Внутреннее строение планет — Кафедра космической физики
ПечатьDOCPDF
Аннотация
Дисциплина «Внутреннее строение планет» включает современные представления о внутреннем строении планет Солнечной системы и их спутников. Представлено сочетание достижений теоретических представлений с данными наблюдений, полученных при помощи космических аппаратов. Первая часть лекций излагает вопросы сейсмологии, химического состава, термодинамики, реологии, теории потенциала, геотермики, магнетизма на примере Земли. Эти знания имеют общее значение для всех планет. Во второй части лекций продемонстрировано как эти знания применяются для моделирования недр Луны, планет земной группы, планет-гигантов и их спутников.
Программа курса
1. Образование Солнечной системы.
Образование Солнечной системы и распространенность элементов. Почем важно выйти за пределы Земли? Развитие теоретических представлений, современные небулярные теории.
2. Сейсмология: объемные волны, поверхностные волны, собственные колебания.
Регистрация первого сейсмического события на Земле. Как были получены границы ядро-мантия, кора-мантия, внутреннее ядро. Типы сейсмических волн. Понятие годографа, Определение скоростей волн как функции глубины. Причины, ослабляющие амплитуду сейсмического сигнала при его распространении в недрах планеты. Классы собственных колебаний. Затухание колебаний.
3. Состав и строение оболочек Земли. Фазовые превращения.
Развитие представлений о недрах Земли. уравнении Адамса-Вильямсона, области его применения. Современные модели Земли. Диссипативные свойства земных недр. Динамический модуль сдвига земных недр.
4. Магнитное поле Земли. Генерация магнитного поля.
Ядро Земли. История геомагнетизма. Палеомагнитные исследования. Природа геомагнетизма – как генерируется магнитное поле в ядре. Схема работы гидромагнитного динамо.
5. Изостазия.
Землетрясения, извержения вулканов, изменения уровня моря показывают, что Земля не только изменялась в прошлом, но и теперь остается динамичной планетой. Какие же силы вызывали вертикальные движения, и как Земля реагирует на эти силы? Теория тектоники плит. Понятие изостазии. Время релаксации упругих напряжений. Теория пластичности твердых тел. Температура плавления и реология горных пород Граница литосфера-астеносфера.
6. Конвекция.
Адиабатический градиент температуры. Кондуктивный теплоперенос. Конвективный теплоперенос, общее уравнение переноса тепла. Свободная тепловая конвекция. Схема движения жидкости в ячейке Бенара.
7. Геотермика.
Геотермика изучает тепловое состояние Земли и распределение температуры в ее недрах. Вопрос о распределении температуры тесно связан с распределением источников тепла в глубинах Земли. Величина теплового потока, Измерения теплового потока в приповерхностных областях Земли. Изменения представлений о тепловом режиме земной коры по результатам глубокого континентального бурения. Как оценить температуру в недрах Земли: метод реперных точек. Горячие точки: горячие точки как реперы определения абсолютной скорости движения литосферных плит.
8. Теория гравитационного потенциала.
Гравиметрия связана с формой Земли, и таким образом, в геодезией, а последняя с топографией. Гравитационное поле определяет внешнюю баллистику планеты, значение которой в космический век не требует комментариев, данные гравитационного поля служат граничными условиями при построении моделей планет.
Теорема Клеро. Эквипотенциальные поверхности. Фигура Земли. Высоты геоида. Формула Буге. Поверхностные аномалии силы тяжести.
9. Внутреннее строение Луны
Аккреционный разогрев: понятие океана магмы. Фигура и гравитационное поле Луны. Масконы. Геология поверхности. Реголит. Сейсмология Луны. Модель внутреннего строения Луны. О возбуждении собственных колебаний. Магнитное поле Луны. Распределение электропроводности и температуры. Тепловой поток.
10. Внутреннее строение Марса
Рельеф поверхности. Построение модели внутреннего строения Марса. Сейсмический эксперимент на Марсе. Данные гравитационного поля и топографии: определение плотностных неоднородностей в приповерхностных областях планеты. Магнитное поле.
