського супутника Титана.
Зараз ми знаємо, що за фізичними властивостями великі планети поділяються на дві групи в порядку їхньої віддаленості від Сонця. Чотири найближчих до нього — Меркурій, Венера, Земля та Марс — належать до планет земної групи, а всі інші — Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун — до планет-гігантів. Вони відрізняються розмірами, станом поверхні та середньою густиною. Ця різниця обумовлена зростанням температури у протопланетному диску в міру наближення до центрального світила, поблизу якого у вигляді твердих частинок змогли зберегтися найменш летючі компоненти, що мали високу густину.
Планети земної групи
Як уже згадувалося, найбільше нам відомо про склад і будову надр Землі. Вважається, що з фізико-хімічної точки зору вона має дві складові: силікатну оболонку (або мантію) та металеве ядро. Земна кора має вторинне походження: вона «відокремилася» від мантії на ранніх стадіях еволюції внаслідок гравітаційної диференціації, коли легкі компоненти «спливали», а важкі — опускалися до ядра.
Під континентами земна кора простягається до глибини майже 40 км, утворюючи тонкий у масштабах планети зовнішній шар. Континентальна кора складається з легкої речовини (переважно з граніту), океанічна у 2-3 рази тонша, в її складі переважають базальти. Мантія простягається від кори до глибини 2900 км і за об’ємом займає майже 80% Землі. Силікатна мантія — тверда, але в геологічних масштабах часу вона поводиться як в’язка рідина.
Нижче мантії розташовується рідке зовнішнє ядро, що складається з заліза з домішками легких речовин (вуглець, кисень, кремній і сірка), а в самому центрі міститься тверде внутрішнє ядро з залізно-нікелевого сплаву. Як домішки у ньому присутні важкі метали.
З усіх планет за межами Землі найкраще вивчена внутрішня будова Марса. Згідно з сучасними уявленнями, його кора має товщину 50-100 км і являє собою одну велику тектонічну плиту (на відміну від земної кори, де таких плит багато і їхній рух є важливою складовою планетної еволюції). Деякі дослідники не виключають, що тектоніка плит усе ж мала місце на початкових етапах марсіанської історії — понад 4 млрд років тому. Ядро Марса перебуває в рідкому стані завдяки тому, що залізо та нікель, із яких воно складається, містять значну домішку сірки. Його радіус дорівнює половині радіусу самої планети. У 2019-2023 роках посадковий зонд InSight здійснював сейсмічні експерименти на марсіанській поверхні.
Інша планета земної групи — Венера — за своїми параметрам (радіус, маса, середня густина) дуже схожа на Землю. Вона теж має рідке залізне ядро, але через малу швидкість обертання позбавлена магнітного поля. Там відсутні сліди глобальної тектоніки плит, а найістотнішою відмінністю є відносно молодий вік гірських порід на венеріанській поверхні. Радарні дослідження виявили на ній виразні ознаки вулканічної діяльності.
На жаль, через високу температуру (приблизно 470°С) і тиск біля поверхні (понад 90 бар) технічні умови для сейсмічних експериментів на Венері дуже складні: жоден з існуючих інструментів не здатний пропрацювати там більш ніж дві години. Тому зараз розробляють альтернативну методику реєстрації сигналів і досліджень активності у венеріанській атмосфері, пов’язаної з сейсмічними процесами в надрах планети.
Найгірше вивченою планетою земної групи є Меркурій — найменший за розміром і найближчий до Сонця. Він не має атмосфери, товщина його кори сягає 50 км, а залізо-нікелеве ядро займає приблизно ¾ радіуса планети й оточене силікатною мантією завтовшки 400 км. На відміну від Венери, Меркурій має глобальне магнітне поле. Вважається, що воно утворюється за принципом гідромагнітного динамо (як у Землі) — за рахунок циркуляції речовини в рідкому ядрі.
