Nucleo planetario -Planetary core

La struttura interna dei pianeti interni.
La struttura interna dei pianeti esterni.

Un nucleo planetario è costituito dagli strati più interni di un pianeta . I nuclei possono essere interamente solidi o interamente liquidi, o una miscela di strati solidi e liquidi come nel caso della Terra. Nel Sistema Solare , le dimensioni del nucleo vanno da circa il 20% (la Luna ) all'85% del raggio di un pianeta ( Mercurio ).

Anche i giganti gassosi hanno nuclei, sebbene la composizione di questi sia ancora oggetto di dibattito e spazia nella possibile composizione dal tradizionale pietroso/ferro, al ghiaccio o all'idrogeno metallico fluido . I nuclei dei giganti gassosi sono proporzionalmente molto più piccoli di quelli dei pianeti terrestri, sebbene possano essere comunque considerevolmente più grandi di quelli della Terra; Giove è 10-30 volte più pesante della Terra e l' esopianeta HD149026 b potrebbe avere un nucleo 100 volte la massa della Terra.

I nuclei planetari sono difficili da studiare perché sono impossibili da raggiungere con il trapano e non ci sono quasi campioni che provengano definitivamente dal nucleo. Pertanto, vengono studiati tramite tecniche indirette come la sismologia, la fisica dei minerali e la dinamica planetaria.

Scoperta

Il nucleo della Terra

Nel 1797, Henry Cavendish calcolò che la densità media della terra fosse 5,48 volte la densità dell'acqua (successivamente perfezionata a 5,53), questo portò alla convinzione accettata che la Terra fosse molto più densa al suo interno. In seguito alla scoperta dei meteoriti di ferro , Wiechert nel 1898 postulò che la Terra avesse una composizione di massa simile a quella dei meteoriti di ferro, ma il ferro si era depositato all'interno della Terra, e in seguito lo rappresentò integrando la densità apparente della Terra con la massa mancante. ferro e nichel come nucleo. Il primo rilevamento del nucleo terrestre avvenne nel 1906 da Richard Dixon Oldham alla scoperta della zona d'ombra dell'onda P ; il nucleo esterno liquido. Nel 1936 i sismologi avevano determinato la dimensione del nucleo complessivo e il confine tra il nucleo esterno fluido e il nucleo interno solido.

Il nucleo della luna

La struttura interna della Luna è stata caratterizzata nel 1974 utilizzando i dati sismici raccolti dalle missioni Apollo di terremoti lunari . Il nucleo della Luna ha un raggio di 300 km. Il nucleo di ferro della Luna ha uno strato esterno liquido che costituisce il 60% del volume del nucleo, con un nucleo interno solido.

Nuclei dei pianeti rocciosi

I nuclei dei pianeti rocciosi sono stati inizialmente caratterizzati analizzando i dati di veicoli spaziali, come il Mariner 10 della NASA che ha sorvolato Mercurio e Venere per osservarne le caratteristiche superficiali. I nuclei di altri pianeti non possono essere misurati utilizzando i sismometri sulla loro superficie, quindi devono essere dedotti sulla base dei calcoli di queste osservazioni in volo. La massa e le dimensioni possono fornire un calcolo di primo ordine dei componenti che compongono l'interno di un corpo planetario. La struttura dei pianeti rocciosi è vincolata dalla densità media di un pianeta e dal suo momento di inerzia . Il momento d'inerzia per un pianeta differenziato è inferiore a 0,4, perché la densità del pianeta è concentrata nel centro. Mercurio ha un momento di inerzia di 0,346, che è la prova di un nucleo. Anche i calcoli di conservazione dell'energia e le misurazioni del campo magnetico possono limitare la composizione e la geologia della superficie dei pianeti può caratterizzare la differenziazione del corpo dal suo accrescimento. I nuclei di Mercurio, Venere e Marte sono rispettivamente circa il 75%, 50% e 40% del loro raggio.

Formazione

Accrescimento

I sistemi planetari si formano da dischi appiattiti di polvere e gas che si accrescono rapidamente (entro migliaia di anni) in planetesimi di circa 10 km di diametro. Da qui la gravità prende il sopravvento per produrre embrioni planetari delle dimensioni della Luna su Marte (10 5 - 10 6 anni) e questi si sviluppano in corpi planetari per altri 10-100 milioni di anni.

Giove e Saturno molto probabilmente si sono formati attorno a corpi rocciosi e/o ghiacciati precedentemente esistenti, trasformando questi precedenti pianeti primordiali in nuclei di giganti gassosi. Questo è il modello di accrescimento del nucleo planetario della formazione dei pianeti.