11. Внутреннее строение Венеры
Геология поверхности. Данные наблюдений. Землеподобные модели внутреннего строения Венеры. Оценки сейсмической активности. О возможности фиксации сейсмических событий по измерению изменений в атмосфере температуры, электронной плотности.
12. Внутреннее строение Меркурия
Геология поверхности. Гипотезы образования. Данные наблюдений. Модели внутреннего строения Меркурия. Магнитное поле.
13. Внутреннее строение планет-гигантов.
История построения моделей внутреннего строения. Теория фигуры. Почему планеты-гиганты являются газо-жидкими телами. Адиабатическая модель. Уравнение состояния. Модели внутреннего строения. Сейсмология Юпитера и Сатурна.
14. Внутреннее строение спутников планет-гигантов.
Размер, форма и масса. Приливное трение. Данные спектроскопии как ограничение на состав. Данные наблюдений для моделирования внутренней структуры. Гравитационное поле. Двух и трехслойные модели внутреннего строения. Фазовые переходы. Океаны. Наведенные магнитные поля.
© 2001-2023 Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)
Противодействие коррупции | Сведения о доходах
Антитеррористическая безопасность
Политика обработки персональных данных МФТИ
Техподдержка сайта | API
Использование новостных материалов сайта возможно только при наличии активной ссылки на https://mipt.
МФТИ в социальных сетях
Внутреннее строение Земли; кора, мантия и ядро
Земля и Луна с зонда MESSENGER
Весьма загадочными и практически недоступными являются недра Земли. К сожалению еще не существует такого аппарата, с помощью которого можно проникнуть и изучить внутреннее строение Земли. Исследователями установлено, что на данный момент самая глубокая шахта в мире имеет глубину в 4 км, а самая глубокая скважина находится на Кольском полуострове и составляет 12 км.
Содержание:
- 1 Метод исследования недр
- 2 Мнение ученых
- 3 Земная кора
- 4 Мантия
- 5 Ядро
Метод исследования недр
Строение Земли
Однако определенные знания о глубинах нашей планеты все-таки установлены. Ученые изучили ее внутреннее строение с помощью сейсмического метода. Основой данного метода, является измерение колебаний во время землетрясения или искусственных взрывов производимых в недрах Земли.
Вещества с разной плотностью и составом, пропускали через себя колебания с определенной скоростью. Что позволило с помощью специальных приборов измерить эту скорость и проанализировать полученные результаты.
Мнение ученых
Исследователями было установлено, что наша планета имеет несколько оболочек: земную кору, мантию и ядро. Ученые считают, что примерно 4,6 млрд. лет назад началось расслоение недр Земли и продолжает расслаиваться, по сей день. По их мнению, все тяжелые вещества спускаются к центру Земли, присоединяясь к ядру планеты, а более легкие вещества поднимаются вверх и становятся земной корой. Когда внутреннее расслоение закончится, наша планета превратиться в холодную и мертвую.
Строение Земли
Земная кора
Является самой тонкой оболочкой планеты. Ее доля составляет 1% от общей массы Земли. На поверхности земной коры обитают люди и добывают из нее все необходимое для выживания. В земной коре, во многих местах, имеются шахты и скважины. Ее состав и строение изучается с помощью образцов собранных с поверхности.
Мантия
Представляет собой самую обширную оболочку земли. Ее объем, и масса составляет 70 – 80% всей планеты. Мантия состоит из твердого вещества, но менее плотного, чем вещество ядра. Чем глубже располагается мантия, тем больше становиться ее температура и давление. Мантия имеет частично расплавленный слой. С помощью этого слоя твердые вещества перемещаются к ядру земли.
Ядро
Является центром земли. Оно имеет очень высокую температуру (3000 – 4000 оС) и давление. Состоит ядро из самых плотных и тяжелых веществ. Оно составляет приблизительно 30% от общей массы. Твердая часть ядра плавает в его жидком слое, создавая тем самым магнитное поле земли. Оно является защитником жизни на планете, оберегая ее от космических лучей.