Газові та крижані гіганти
Планети-гіганти сформувалися на такій відстані від Сонця, де його тепло не настільки активно випаровувало леткі хімічні сполуки, тому вони складаються переважно з гелію та водню з домішками води, метану й аміаку. Всі вони мають значно меншу середню густину, ніж планети земної групи («рекордсменом» за цим показником є Сатурн із густиною 0,687 г/см³ — це менше, ніж у води). На ранніх стадіях еволюції ці об’єкти досить швидко зростали за рахунок крижаної компоненти, що дозволило їм не лише увібрати в себе велику масу газу зі своєї області простору, але й «утримати» водневу-гелієву компоненту. Завдяки цьому в них виявилася зосередженою майже вся планетна маса та переважна частина моменту кількості руху Сонячної системи.
Через величезну масу планет-гігантів їхні надра сильно розігріваються внаслідок гравітаційного стиснення. Серед них виділяють дві підгрупи: Юпітер і Сатурн є переважно водневими планетами, а Уран і Нептун містять велику кількість водяної криги (тому їх часто називають крижаними гігантами). Юпітер у середньому на 80% складається з газу — водню, гелію, неону, метану, моноксиду вуглецю. Приблизно 15% припадає на крижану компоненту (вода, аміак, вуглекислий газ), останні 5% — це залізно-силікатна компонента (залізо, нікель, оксиди заліза, магнію, кальцію, алюмінію, кремнію та ін.), «зібрана» у металево-кам’яне ядро. У Сатурна газова компонента трохи менша, а крижана — більша: 70% і 23% відповідно. Також у його складі міститься більше металів і силікатів. Учені припускають, що юпітеріанське та сатурніанське ядро оточене шаром екзотичної речовини — так званого металічного водню. Він перебуває під неймовірно високим тиском і є провідником електричного струму, що й зумовлює наявність потужних магнітних полів у двох найбільших планет.
На сьогодні відомо, що атмосфери Юпітера та Сатурна мають менший вміст гелію у порівнянні з Сонцем. Тому вчені зробили висновок про диференціацію цього елемента і наявність двошарового ядра, в якому зовнішній шар помітно ним збагачений. Останні дослідження, виконані космічним апаратом Cassini, на основі аналізу коливань у сатурніанських кільцях, викликаних коливаннями гравітаційного поля планети, дозволили зробити більш точні оцінки розміру та маси її ядра. Виявилося, що його радіус може становити майже 60% радіуса газового гіганта, при цьому третина його маси припадає на кам’янисті породи та лід. У складі Урана та Нептуна крижана компонента є більшою; друге місце за масою в них займають силікатні породи.
У надрах планет-гігантів водень перебуває в так званих закритичних умовах. При зануренні вглиб газова атмосфера поступово ущільнюється під тиском вищих шарів і без чіткої межі переходить у рідкий, порівняно щільний стан, не утворюючи класичної «поверхні». Варто зауважити, що найточніші обмеження на моделі внутрішньої структури цих планет учені отримують під час досліджень їхніх гравітаційних полів. Однак на результати також сильно впливають атмосферні процеси, через що виміряти масу та розміри ядер Юпітера й Сатурна з високою точністю практично неможливо (не кажучи вже про Уран і Нептун).
* * *
Як бачимо, планети Сонячної системи являють собою складний конгломерат твердої речовини, рідин, газів та електромагнітних полів, склад і структура яких сильно залежать від умов формування конкретного тіла у протопланетному диску понад 4,5 млрд років тому. Попри істотні досягнення планетології, в ній досі лишається багато відкритих питань, відповісти на які допоможуть нові космічні місії, а також дані про характеристики планет в інших зоряних системах. І хоча теорія зореутворення та формування протопланетних дисків була розроблена досить давно, але в наші часи, завдяки успіхам астрономії, астрофізики та космонавтики, ми починаємо краще розуміти деталі цих процесів, що дають нам ключ до структури земних і планетних надр.
Авторка: докторка фізико-математичних наук Олександра Іванова
Ця стаття була опублікована у №4 2021 року журналу Universe Space Tech. Придбати цей номер в електронній чи паперовій версії можна у нашому магазині.