Differenziazione

La differenziazione planetaria è ampiamente definita come lo sviluppo da una cosa a molte cose; corpo omogeneo a più componenti eterogenei. Il sistema isotopico afnio-182 / tungsteno-182 ha un tempo di dimezzamento di 9 milioni di anni, ed è approssimato come un sistema estinto dopo 45 milioni di anni. L'afnio è un elemento litofilo e il tungsteno è un elemento siderofilo . Pertanto, se la segregazione dei metalli (tra il nucleo terrestre e il mantello) si è verificata in meno di 45 milioni di anni, i serbatoi di silicato sviluppano anomalie Hf/W positive e i serbatoi di metallo acquisiscono anomalie negative rispetto al materiale di condrite indifferenziato . I rapporti Hf/W osservati nei meteoriti di ferro limitano la segregazione dei metalli a meno di 5 milioni di anni, il rapporto Hf/W del mantello terrestre pone il nucleo terrestre come segregato entro 25 milioni di anni. Diversi fattori controllano la segregazione di un nucleo metallico inclusa la cristallizzazione della perovskite . La cristallizzazione della perovskite in un primo oceano di magma è un processo di ossidazione e può guidare la produzione e l'estrazione di ferro metallico da una fusione di silicato originale.

Fusione del nucleo e impatti

Gli impatti tra corpi di dimensioni planetarie nel Sistema Solare primordiale sono aspetti importanti nella formazione e crescita di pianeti e nuclei planetari.

Sistema Terra-Luna

L' ipotesi dell'impatto gigante afferma che un impatto tra un pianeta Teia delle dimensioni di Marte teorico e la Terra primordiale ha formato la Terra e la Luna moderne. Durante questo impatto la maggior parte del ferro di Theia e della Terra è stata incorporata nel nucleo terrestre.

Marte

La fusione del nucleo tra il proto-Marte e un altro planetoide differenziato potrebbe essere stata veloce fino a 1000 anni o lenta fino a 300.000 anni (a seconda della viscosità di entrambi i nuclei).

Chimica

Determinazione della composizione primaria – Terra

Utilizzando il modello di riferimento condritico e combinando le composizioni note della crosta e del mantello , è possibile determinare il componente sconosciuto, la composizione del nucleo interno ed esterno: 85% Fe, 5% Ni, 0,9% Cr, 0,25% Co e tutto altri metalli refrattari a bassissima concentrazione. Ciò lascia il nucleo terrestre con un deficit di peso del 5-10% per il nucleo esterno e un deficit di peso del 4-5% per il nucleo interno; che è attribuito a elementi più leggeri che dovrebbero essere cosmicamente abbondanti e solubili in ferro; H, O, C, S, P e Si. Il nucleo terrestre contiene metà del vanadio e del cromo della Terra e può contenere considerevoli quantità di niobio e tantalio . Il nucleo terrestre è esaurito in germanio e gallio .

Componenti del deficit di peso – Terra

Lo zolfo è fortemente siderofilo e solo moderatamente volatile e impoverito nella terra silicatica; quindi può rappresentare l'1,9% in peso del nucleo terrestre. Analogamente, il fosforo può essere presente fino allo 0,2% in peso. L'idrogeno e il carbonio, tuttavia, sono altamente volatili e quindi sarebbero stati persi durante l'accrescimento iniziale e quindi possono rappresentare rispettivamente solo lo 0,1 e lo 0,2% in peso. Il silicio e l'ossigeno costituiscono quindi il rimanente deficit di massa del nucleo terrestre; sebbene le abbondanze di ciascuno siano ancora oggetto di controversia che ruota in gran parte attorno alla pressione e allo stato di ossidazione del nucleo terrestre durante la sua formazione. Non esistono prove geochimiche per includere elementi radioattivi nel nucleo terrestre. Nonostante ciò, le prove sperimentali hanno rilevato che il potassio è fortemente siderofilo alle temperature associate alla formazione del nucleo, quindi esiste il potenziale per il potassio nei nuclei planetari dei pianeti, e quindi anche per il potassio-40 .

Composizione isotopica – Terra

I rapporti isotopici afnio / tungsteno (Hf/W), se confrontati con un quadro di riferimento condritico, mostrano un marcato arricchimento nella terra di silicati che indica l'impoverimento nel nucleo terrestre. Anche i meteoriti di ferro, che si ritiene siano il risultato di primissimi processi di frazionamento del nucleo, sono esauriti. I rapporti isotopici di niobio / tantalio (Nb/Ta), se confrontati con un quadro di riferimento condritico, mostrano un lieve impoverimento nella massa silicatica della Terra e della Luna.