Научно-популярный фильм о формировании нашего мира
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Просмотров записи: 27818
Запись опубликована: 03.
02.2014
Автор: Максим Заболоцкий
7.2 Состав и строение планет – астрономия
Глава 7 Другие миры: введение в Солнечную систему
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Описывать характеристики планет-гигантов, планет земной группы и малых тел Солнечной системы
- Объясните, что влияет на температуру поверхности планеты
- Объясните, почему на одних планетах геологическая активность отсутствует, а на других
Тот факт, что существует два различных типа планет — каменистые планеты земного типа и богатые газом планеты Юпитера, — заставляет нас полагать, что они образовались в разных условиях. Безусловно, в их композициях преобладают разные элементы. Остановимся на каждом виде подробнее.
Две самые большие планеты, Юпитер и Сатурн, имеют почти такой же химический состав, как и Солнце; они состоят в основном из двух элементов, водорода и гелия, причем 75% их массы составляют водород и 25% гелий.
Под действием силы тяжести более тяжелые элементы опускаются к внутренним частям жидкой или газообразной планеты. Таким образом, и Юпитер, и Сатурн имеют ядра, состоящие из более тяжелой породы, металла и льда, но мы не можем видеть эти области напрямую. На самом деле, когда мы смотрим сверху вниз, все, что мы видим, — это атмосфера с ее клубящимися облаками (рис. 7.11). Мы должны сделать вывод о существовании более плотного ядра внутри этих планет на основе изучения гравитации каждой планеты.
Юпитер.
Рисунок 7.11. Это полноцветное изображение Юпитера было получено с космического корабля «Кассини» в 2000 году.
(Источник: модификация работы НАСА/Лаборатории реактивного движения/Университета Аризоны)Уран и Нептун намного меньше Юпитера и Сатурна, но каждый из них также имеет ядро из камня, металла и льда. Уран и Нептун были менее эффективны в привлечении газообразного водорода и гелия, поэтому их атмосферы намного меньше по сравнению с их ядрами.
В химическом отношении на каждой планете-гиганте преобладает водород и его многочисленные соединения. Почти весь присутствующий кислород химически соединяется с водородом с образованием воды (H 2 О). Химики называют такую композицию с преобладанием водорода восстановленной . Во внешней части Солнечной системы мы находим много воды (в основном в виде льда) и восстанавливающих химических веществ.
Планеты земной группы сильно отличаются от гигантов. Помимо того, что они намного меньше, они состоят в основном из горных пород и металлов. Они, в свою очередь, состоят из элементов, которые менее распространены во Вселенной в целом.
Наиболее распространенные горные породы, называемые силикатами, состоят из кремния и кислорода, а наиболее распространенным металлом является железо. Мы можем сказать по их плотности (см. Таблицу 7.2), что Меркурий имеет наибольшую долю металлов (которые более плотные), а Луна — наименьшую. Земля, Венера и Марс имеют примерно одинаковый объемный состав: около одной трети их массы состоит из соединений железо-никель или железо-сера; две трети составляют силикаты. Поскольку эти планеты в основном состоят из соединений кислорода (таких как силикатные минералы их корок), считается, что их химический состав составляет
Когда мы смотрим на внутреннюю структуру каждой из планет земной группы, мы обнаруживаем, что самые плотные металлы находятся в центральном ядре, а более легкие силикаты находятся ближе к поверхности. Если бы эти планеты были жидкими, как планеты-гиганты, мы могли бы понять этот эффект как результат погружения более тяжелых элементов под действием гравитации.
Это приводит нас к выводу, что хотя планеты земной группы сегодня твердые, когда-то они должны были быть достаточно горячими, чтобы плавиться.
Дифференциация — это процесс, посредством которого гравитация помогает разделить недра планеты на слои разного состава и плотности. Более тяжелые металлы опускаются, образуя ядро, а самые легкие всплывают на поверхность, образуя корку. Позже, когда планета остывает, эта слоистая структура сохраняется. Чтобы каменистая планета могла дифференцироваться, ее необходимо нагреть до температуры плавления горных пород, которая обычно превышает 1300 К.
