Núcleo planetario -Planetary core

La estructura interna de los planetas interiores.
La estructura interna de los planetas exteriores.

Un núcleo planetario consiste en las capas más internas de un planeta . Los núcleos pueden ser enteramente sólidos o enteramente líquidos, o una mezcla de capas sólidas y líquidas, como es el caso de la Tierra. En el Sistema Solar , los tamaños de los núcleos van desde aproximadamente el 20% (la Luna ) hasta el 85% del radio de un planeta ( Mercurio ).

Los gigantes gaseosos también tienen núcleos, aunque la composición de estos sigue siendo un tema de debate y su posible composición varía desde el tradicional pedregoso/hierro hasta el hielo o el hidrógeno metálico fluido . Los núcleos de los gigantes gaseosos son proporcionalmente mucho más pequeños que los de los planetas terrestres, aunque pueden ser considerablemente más grandes que los de la Tierra; El de Júpiter es de 10 a 30 veces más pesado que la Tierra, y el exoplaneta HD149026 b puede tener un núcleo 100 veces la masa de la Tierra.

Los núcleos planetarios son difíciles de estudiar porque son imposibles de alcanzar con perforación y casi no hay muestras que sean definitivamente del núcleo. Por lo tanto, se estudian a través de técnicas indirectas como la sismología, la física mineral y la dinámica planetaria.

Descubrimiento

núcleo de la tierra

En 1797, Henry Cavendish calculó que la densidad media de la Tierra era 5,48 veces la densidad del agua (más tarde refinada a 5,53), lo que llevó a la creencia aceptada de que la Tierra era mucho más densa en su interior. Tras el descubrimiento de meteoritos de hierro , Wiechert en 1898 postuló que la Tierra tenía una composición a granel similar a la de los meteoritos de hierro, pero el hierro se había asentado en el interior de la Tierra, y más tarde representó esto integrando la densidad a granel de la Tierra con la faltante. hierro y níquel como núcleo. La primera detección del núcleo de la Tierra ocurrió en 1906 por Richard Dixon Oldham al descubrir la zona de sombra de la onda P ; el núcleo externo líquido. Para 1936, los sismólogos habían determinado el tamaño del núcleo general, así como el límite entre el núcleo externo fluido y el núcleo interno sólido.

núcleo de la luna

La estructura interna de la Luna se caracterizó en 1974 utilizando datos sísmicos recopilados por las misiones Apolo de terremotos lunares . El núcleo de la Luna tiene un radio de 300 km. El núcleo de hierro de la Luna tiene una capa exterior líquida que constituye el 60% del volumen del núcleo, con un núcleo interior sólido.

Núcleos de los planetas rocosos

Los núcleos de los planetas rocosos se caracterizaron inicialmente mediante el análisis de datos de naves espaciales, como el Mariner 10 de la NASA, que sobrevoló Mercurio y Venus para observar las características de su superficie. Los núcleos de otros planetas no se pueden medir con sismómetros en su superficie, por lo que deben inferirse en función de los cálculos de estas observaciones de sobrevuelo. La masa y el tamaño pueden proporcionar un cálculo de primer orden de los componentes que componen el interior de un cuerpo planetario. La estructura de los planetas rocosos está limitada por la densidad media de un planeta y su momento de inercia . El momento de inercia para un planeta diferenciado es menor a 0,4, porque la densidad del planeta está concentrada en el centro. Mercurio tiene un momento de inercia de 0,346, que es evidencia de un núcleo. Los cálculos de conservación de la energía, así como las mediciones del campo magnético, también pueden limitar la composición, y la geología de la superficie de los planetas puede caracterizar la diferenciación del cuerpo desde su acumulación. Los núcleos de Mercurio, Venus y Marte tienen aproximadamente el 75%, 50% y 40% de su radio, respectivamente.

Formación

Acreción

Los sistemas planetarios se forman a partir de discos aplanados de polvo y gas que se acumulan rápidamente (en miles de años) en planetesimales de unos 10 km de diámetro. A partir de aquí, la gravedad toma el control para producir embriones planetarios del tamaño de la Luna a Marte (10 5 - 10 6 años) y estos se desarrollan en cuerpos planetarios durante 10 a 100 millones de años adicionales.

Júpiter y Saturno probablemente se formaron alrededor de cuerpos rocosos y/o helados previamente existentes, convirtiendo estos planetas primordiales anteriores en núcleos de gigantes gaseosos. Este es el modelo de acreción del núcleo planetario de la formación de planetas.