Meteoriti pallasiti

Si pensa che i pallasiti si formino al confine nucleo-mantello di un primo planetesimo, sebbene un'ipotesi recente suggerisca che siano miscele generate dall'impatto di materiali del nucleo e del mantello.

Dinamica

Dinamo

La teoria della dinamo è un meccanismo proposto per spiegare come i corpi celesti come la Terra generano campi magnetici. La presenza o la mancanza di un campo magnetico può aiutare a limitare le dinamiche di un nucleo planetario. Fare riferimento al campo magnetico terrestre per ulteriori dettagli. Una dinamo richiede una fonte di galleggiamento termico e/o composizionale come forza motrice. La galleggiabilità termica da un nucleo di raffreddamento da sola non può guidare la convezione necessaria come indicato dalla modellazione, quindi è richiesta la galleggiabilità compositiva (dai cambiamenti di fase ). Sulla Terra la galleggiabilità deriva dalla cristallizzazione del nucleo interno (che può verificarsi a causa della temperatura). Esempi di galleggiabilità compositiva includono la precipitazione di leghe di ferro sul nucleo interno e l'immiscibilità del liquido, che potrebbero influenzare la convezione sia positivamente che negativamente a seconda delle temperature e delle pressioni ambientali associate al corpo ospite. Altri corpi celesti che esibiscono campi magnetici sono Mercurio, Giove, Ganimede e Saturno.

Fonte di calore centrale

Un nucleo planetario funge da fonte di calore per gli strati esterni di un pianeta. Nella Terra, il flusso di calore oltre il confine del mantello centrale è di 12 terawatt. Questo valore è calcolato da una varietà di fattori: raffreddamento secolare, differenziazione degli elementi leggeri, forze di Coriolis , decadimento radioattivo e calore latente di cristallizzazione. Tutti i corpi planetari hanno un valore di calore primordiale, o la quantità di energia derivante dall'accrescimento. Il raffreddamento da questa temperatura iniziale è chiamato raffreddamento secolare, e nella Terra il raffreddamento secolare del nucleo trasferisce il calore in un mantello isolante di silicati . Man mano che il nucleo interno cresce, il calore latente della cristallizzazione si aggiunge al flusso di calore nel mantello.

Stabilità e instabilità

Piccoli nuclei planetari possono sperimentare un rilascio di energia catastrofico associato a cambiamenti di fase all'interno dei loro nuclei. Ramsey (1950) scoprì che l'energia totale rilasciata da un tale cambiamento di fase sarebbe dell'ordine di 10 29 joule; equivalente al rilascio totale di energia dovuto ai terremoti attraverso il tempo geologico . Un tale evento potrebbe spiegare la fascia degli asteroidi . Tali cambiamenti di fase si verificherebbero solo a specifici rapporti massa/volume e un esempio di tale cambiamento di fase sarebbe la rapida formazione o dissoluzione di un componente del nucleo solido.

Tendenze nel Sistema Solare

Pianeti rocciosi interni

Tutti i pianeti interni rocciosi, così come la luna, hanno un nucleo dominato dal ferro. Venere e Marte hanno un ulteriore elemento principale nel nucleo. Si ritiene che il nucleo di Venere sia di ferro-nichel, analogamente alla Terra. Marte, d'altra parte, si ritiene abbia un nucleo di ferro-zolfo ed è separato in uno strato liquido esterno attorno a un nucleo solido interno. All'aumentare del raggio orbitale di un pianeta roccioso, la dimensione del nucleo rispetto al raggio totale del pianeta diminuisce. Si ritiene che ciò sia dovuto al fatto che la differenziazione del nucleo è direttamente correlata al calore iniziale di un corpo, quindi il nucleo di Mercurio è relativamente grande e attivo. Venere e Marte, così come la luna, non hanno campi magnetici. Ciò potrebbe essere dovuto alla mancanza di uno strato liquido convettivo che interagisce con un nucleo interno solido, poiché il nucleo di Venere non è stratificato. Sebbene Marte abbia uno strato liquido e uno solido, non sembra che interagiscano nello stesso modo in cui i componenti liquidi e solidi della Terra interagiscono per produrre una dinamo.