По химическому составу и структуре Луна Земли похожа на планеты земной группы, но большинство лун находятся во внешней части Солнечной системы, и их состав аналогичен ядрам планет-гигантов, вокруг которых они вращаются. Три крупнейших спутника — Ганимед и Каллисто в системе Юпитера и Титан в системе Сатурна — состоят наполовину из замерзшей воды, наполовину из горных пород и металлов. Большинство этих спутников дифференцировались во время формирования, и сегодня они имеют ядра из горных пород и металла с верхними слоями и корками из очень холодного и, следовательно, очень твердого льда (рис.
7.12).
Ганимед.
Рисунок 7.12. Этот снимок Ганимеда, спутника Юпитера, был сделан в июне 1996 года космическим кораблем Галилео. Коричневато-серый цвет поверхности указывает на пыльную смесь скального материала и льда. Яркие пятна — это места, где недавние удары обнажили свежий лед снизу. (кредит: модификация работы НАСА/Лаборатории реактивного движения) Большинство астероидов и комет, а также самые маленькие луны, вероятно, никогда не нагревались до точки плавления. Однако некоторые из крупнейших астероидов, такие как Веста, кажутся дифференцированными; другие представляют собой фрагменты дифференцированных тел. Поскольку большинство астероидов и комет сохраняют свой первоначальный состав, они представляют собой относительно неизмененный материал, относящийся ко времени образования Солнечной системы. В некотором смысле они действуют как химические окаменелости, помогая нам узнать о давно минувших временах, чьи следы были стерты в более крупных мирах.
Вообще говоря, чем дальше планета или луна от Солнца, тем холоднее их поверхность. Планеты нагреваются лучистой энергией Солнца, которая становится слабее с квадратом расстояния. Вы знаете, как быстро ослабевает согревающий эффект камина или уличного лучистого обогревателя, когда вы уходите от него; тот же эффект применим к Солнцу. У Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты, температура поверхности на освещенной солнцем стороне колеблется в пределах 280–430 °C, в то время как температура поверхности Плутона составляет всего около –220 °C, то есть холоднее, чем жидкий воздух.
Математически температура уменьшается примерно пропорционально квадратному корню расстояния от Солнца. Плутон находится примерно в 30 а.е. в ближайшем к Солнцу (или в 100 раз больше Меркурия) и примерно в 49 а.е. в самом дальнем от Солнца. Таким образом, температура Плутона меньше температуры Меркурия на корень квадратный из 100, или в 10 раз: от 500 К до 50 К.
Помимо расстояния от Солнца, на температуру поверхности планеты сильно влияет ее атмосфера.
Без нашей атмосферной изоляции (парниковый эффект, удерживающий тепло) океаны Земли были бы навсегда заморожены. И наоборот, если бы Марс когда-то имел более крупную атмосферу в прошлом, он мог бы поддерживать более умеренный климат, чем сегодня. Венера является еще более экстремальным примером, где ее плотная атмосфера из углекислого газа действует как изоляция, уменьшая утечку тепла, накопленного на поверхности, что приводит к более высоким температурам, чем на Меркурии. Сегодня Земля — единственная планета, температура поверхности которой обычно находится между точками замерзания и кипения воды. Насколько нам известно, Земля — единственная планета, на которой существует жизнь.
Нет места лучше дома
В классическом фильме Волшебник страны Оз героиня Дороти после многочисленных приключений в «чужой» среде приходит к выводу, что «нет места лучше дома». То же самое можно сказать и о других мирах нашей Солнечной системы. Есть много удивительных мест, больших и маленьких, которые мы хотели бы посетить, но люди не смогли бы выжить ни в одном из них без значительной искусственной помощи.
Плотная атмосфера углекислого газа поддерживает температуру поверхности нашей соседки Венеры на уровне 700 К (около 900 °F). Марс, с другой стороны, имеет температуры, как правило, ниже точки замерзания, а воздух (также в основном углекислый газ) настолько разреженный, что он напоминает тот, что находится на высоте 30 километров (100 000 футов) в атмосфере Земли. А красная планета настолько сухая, что на ней не было дождя миллиарды лет.