Diferenciación

La diferenciación planetaria se define ampliamente como el desarrollo de una cosa a muchas cosas; cuerpo homogéneo a varios componentes heterogéneos. El sistema isotópico hafnio-182 / tungsteno-182 tiene una vida media de 9 millones de años y se aproxima a un sistema extinto después de 45 millones de años. El hafnio es un elemento litófilo y el tungsteno es un elemento siderófilo . Por lo tanto, si la segregación de metales (entre el núcleo y el manto de la Tierra) ocurrió en menos de 45 millones de años, los reservorios de silicatos desarrollan anomalías positivas de Hf/W y los reservorios de metales adquieren anomalías negativas en relación con el material de condrita indiferenciado . Las relaciones Hf/W observadas en los meteoritos de hierro restringen la segregación de metales a menos de 5 millones de años, la relación Hf/W del manto terrestre sitúa el núcleo de la Tierra segregado en 25 millones de años. Varios factores controlan la segregación de un núcleo metálico, incluida la cristalización de la perovskita . La cristalización de perovskita en un océano de magma primitivo es un proceso de oxidación y puede impulsar la producción y extracción de metal de hierro de un fundido de silicato original.

Fusión de núcleos e impactos

Los impactos entre cuerpos del tamaño de planetas en el Sistema Solar primitivo son aspectos importantes en la formación y crecimiento de planetas y núcleos planetarios.

Sistema Tierra-Luna

La hipótesis del impacto gigante establece que un impacto entre un planeta Theia del tamaño teórico de Marte y la Tierra primitiva formó la Tierra y la Luna modernas. Durante este impacto, la mayoría del hierro de Theia y la Tierra se incorporó al núcleo de la Tierra.

Marte

La fusión del núcleo entre el proto-Marte y otro planetoide diferenciado podría haber sido tan rápido como 1000 años o tan lento como 300,000 años (dependiendo de la viscosidad de ambos núcleos).

Química

Determinación de la composición primaria – Tierra

Utilizando el modelo de referencia condrítica y combinando composiciones conocidas de la corteza y el manto , se puede determinar el componente desconocido, la composición del núcleo interno y externo: 85 % Fe, 5 % Ni, 0,9 % Cr, 0,25 % Co y todo otros metales refractarios a muy baja concentración. Esto deja el núcleo de la Tierra con un déficit de peso del 5% al ​​10% para el núcleo externo y un déficit de peso del 4% al 5% para el núcleo interno; lo cual se atribuye a elementos más livianos que deberían ser cósmicamente abundantes y son solubles en hierro; H, O, C, S, P y Si. El núcleo de la Tierra contiene la mitad del vanadio y el cromo de la Tierra , y puede contener una cantidad considerable de niobio y tantalio . El núcleo de la Tierra está empobrecido en germanio y galio .

Componentes del déficit de peso – Tierra

El azufre es fuertemente siderófilo y solo moderadamente volátil y empobrecido en la tierra de silicato; por lo tanto, puede representar el 1,9% en peso del núcleo de la Tierra. Por argumentos similares, el fósforo puede estar presente hasta en un 0,2 % en peso. Sin embargo, el hidrógeno y el carbono son altamente volátiles y, por lo tanto, se habrían perdido durante la acumulación temprana y, por lo tanto, solo pueden representar del 0,1 al 0,2% en peso, respectivamente. El silicio y el oxígeno constituyen así el déficit de masa restante del núcleo de la Tierra; aunque la abundancia de cada uno sigue siendo motivo de controversia y gira en gran medida en torno a la presión y el estado de oxidación del núcleo de la Tierra durante su formación. No existe evidencia geoquímica que incluya elementos radiactivos en el núcleo de la Tierra. A pesar de esto, la evidencia experimental ha encontrado que el potasio es fuertemente siderófilo a las temperaturas asociadas con la formación del núcleo, por lo que existe potencial para el potasio en los núcleos planetarios de los planetas y, por lo tanto, también para el potasio-40 .

Composición isotópica – Tierra

Las proporciones isotópicas de hafnio / tungsteno (Hf/W), cuando se comparan con un marco de referencia condrítico, muestran un marcado enriquecimiento en la tierra de silicato que indica agotamiento en el núcleo de la Tierra. Los meteoritos de hierro, que se cree que son el resultado de procesos muy tempranos de fraccionamiento del núcleo, también están agotados. Las proporciones isotópicas de niobio / tántalo (Nb/Ta), cuando se comparan con un marco de referencia condrítico, muestran un ligero agotamiento en el silicato a granel de la Tierra y la Luna.

