Jak gęste są planety?

Osiem planet naszego Układu Słonecznego jest bardzo zróżnicowanych, nie tylko pod względem wielkości, ale także masy i gęstości (tj. masy na jednostkę objętości). Na przykład 4 wewnętrzne planety – te, które znajdują się najbliżej Słońca – to wszystkie planety ziemskie, co oznacza, że składają się głównie ze skał krzemianowych lub metali i mają stałą powierzchnię. Na tych planetach gęstość zmienia się wraz z oddalaniem się od powierzchni w kierunku jądra, ale nie znacząco.

Dla kontrastu, 4 zewnętrzne planety są określane jako gazowe olbrzymy (i / lub lodowe olbrzymy), które składają się z głównie wodoru, helu i wody występujących w różnych stanach skupienia. Chociaż te planety są większe pod względem wielkości i masy, ich ogólna gęstość jest znacznie niższa. Ponadto ich gęstość różni się znacznie między warstwą zewnętrzną i wewnętrzną, od stanu ciekłego do materiałów tak gęstych, że stają się twarde jak skała.

Gęstość odgrywa również istotną rolę w określaniu grawitacji powierzchniowej planety i jest nieodłącznym elementem zrozumienia, jak powstała planeta. Po uformowaniu się Słońca w centrum naszego Układu Słonecznego planety powstały z dysku protoplanetarnego. Podczas gdy planety ziemskie powstały z ziaren pyłu w wewnętrznym Układzie Słonecznym, planety w zewnętrznym Układzie Słonecznym nagromadziły wystarczająco dużo materii, aby ich grawitacja mogła zatrzymać pozostałości gazu z mgławicy.

Im więcej zatrzymywali gazu, tym stawali się więksi. A im stawali się więksi, tym więcej materii gromadzili, aż doszli do punktu krytycznego. Podczas gdy giganty gazowe Jowisza i Saturna rosły wykładniczo, olbrzymy lodowe (Uran i Neptun), posiadające zaledwie kilka mas ziemskich gazu mgławicowego, nigdy nie osiągnęły tego krytycznego punktu. We wszystkich przypadkach gęstość jest mierzona jako liczba gramów na cm sześcienny (lub g / cm³).

Gęstość rtęci:

W przypadku planety ziemskiej Merkury składa się z metali i materiał silikatowy. Średnia gęstość Merkurego jest drugą co do wielkości w Układzie Słonecznym, którą szacuje się na 5,427 g / cm3 – tylko nieznacznie mniej niż gęstość Ziemi wynosząca 5,515 g / cm3, jednak jeśli skutki kompresji grawitacyjnej – w której skutki grawitacji zmniejszyć rozmiar obiektu i zwiększyć jego gęstość – wtedy Merkury jest w rzeczywistości gęstszy niż Ziemia, z gęstością nieskompresowaną wynoszącą 5,3 g / cm³ w porównaniu z ziemskim 4,4 g / cm³.

Te szacunki mogą być również służył do wnioskowania o szczegółach jego wewnętrznej struktury. W porównaniu z Ziemią Merkury jest znacznie mniejszy, dlatego jego wewnętrzne regiony w mniejszym stopniu podlegają kompresji. Dlatego uważa się, że jego wysoka gęstość jest wynikiem dużego i bogatego w żelazo rdzenia. Podsumowując, uważa się, że metale takie jak żelazo i nikiel stanowią 70% masy planety (więcej niż jakakolwiek inna planeta), podczas gdy skały krzemianowe stanowią zaledwie 30%.

Zaproponowano kilka teorii na ten temat, ale dominująca twierdzi, że Merkury miał grubszą skorupę krzemianową we wcześniejszej historii. Ta skorupa została następnie w dużej mierze zdmuchnięta, gdy duża planetozymalna zderzyła się z planetą. W połączeniu ze swoją wielkością i masą Merkury ma grawitację powierzchniową 3,7 m / s2, co odpowiada 0,38 grawitacji Ziemi (czyli 1 g).

Gęstość Wenus:

Druga planeta od naszego Słońca, a także druga najbliższa planeta ziemska, Wenus, ma średnią gęstość 5,243 g / cm3. Ponownie, jest to bardzo zbliżone do gęstości Ziemi. I chociaż wiele pozostaje nieznanych na temat geologii i sejsmologii Wenus, astronomowie mają pojęcie o składzie i strukturze Wenus w oparciu o porównawcze szacunki jej wielkości, masy i gęstości.