Внешние слои юпитерианских планет не являются ни достаточно теплыми, ни достаточно твердыми для проживания людей. Любые базы, которые мы строим в системах планет-гигантов, возможно, должны находиться в космосе или на одной из их лун, ни одна из которых не является особенно гостеприимной для роскошного отеля с бассейном и пальмами. Возможно, мы найдем более теплые гавани глубоко внутри облаков Юпитера или в океане под замерзшим льдом его спутника Европы.
Все это говорит о том, что нам следует хорошо заботиться о Земле, потому что это единственное место, где может выжить жизнь, какой мы ее знаем.
Недавняя человеческая деятельность может снизить пригодность нашей планеты для жизни за счет добавления загрязняющих веществ в атмосферу, особенно мощного парникового газа двуокиси углерода. Человеческая цивилизация кардинально меняет нашу планету, и эти изменения не обязательно к лучшему. В Солнечной системе, которая, кажется, не готова принять нас, сделать Землю менее гостеприимной для жизни может быть серьезной ошибкой.
Кора всех планет земной группы, а также более крупных спутников за свою историю видоизменялась как внутренними, так и внешними силами. Внешне каждый был поврежден медленным дождем снарядов из космоса, оставивших на их поверхности изрытые ударными воронками всех размеров (см. рис. 7.4). У нас есть убедительные доказательства того, что эта бомбардировка была намного сильнее в ранней истории Солнечной системы, но она, безусловно, продолжается и по сей день, хотя и с меньшей скоростью. Столкновение более 20 крупных осколков кометы Шумейкера–Леви 9.с Юпитером летом 1994 г.
(см. рис. 7.13) — яркий пример этого процесса.
Комета Шумейкера–Леви 9.
Рисунок 7.13. На этом изображении кометы Шумейкера-Леви 9, полученном 17 мая 1994 года космическим телескопом НАСА Хаббл, можно увидеть около 20 ледяных фрагментов, на которые раскололась комета. Комета находилась примерно в 660 миллионах километров от Земли, направляясь к Юпитеру. (кредит: модификация работы НАСА, ЕКА, Х. Уивера (STScl), Э. Смита (STScl))На рис. 7.14 показаны последствия этих столкновений, когда в атмосфере Юпитера можно было увидеть облака обломков размером больше Земли.
Юпитер с огромными облаками пыли.
Рисунок 7.14. Космический телескоп Хаббл сделал эту серию изображений Юпитера летом 1994 года, когда фрагменты кометы Шумейкера-Леви 9 столкнулись с планетой-гигантом. Здесь мы видим место попадания осколка G в период от пяти минут до пяти дней после удара. Несколько пылевых облаков, образовавшихся в результате столкновений, стали больше Земли.
(кредит: модификация работы Х. Хаммела, НАСА)В течение того времени, когда все планеты подвергались таким ударам, внутренние силы на планетах земной группы изгибали и искривляли их коры, создавали горные хребты, извергали вулканы и в целом изменяли поверхность в результате того, что мы называем геологической активностью. (Приставка гео означает «Земля», так что это немного «земле-шовинистский» термин, но он настолько широко используется, что мы преклоняемся перед традицией.) Среди планет земной группы Земля и Венера испытали наибольшую геологической активности над их историей, хотя некоторые спутники во внешней Солнечной системе также удивительно активны. Напротив, наша собственная Луна — это мертвый мир, где геологическая активность прекратилась миллиарды лет назад.
Геологическая активность на планете является результатом горячего недр. Силы вулканизма и горообразования обусловлены выходом тепла из недр планет. Как мы увидим, каждая из планет была нагрета в момент своего рождения, и это первичное тепло изначально приводило в действие обширную вулканическую активность даже на нашей Луне.