Meteoritos de palasita

Se cree que las palasitas se forman en el límite entre el núcleo y el manto de un planetesimal primitivo, aunque una hipótesis reciente sugiere que son mezclas de materiales del núcleo y del manto generadas por impacto.

Dinámica

Dinamo

La teoría del dínamo es un mecanismo propuesto para explicar cómo los cuerpos celestes como la Tierra generan campos magnéticos. La presencia o ausencia de un campo magnético puede ayudar a restringir la dinámica de un núcleo planetario. Consulte el campo magnético de la Tierra para obtener más detalles. Una dínamo requiere una fuente de flotabilidad térmica y/o de composición como fuerza motriz. La flotabilidad térmica de un núcleo de enfriamiento por sí solo no puede impulsar la convección necesaria como lo indica el modelo, por lo que se requiere flotabilidad de composición (de cambios de fase ). En la Tierra, la flotabilidad se deriva de la cristalización del núcleo interno (que puede ocurrir como resultado de la temperatura). Los ejemplos de flotabilidad compositiva incluyen la precipitación de aleaciones de hierro en el núcleo interno y la inmiscibilidad de los líquidos, lo que podría influir en la convección tanto positiva como negativamente según las temperaturas ambientales y las presiones asociadas con el cuerpo huésped. Otros cuerpos celestes que exhiben campos magnéticos son Mercurio, Júpiter, Ganímedes y Saturno.

Fuente de calor del núcleo

Un núcleo planetario actúa como una fuente de calor para las capas exteriores de un planeta. En la Tierra, el flujo de calor sobre el límite del manto central es de 12 teravatios. Este valor se calcula a partir de una variedad de factores: enfriamiento secular, diferenciación de elementos ligeros, fuerzas de Coriolis , decaimiento radiactivo y calor latente de cristalización. Todos los cuerpos planetarios tienen un valor de calor primordial, o la cantidad de energía de acumulación. El enfriamiento a partir de esta temperatura inicial se denomina enfriamiento secular, y en la Tierra el enfriamiento secular del núcleo transfiere calor a un manto de silicato aislante. A medida que crece el núcleo interno, el calor latente de cristalización se suma al flujo de calor hacia el manto.

Estabilidad e inestabilidad

Los núcleos planetarios pequeños pueden experimentar una liberación de energía catastrófica asociada con los cambios de fase dentro de sus núcleos. Ramsey (1950) descubrió que la energía total liberada por tal cambio de fase sería del orden de 10 29 julios; equivalente a la liberación total de energía debido a los terremotos a través del tiempo geológico . Tal evento podría explicar el cinturón de asteroides . Dichos cambios de fase solo ocurrirían en relaciones específicas de masa a volumen, y un ejemplo de tal cambio de fase sería la rápida formación o disolución de un componente de núcleo sólido.

Tendencias en el Sistema Solar

Planetas rocosos interiores

Todos los planetas interiores rocosos, así como la luna, tienen un núcleo predominantemente de hierro. Venus y Marte tienen un elemento principal adicional en el núcleo. Se cree que el núcleo de Venus es de hierro y níquel, similar al de la Tierra. Marte, por otro lado, se cree que tiene un núcleo de hierro y azufre y se separa en una capa líquida exterior alrededor de un núcleo sólido interior. A medida que aumenta el radio orbital de un planeta rocoso, disminuye el tamaño del núcleo en relación con el radio total del planeta. Se cree que esto se debe a que la diferenciación del núcleo está directamente relacionada con el calor inicial de un cuerpo, por lo que el núcleo de Mercurio es relativamente grande y activo. Venus y Marte, así como la Luna, no tienen campos magnéticos. Esto podría deberse a la falta de una capa líquida de convección que interactúe con un núcleo interno sólido, ya que el núcleo de Venus no tiene capas. Aunque Marte tiene una capa líquida y una sólida, no parece que interactúen de la misma manera que los componentes líquidos y sólidos de la Tierra interactúan para producir una dínamo.