Krótko mówiąc, uważa się, że Wenus „skład i struktura wewnętrzna są bardzo podobne do ziemskich i składają się z rdzenia, płaszcza i skorupy. Podobnie jak Ziemia, wnętrze ma być zbudowane z minerałów bogatych w żelazo, podczas gdy minerały krzemianowe tworzą płaszcz i skorupę. Nieco mniejszy rozmiar Wenus oznacza również, że ciśnienie w jej głębokim wnętrzu jest o 24% niższe niż ciśnienie Ziemi.

Ponieważ Wenus i Ziemia chłodzą się w mniej więcej tym samym tempie, uważa się, że rdzeń Wenus musi być przynajmniej częściowo płynny. Jednak brak magnetosfery wokół Wenus skłonił naukowców do zakwestionowania tego, niektórzy twierdzą, że rdzeń musi mieć jednolitą temperaturę, podczas gdy inni twierdzą, że jest w pełni schłodzony i stały. Niektórzy posunęli się nawet do sugestii, że nie ma ona rdzenia.

Gęstość Ziemi:

Ziemia ma największą gęstość ze wszystkich planet w Układzie Słonecznym, wynoszącą 5,514 g / cm3. Jest to uważane za standard, według którego mierzone są gęstości innych planet. Ponadto połączenie wielkości, masy i gęstości Ziemi powoduje również grawitację powierzchniową 9,8 m / s². Jest to również używane jako wzorzec (1 g) podczas pomiaru grawitacji powierzchniowej innych planet.

Podobnie jak w przypadku innych planet ziemskich, wnętrze Ziemi jest podzielone na warstwy, które wyróżniają się chemicznymi lub fizycznymi (reologicznymi) ) nieruchomości. Warstwy te składają się z rdzenia wykonanego z żelaza i niklu, górnego i dolnego płaszcza z lepkich materiałów krzemianowych oraz skorupy złożonej ze stałych materiałów krzemianowych.

Jednak w przeciwieństwie do innych planet ziemskich, rdzeń Ziemi jest podzielony na stałe jądro wewnętrzne i płynne jądro zewnętrzne. Wewnętrzny rdzeń mierzy szacunkowo 1220 km i składa się z żelaza i niklu, podczas gdy zewnętrzny rdzeń rozciąga się poza nim do promienia około 3400 km. Zewnętrzne jądro również obraca się w kierunku przeciwnym do obrotu Ziemi, co uważa się za źródło magnetosfery Ziemi. Podobnie jak w przypadku wszystkich planet, gęstość ta rośnie wraz ze zbliżaniem się do jądra, osiągając szacunkową wartość 12 600–13 000 kg / m3 w jądrze wewnętrznym.

Gęstość Marsa:

Jako istota ziemska planecie Mars jest również podzielony na warstwy, które są zróżnicowane na podstawie ich właściwości chemicznych i fizycznych – gęsty metaliczny rdzeń, płaszcz krzemianowy i skorupa. Ogólna gęstość planety jest niższa niż ziemska, szacowana na 3,933 g / cm³, a gęstość ta rośnie, im bliżej jądra znajdujemy się. Podobnie jak w przypadku Ziemi, wynika to z faktu, że rdzeń składa się z żelaza i niklu, podczas gdy płaszcz składa się z materiałów krzemianowych.

Obecne modele jego wnętrza sugerują obszar rdzenia około 1794 ± 65 kilometrów (1115 ± 40 mil) w promieniu, składający się głównie z żelaza i niklu z około 16-17% siarki. W porównaniu ze skorupą ziemską – która ma średnio 40 km (25 mil) grubości – średnia grubość skorupy Marsa wynosi około 50 km (31 mil), a maksymalna grubość to 125 km (78 mil). Pomiędzy rozmiarem, masą i gęstością Mars ma grawitację powierzchniową około 3,711 m / s², co daje 0,38 g.

Gęstość Jowisza:

Jako gazowy olbrzym (inaczej złożony z materii gazowej i ciekłej) Jowisz ma mniejszą średnią gęstość niż którykolwiek z planety lądowe. Jednak przy 1,326 g / cm3 jest również drugim pod względem gęstości z gazowych gigantów. Pomimo ich niewiarygodnych rozmiarów i masy, niższa gęstość wynika z tego, że w dużej mierze składają się z gazów szlachetnych, które są utrzymywane w stanach od gazowych do stałych.

Ponadto gęstość ta waha się znacznie między zewnętrznymi warstwami gazowymi a rdzeniem, co uważa się za składa się ze skały i jest otoczony warstwą metalicznego wodoru. W najbardziej zewnętrznej warstwie, która składa się z elementarnego wodoru i helu, gęstość materiałów jest mniejsza niż wody – 0,0002 g / cm³ w porównaniu z 1 g / cm³ wody.