Но небольшие объекты, такие как Луна, вскоре остыли. Чем больше планета или луна, тем дольше она сохраняет свое внутреннее тепло, и, следовательно, тем больше мы ожидаем увидеть на поверхности признаки продолжающейся геологической активности. Эффект аналогичен нашему собственному опыту с горячей запеченной картошкой: чем крупнее картошка, тем медленнее она остывает. Если мы хотим, чтобы картошка быстро остыла, нарезаем ее небольшими кусочками.
По большей части история вулканической активности на планетах земной группы соответствует предсказаниям этой простой теории. Луна, самый маленький из этих объектов, представляет собой геологически мертвый мир. Хотя о Меркурии мы знаем меньше, кажется вероятным, что и эта планета прекратила большую часть вулканической активности примерно в то же время, что и Луна. Марс представляет промежуточный случай. Она была гораздо более активной, чем Луна, но менее активной, чем Земля. Земля и Венера, крупнейшие планеты земной группы, все еще имеют расплавленные недра даже сегодня, примерно через 4,5 миллиарда лет после их рождения.
Планеты-гиганты имеют плотные ядра, примерно в 10 раз превышающие массу Земли, окруженные слоями водорода и гелия. Планеты земной группы состоят в основном из горных пород и металлов. Когда-то они были расплавлены, что позволило их структурам дифференцироваться (то есть их более плотные материалы опустились к центру). Луна по составу напоминает планеты земной группы, но большинство других лун, которые вращаются вокруг планет-гигантов, имеют большее количество замороженного льда внутри. В целом миры, расположенные ближе к Солнцу, имеют более высокую температуру поверхности. Поверхности планет земной группы были изменены ударами из космоса и разной степенью геологической активности.
- дифференциация
- гравитационное разделение материалов разной плотности на слои в недрах планеты или луны
Марс: структура планеты — окна во Вселенную
Это изображение поверхности Марса.
Нажмите на изображение, чтобы увидеть его в полном размере
НАСА
Ссылки по теме:
Изображение горы Олимп
Изображение долины Маринерис
Изображение посадочной площадки викингов
Образ Южной Искренности
Уникально красная глобальная поверхность Марса отмечена множеством интересных
особенности — одни как на Земле, а другие
странно отличается.
Красноватый цвет вызван ржавчиной
(оксид железа) в почве.
Некоторые из этих функций; вулканы, системы каньонов, русла рек, кратеры рельеф и дюнные поля.
Наиболее интересными из этих функций являются очевидно мертвый вулкан Олимп Монс, высота которого составляет 23 км (~ 75 000 футов). над окружающими равнинами и является самой высокой известной вершиной в Солнечная система. Valles Marineris — гигантская система каньонов, около 2500 миль по поверхности планеты и достигает глубины 6 км или 4 мили (для сравнения, Гранд-Каньон не больше глубиной более 1 мили).
Вас также может заинтересовать:
На этой карте Марса показан слегка покрытый кратерами хребет Фарсис, а также покрытые кратерами марсианские нагорья (в нижней части рисунка) и Долина Маринер справа. Вулканы…подробнее
Крупнейший вулкан в Солнечной системе — Гора Олимп, показанная на изображении слева. Олимп Монс — марсианский щитовой вулкан.
Высота Olympus Mons в три раза превышает высоту самого большого…more
Valles Marineris представляет собой большую систему каньонов, показанную на этом изображении, которая простирается на 4000 км (2500 миль) вдоль экватора Марса. Впервые он был подробно сфотографирован Mariner 9.. Сцена слева (по центру…подробнее
Подобно тому, как Златовласка нашла подходящую кашу, Земля кажется как раз подходящей для условий, благоприятных для жизни. Причины кроются в том, что Земля кажется будь совершенным…подробнее
Это изображение показывает, насколько холодной может быть поверхность Марса. Данные о температуре взяты из миссии Mars Global Surveyor. Шкала слева показывает, что фиолетовые области самые холодные, около -170 градусов. ..подробнее
На Марсе существует два основных фактора выветривания: ветер и кислотный туман.Хотя кислотный туман может быть очень важным, так как большое количество воды труднодоступно с поверхности Марса, действие.