Gigantes exteriores de gas y hielo

La comprensión actual de los planetas exteriores del sistema solar, los gigantes de hielo y gas, teoriza pequeños núcleos de roca rodeados por una capa de hielo, y en los modelos de Júpiter y Saturno sugieren una gran región de hidrógeno metálico líquido y helio. Las propiedades de estas capas de hidrógeno metálico es un área importante de controversia porque es difícil de producir en entornos de laboratorio, debido a las altas presiones necesarias. Júpiter y Saturno parecen liberar mucha más energía de la que deberían irradiar solo del sol, lo que se atribuye al calor liberado por la capa de hidrógeno y helio. Urano no parece tener una fuente de calor importante, pero Neptuno tiene una fuente de calor que se atribuye a una formación "caliente".

Tipos observados

Lo siguiente resume la información conocida sobre los núcleos planetarios de cuerpos no estelares dados.

Dentro del Sistema Solar

Mercurio

Mercurio tiene un campo magnético observado, que se cree que se genera dentro de su núcleo metálico. El núcleo de Mercurio ocupa el 85% del radio del planeta, lo que lo convierte en el núcleo más grande en relación con el tamaño del planeta en el Sistema Solar; esto indica que gran parte de la superficie de Mercurio puede haberse perdido al principio de la historia del Sistema Solar. Mercurio tiene una corteza de silicato sólido y un manto que recubre una capa de núcleo externo de sulfuro de hierro sólido, seguida de una capa de núcleo líquido más profunda y luego un posible núcleo interno sólido que forma una tercera capa.

Venus

La composición del núcleo de Venus varía significativamente según el modelo utilizado para calcularlo, por lo que se requieren restricciones.

Elemento modelo condritico Modelo de condensación de equilibrio modelo pirolitico
Hierro 88,6% 94,4% 78,7%
Níquel 5,5% 5,6% 6,6%
Cobalto 0,26% Desconocido Desconocido
Azufre 5,1% 0% 4,9%
Oxígeno 0% Desconocido 9,8%

Luna

La existencia de un núcleo lunar todavía se debate; sin embargo, si tiene un núcleo, se habría formado sincrónicamente con el propio núcleo de la Tierra 45 millones de años después del inicio del Sistema Solar según la evidencia de hafnio-tungsteno y la hipótesis del impacto gigante . Tal núcleo puede haber alojado una dínamo geomagnética al principio de su historia.

Tierra

La Tierra tiene un campo magnético observado generado dentro de su núcleo metálico. La Tierra tiene un déficit de masa del 5 al 10 % para todo el núcleo y un déficit de densidad del 4 al 5 % para el núcleo interno. El valor Fe/Ni del núcleo está bien limitado por meteoritos condríticos . El azufre, el carbono y el fósforo solo representan ~2,5 % del componente de elemento ligero/déficit de masa. No existe evidencia geoquímica para incluir elementos radiactivos en el núcleo. Sin embargo, la evidencia experimental ha encontrado que el potasio es fuertemente siderófilo cuando se trata de temperaturas asociadas con la acreción del núcleo y, por lo tanto, el potasio-40 podría haber proporcionado una fuente importante de calor que contribuyó a la dínamo de la Tierra primitiva, aunque en menor medida que en los ricos en azufre. Marte. El núcleo contiene la mitad del vanadio y el cromo de la Tierra, y puede contener una cantidad considerable de niobio y tantalio. El núcleo está empobrecido en germanio y galio. La diferenciación del manto central ocurrió dentro de los primeros 30 millones de años de la historia de la Tierra. El tiempo de cristalización del núcleo interno aún está en gran parte sin resolver.

Marte

Marte posiblemente albergó un campo magnético generado por el núcleo en el pasado. La dínamo cesó dentro de los 500 millones de años de la formación del planeta. Los isótopos Hf/W derivados del meteorito marciano Zagami indican una rápida acumulación y diferenciación del núcleo de Marte; es decir, menos de 10 millones de años. El potasio-40 podría haber sido una fuente importante de calor que alimentaba la primera dínamo marciana.

La fusión del núcleo entre el proto-Marte y otro planetoide diferenciado podría haber sido tan rápido como 1000 años o tan lento como 300,000 años (dependiendo de la viscosidad de ambos núcleos y mantos). El calentamiento por impacto del núcleo marciano habría resultado en la estratificación del núcleo y habría matado a la dínamo marciana por una duración de entre 150 y 200 millones de años. Modelado realizado por Williams, et al. 2004 sugiere que para que Marte tuviera una dínamo funcional, el núcleo marciano estaba inicialmente 150  K más caliente que el manto (de acuerdo con la historia de diferenciación del planeta, así como con la hipótesis del impacto), y con un núcleo líquido de potasio. -40 habría tenido la oportunidad de dividirse en el núcleo proporcionando una fuente adicional de calor. El modelo concluye además que el núcleo de Marte es completamente líquido, ya que el calor latente de la cristalización habría impulsado una dínamo de mayor duración (más de mil millones de años). Si el núcleo de Marte es líquido, el límite inferior para el azufre sería del cinco por ciento en peso.