Gas esterno e giganti di ghiaccio

L'attuale comprensione dei pianeti esterni del sistema solare, i giganti di ghiaccio e gassosi, teorizza piccoli nuclei di roccia circondati da uno strato di ghiaccio, e nei modelli di Giove e Saturno suggeriscono una vasta regione di idrogeno metallico liquido ed elio. Le proprietà di questi strati di idrogeno metallico sono una delle principali aree di contesa perché è difficile da produrre in ambienti di laboratorio, a causa delle alte pressioni necessarie. Giove e Saturno sembrano rilasciare molta più energia di quella che dovrebbero irradiare solo dal sole, il che è attribuito al calore rilasciato dallo strato di idrogeno ed elio. Urano non sembra avere una fonte di calore significativa, ma Nettuno ha una fonte di calore attribuita a una formazione "calda".

Tipi osservati

Quanto segue riassume le informazioni note sui nuclei planetari di determinati corpi non stellari.

All'interno del Sistema Solare

Mercurio

Mercurio ha un campo magnetico osservato, che si ritiene sia generato all'interno del suo nucleo metallico. Il nucleo di Mercurio occupa l'85% del raggio del pianeta, rendendolo il nucleo più grande rispetto alle dimensioni del pianeta nel Sistema Solare; questo indica che gran parte della superficie di Mercurio potrebbe essere andata perduta all'inizio della storia del Sistema Solare. Il mercurio ha una crosta e un mantello di silicati solidi che ricoprono uno strato di nucleo esterno di solfuro di ferro solido, seguito da uno strato di nucleo liquido più profondo, e quindi un possibile nucleo interno solido che forma un terzo strato.

Venere

La composizione del nucleo di Venere varia in modo significativo a seconda del modello utilizzato per calcolarlo, quindi sono necessari vincoli.

Elemento Modello condritico Modello di condensazione di equilibrio Modello pirolitico
Ferro 88,6% 94,4% 78,7%
Nichel 5,5% 5,6% 6,6%
Cobalto 0,26% Sconosciuto Sconosciuto
Zolfo 5,1% 0% 4,9%
Ossigeno 0% Sconosciuto 9,8%

Luna

L' esistenza di un nucleo lunare è ancora dibattuta; tuttavia, se avesse un nucleo, si sarebbe formato in sincronia con il nucleo della Terra a 45 milioni di anni dopo l'inizio del Sistema Solare sulla base delle prove di afnio-tungsteno e dell'ipotesi dell'impatto gigante . Tale nucleo potrebbe aver ospitato una dinamo geomagnetica all'inizio della sua storia.

Terra

La Terra ha un campo magnetico osservato generato all'interno del suo nucleo metallico. La Terra ha un deficit di massa del 5-10% per l'intero nucleo e un deficit di densità del 4-5% per il nucleo interno. Il valore Fe/Ni del nucleo è ben vincolato dai meteoriti condritici . Zolfo, carbonio e fosforo rappresentano solo il ~ 2,5% del deficit di componente/massa dell'elemento leggero. Non esistono prove geochimiche per l'inclusione di elementi radioattivi nel nucleo. Tuttavia, prove sperimentali hanno scoperto che il potassio è fortemente siderofilo quando si ha a che fare con le temperature associate all'accrescimento del nucleo, e quindi il potassio-40 potrebbe aver fornito un'importante fonte di calore contribuendo alla dinamo della Terra primordiale, sebbene in misura minore rispetto ai ricchi di zolfo Marte. Il nucleo contiene metà del vanadio e del cromo della Terra e può contenere quantità considerevoli di niobio e tantalio. Il nucleo è impoverito in germanio e gallio. La differenziazione del mantello centrale si è verificata nei primi 30 milioni di anni della storia della Terra. I tempi di cristallizzazione del nucleo interno sono ancora in gran parte irrisolti.

Marte

Marte probabilmente ha ospitato in passato un campo magnetico generato dal nucleo. La dinamo è cessata entro 0,5 miliardi di anni dalla formazione del pianeta. Gli isotopi Hf/W derivati ​​dal meteorite marziano Zagami , indicano un rapido accrescimento e differenziazione del nucleo di Marte; cioè meno di 10 milioni di anni. Il potassio-40 avrebbe potuto essere una delle principali fonti di calore che alimentava la prima dinamo marziana.