Poniżej, gdy wodór na planecie jest w stanie ciekłym, jego gęstość wzrasta do około 0,5 g / cm³ i wzrasta do 1 g / cm³ na granicy z warstwą wodoru metalicznego. Tymczasem warstwa metalicznego wodoru ma szacunkową gęstość 4 g / cm³ – czyli mniej więcej tyle samo co Mars. A w rdzeniu, którego skład wciąż jest przedmiotem spekulacji, gęstość wzrasta do 25 g / cm³.

Myślałem, że jego średnia gęstość jest niższa niż na planetach ziemskich, całkowity rozmiar Jowisza, jego masa i ilość materiał, który pakuje w ramę, zapewnia potężną grawitację. Mierzona od jego „powierzchni” (co w tym przypadku oznacza wierzchołki chmur), grawitacja Jowisza jest ponad dwa i hlaf razy większa niż Ziemi – 24,79 m / s2, czyli 2,528 g.

Gęstość Saturna:

Przy 0,687 g / cm3 Saturn jest najmniej gęstym z gazowych olbrzymów. W rzeczywistości jego średnia gęstość jest w rzeczywistości niższa niż wody, co oznacza, że gdyby można było umieścić planetę w wannie wody, unosiłaby się. Ale podobnie jak w przypadku Jowisza i innych gigantów, ta gęstość waha się znacznie od powierzchni zewnętrznej rośliny (która składa się z elementarnego wodoru i helu) do jej jądra (który również uważa się za kamienisty i otoczony metalicznymi wodór).

Ze względu na większy rozmiar, ale mniejszą gęstość niż w przypadku planet ziemskich, grawitacja powierzchniowa Saturna (ponownie mierzona od szczytów chmur) jest po prostu nieco wyższa niż ziemska -10,44 m / s² lub 1,065 g.

Gęstość Urana:

Przy średniej gęstości 1,27 g / cm3, Uran jest drugim, po Saturnie, najmniej gęstym z gazowych gigantów. Jego nieco wyższa gęstość wynika z jego składu, który składa się głównie z różnych lotnych lodów – takich jak woda, amoniak i metan – oraz gazów, takich jak wodór i hel. Z tego powodu Uran (i Neptun) są często określane jako „lodowe olbrzymy”, aby odróżnić je od Jowisza i Saturna.

Standardowy model struktury Urana jest taki, że składa się z trzech warstw. gigantów, obejmuje to skaliste jądro i zewnętrzną warstwę wodoru i helu. Ale w przypadku Urana warstwy te są połączone lodowym płaszczem pośrodku, a nie tym, który składa się z ciekłego wodoru. Obecność metanu w jego atmosferze jest także to, co nadaje Uranowi jego szczególny odcień.

Całkowity rozmiar, masa i gęstość Urana oznaczają również, że jego grawitacja powierzchniowa jest mniejsza niż ziemskiej. W sumie wynosi 8,69 m / s², co odpowiada 0,886 g.

Gęstość Neptuna:

Średnia gęstość Neptuna wynosi 1,638 g / cm³, co czyni go najgęstszym ze wszystkich gigantów. Podobnie jak Uran, składa się z wysokiego er stężenia substancji lotnych w stosunku do Jowisza i Saturna. Podobnie jak Uran, jego wnętrze jest zróżnicowane między gęstym rdzeniem składającym się z krzemianów i metali, płaszczem składającym się z wody, amoniaku i lodów metanowych oraz atmosferą składającą się z wodoru, helu i metanu.

wyższe stężenia metanu w atmosferze Neptuna powodują, że ma ciemniejszy odcień niż Uran. Pomiędzy swoimi rozmiarami, masą i gęstością, Neptun ma grawitację powierzchniową 11,15 m / s2 – co odpowiada 1,14 g.

Jak widać, gęstość planet słonecznych jest bardzo zróżnicowana. Podczas gdy te, które są bliżej Słońca, są ziemskie i dość gęste, te, które zamieszkują zewnętrzny Układ Słoneczny, są w większości gazowe i płynne, a zatem są średnio mniej gęste.

My napisali wiele interesujących artykułów na temat gęstości planet w Universe Today. Oto gęstość Wenus, gęstość Ziemi, gęstość Księżyca, gęstość Marsa, gęstość Saturna, gęstość Urana i gęstość Neptuna.

Jeśli patrzysz aby uzyskać więcej informacji, odwiedź stronę eksploracji Układu Słonecznego NASA, a tutaj jest łącze do Symulatora Układu Słonecznego NASA.

Obsada astronomiczna zawiera odcinki dotyczące wszystkich planet, w tym odcinek 49: Merkury,