Ganímedes

Ganímedes tiene un campo magnético observado generado dentro de su núcleo metálico.

Júpiter

Júpiter tiene un campo magnético observado generado dentro de su núcleo , lo que indica que hay alguna sustancia metálica presente. Su campo magnético es el más fuerte del Sistema Solar después del Sol.

Júpiter tiene un núcleo de roca y / o hielo de 10 a 30 veces la masa de la Tierra, y este núcleo es probablemente soluble en la envoltura de gas de arriba, y por lo tanto tiene una composición primordial. Dado que el núcleo todavía existe, la envoltura exterior debe haberse acumulado originalmente en un núcleo planetario previamente existente. Los modelos de contracción/evolución térmica respaldan la presencia de hidrógeno metálico dentro del núcleo en grandes cantidades (mayor que Saturno).

Saturno

Saturno tiene un campo magnético observado generado dentro de su núcleo metálico . El hidrógeno metálico está presente dentro del núcleo (en menor abundancia que Júpiter). Saturno tiene un núcleo de roca o hielo de 10 a 30 veces la masa de la Tierra, y este núcleo es probablemente soluble en la envoltura de gas de arriba y, por lo tanto, tiene una composición primordial. Dado que el núcleo todavía existe, la envoltura debe haberse acumulado originalmente en núcleos planetarios previamente existentes. Los modelos de contracción/evolución térmica respaldan la presencia de hidrógeno metálico dentro del núcleo en grandes cantidades (pero aún menos que en Júpiter).

Núcleos planetarios remanentes

Las misiones a cuerpos en el cinturón de asteroides proporcionarán más información sobre la formación del núcleo planetario. Anteriormente se entendía que las colisiones en el sistema solar se fusionaban por completo, pero trabajos recientes sobre cuerpos planetarios sostienen que los restos de colisiones tienen sus capas externas despojadas, dejando atrás un cuerpo que eventualmente se convertiría en un núcleo planetario. La misión Psyche , titulada “Journey to a Metal World”, tiene como objetivo estudiar un cuerpo que posiblemente podría ser un núcleo planetario remanente.

extrasolares

A medida que el campo de los exoplanetas crece a medida que las nuevas técnicas permiten el descubrimiento de ambos exoplanetas diversos, se están modelando los núcleos de los exoplanetas. Estos dependen de las composiciones iniciales de los exoplanetas, que se infiere utilizando los espectros de absorción de los exoplanetas individuales en combinación con los espectros de emisión de su estrella.

planetas cthonianos

Un planeta ctónico se produce cuando un gigante gaseoso tiene su atmósfera exterior despojada por su estrella madre, probablemente debido a la migración hacia el interior del planeta. Todo lo que queda del encuentro es el núcleo original.

Planetas derivados de núcleos estelares y planetas de diamantes.

Los planetas de carbono , anteriormente estrellas, se forman junto con la formación de un púlsar de milisegundos . El primer planeta de este tipo descubierto tenía 18 veces la densidad del agua y cinco veces el tamaño de la Tierra. Así el planeta no puede ser gaseoso, y debe estar compuesto de elementos más pesados ​​y también cósmicamente abundantes como el carbono y el oxígeno; haciéndolo probablemente cristalino como un diamante.

PSR J1719-1438 es un púlsar de 5,7 milisegundos que tiene un compañero con una masa similar a la de Júpiter pero con una densidad de 23 g/cm 3 , lo que sugiere que el compañero es una enana blanca de carbono de masa ultrabaja , probablemente el núcleo de una estrella antigua.

Planetas de hielo caliente

Los exoplanetas con densidades moderadas (más densos que los planetas jovianos, pero menos densos que los planetas terrestres) sugieren que planetas como GJ1214b y GJ436 están compuestos principalmente de agua. Las presiones internas de tales mundos acuáticos darían como resultado la formación de fases exóticas de agua en la superficie y dentro de sus núcleos.

Referencias