La fusione del nucleo tra proto-Marte e un altro planetoide differenziato potrebbe essere stata veloce fino a 1000 anni o lenta fino a 300.000 anni (a seconda della viscosità di entrambi i nuclei e mantelli). Il riscaldamento da impatto del nucleo marziano avrebbe provocato la stratificazione del nucleo e avrebbe ucciso la dinamo marziana per una durata compresa tra 150 e 200 milioni di anni. Modellazione fatta da Williams, et al. Il 2004 suggerisce che, affinché Marte avesse una dinamo funzionale, il nucleo marziano era inizialmente più caldo di 150  K rispetto al mantello (in accordo con la storia di differenziazione del pianeta, nonché con l'ipotesi dell'impatto), e con un nucleo liquido di potassio -40 avrebbe avuto l'opportunità di dividersi nel nucleo fornendo un'ulteriore fonte di calore. Il modello conclude inoltre che il nucleo di Marte è interamente liquido, poiché il calore latente della cristallizzazione avrebbe azionato una dinamo di maggiore durata (superiore a un miliardo di anni). Se il nucleo di Marte è liquido, il limite inferiore per lo zolfo sarebbe del 5% in peso.

Ganimede

Ganimede ha un campo magnetico osservato generato all'interno del suo nucleo metallico.

Giove

Giove ha un campo magnetico osservato generato all'interno del suo nucleo , che indica la presenza di una sostanza metallica. Il suo campo magnetico è il più forte del Sistema Solare dopo quello del Sole.

Giove ha un nucleo di roccia e/o ghiaccio 10-30 volte la massa della Terra, e questo nucleo è probabilmente solubile nell'involucro di gas sopra, e quindi primordiale nella composizione. Poiché il nucleo esiste ancora, l'involucro esterno deve essersi originariamente accumulato su un nucleo planetario precedentemente esistente. I modelli di contrazione/evoluzione termica supportano la presenza di idrogeno metallico all'interno del nucleo in grande abbondanza (maggiore di Saturno).

Saturno

Saturno ha un campo magnetico osservato generato all'interno del suo nucleo metallico . L'idrogeno metallico è presente all'interno del nucleo (in quantità inferiori rispetto a Giove). Saturno ha un nucleo di roccia o ghiaccio 10-30 volte la massa della Terra, e questo nucleo è probabilmente solubile nell'involucro di gas sopra, e quindi ha una composizione primordiale. Poiché il nucleo esiste ancora, l'involucro deve essersi originariamente accumulato su nuclei planetari precedentemente esistenti. I modelli di contrazione/evoluzione termica supportano la presenza di idrogeno metallico all'interno del nucleo in grandi abbondanze (ma ancora meno di Giove).

Nuclei planetari residui

Le missioni sui corpi nella fascia degli asteroidi forniranno maggiori informazioni sulla formazione del nucleo planetario. In precedenza era noto che le collisioni nel sistema solare si fondessero completamente, ma un recente lavoro sui corpi planetari sostiene che i resti delle collisioni hanno i loro strati esterni spogliati, lasciando dietro di sé un corpo che alla fine sarebbe diventato un nucleo planetario. La missione Psyche , intitolata "Journey to a Metal World", mira a studiare un corpo che potrebbe essere un nucleo planetario residuo.

Extrasolare

Man mano che il campo degli esopianeti cresce man mano che nuove tecniche consentono la scoperta di entrambi i diversi esopianeti, i nuclei degli esopianeti vengono modellati. Questi dipendono dalla composizione iniziale degli esopianeti, che viene dedotta utilizzando gli spettri di assorbimento dei singoli esopianeti in combinazione con gli spettri di emissione della loro stella.

Pianeti ctonii

Un pianeta ctonio risulta quando un gigante gassoso ha la sua atmosfera esterna strappata via dalla sua stella madre, probabilmente a causa della migrazione verso l'interno del pianeta. Tutto ciò che resta dell'incontro è il nucleo originario.

Pianeti derivati ​​da nuclei stellari e pianeti diamante

I pianeti di carbonio , in precedenza stelle, si formano parallelamente alla formazione di una pulsar millisecondo . Il primo pianeta di questo tipo scoperto era 18 volte la densità dell'acqua e cinque volte la dimensione della Terra. Quindi il pianeta non può essere gassoso e deve essere composto da elementi più pesanti che sono anche cosmicamente abbondanti come il carbonio e l'ossigeno; rendendolo probabilmente cristallino come un diamante.

PSR J1719-1438 è una pulsar da 5,7 millisecondi che ha una compagna con una massa simile a Giove ma una densità di 23 g/cm 3 , suggerendo che la compagna sia una nana bianca al carbonio di massa ultrabassa , probabilmente il nucleo di un'antica stella.

Pianeti di ghiaccio caldo

Gli esopianeti con densità moderate (più densi dei pianeti gioviani, ma meno densi dei pianeti terrestri) suggeriscono che tali pianeti come GJ1214b e GJ436 siano composti principalmente da acqua. Le pressioni interne di tali mondi acquatici porterebbero a fasi esotiche di acqua che si formano sulla superficie e all'interno dei loro nuclei.

Riferimenti