По многим причинам Венеру иногда называют «близнецом Земли» (или «Планетой-сестрой», в зависимости от того, кого вы спрашиваете). Как и Земля, она наземная (то есть каменистая) по своей природе, состоит из силикатных минералов и металлов, которые различаются между железо-никелевым ядром и силикатной мантией и земной корой. Но когда речь идет об их соответствующих атмосферах и магнитных полях, наши две планеты не могут быть более разными.
В течение некоторого времени астрономы изо всех сил пытались ответить, почему у Земли есть магнитное поле (которое позволяет ей сохранять плотную атмосферу), а Венера - нет. Согласно новому исследованию, проведенному международной группой ученых, это может быть связано с огромным воздействием, которое произошло в прошлом. Поскольку Венера, кажется, никогда не испытывала такого удара, она никогда не развивала динамо, необходимое для генерации магнитного поля.
Исследование под названием «Формирование, расслоение и перемешивание ядер Земли и Венеры» недавно появилось в научном журнале. Земля и Наука Планетарные Письма, Исследование было проведено Сетом А. Джекобсоном из Северо-западного университета и включало членов Обсерватории Лазурного берега, Университета Байройта, Токийского технологического института и Института Карнеги в Вашингтоне.
Ради своего изучения Якобсон и его коллеги начали размышлять над тем, как планеты земли формируются в первую очередь. Согласно наиболее широко принятым моделям формирования планет, планеты земной группы формируются не за одну стадию, а из серии аккреционных событий, характеризующихся столкновениями с планетезималами и планетарными эмбрионами, большинство из которых имеют свои собственные ядра.
Недавние исследования по физике минералов высокого давления и по орбитальной динамике также показали, что планетарные ядра развивают слоистую структуру по мере их аккреции. Причина этого связана с тем, что во время процесса в жидкий металл включается большее количество легких элементов, которые затем будут погружаться, образуя ядро планеты при повышении температуры и давления.
Такое многослойное ядро было бы неспособно к конвекции, которая, как полагают, учитывает магнитное поле Земли. Более того, такие модели несовместимы с сейсмологическими исследованиями, которые показывают, что ядро Земли состоит в основном из железа и никеля, а примерно 10% его веса составляют легкие элементы, такие как кремний, кислород, сера и другие. Его внешнее ядро одинаково однородно и состоит из практически одинаковых элементов.
Как доктор Джейкобсон объяснил журналу Space по электронной почте:
«Планеты земного шара выросли из последовательности аккреционных (ударных) событий, поэтому ядро также выросло в несколько этапов. Многостадийное формирование ядра создает слоистую структуру со стабильной стратификацией плотности в ядре, потому что легкие элементы все чаще включаются в последующие добавления ядра. Легкие элементы, такие как O, Si и S, все больше распадаются на жидкости, образующие ядро, во время образования ядра, когда давления и температуры выше, поэтому более поздние события формирования ядра включают больше этих элементов в ядро, потому что Земля больше, а давления и температуры, следовательно, выше ,
«Это создает устойчивую стратификацию, которая предотвращает длительное геодинамическое и планетарное магнитное поле. Это наша гипотеза для Венеры. В случае Земли, мы думаем, что лунообразующее воздействие было достаточно сильным, чтобы механически перемешать ядро Земли и позволить длительному геодинамо генерировать магнитное поле сегодняшней планеты ».
Чтобы добавить к этому состоянию путаницы, были проведены палеомагнитные исследования, которые показывают, что магнитное поле Земли существует по крайней мере 4,2 миллиарда лет (примерно 340 миллионов лет после его формирования). Таким образом, естественно возникает вопрос о том, что может объяснить текущее состояние конвекции и как оно возникло. Ради своего исследования Якобсон и его команда рассматривают возможность того, что это может оказать огромное влияние. Как указал Джейкобсон:
«Энергичные удары механически смешивают ядро и могут разрушить устойчивую стратификацию. Стабильная стратификация предотвращает конвекцию, которая подавляет геодинамику. Удаление стратификации позволяет динамо-машине работать ».
По сути, энергия этого воздействия сотрясала бы ядро, создавая единую однородную область, в которой могла бы функционировать длительная геодинамика. Учитывая возраст магнитного поля Земли, это согласуется с теорией удара Тейи, где объект размером с Марс, как полагают, столкнулся с Землей 4,51 миллиарда лет назад и привел к образованию системы Земля-Луна.
Это воздействие могло привести к тому, что ядро Земли перешло из многослойного в однородное состояние, и в течение следующих 300 миллионов лет условия давления и температуры могли бы привести к тому, что оно различало бы твердое внутреннее ядро и жидкое внешнее ядро. Благодаря вращению во внешнем ядре, результатом был динамо-эффект, который защищал нашу атмосферу по мере ее образования.
Семена этой теории были представлены в прошлом году на 47-й Лунной и Планетарной научной конференции в Вудлендсе, штат Техас. Во время презентации под названием «Динамическое перемешивание планетарных ядер гигантскими ударами» доктор Мики Накаджима из Калифорнийского технологического института - один из соавторов этого последнего исследования - и Дэвид Дж. Стивенсон из Вашингтонского института Карнеги. В то время они указали, что стратификация ядра Земли, возможно, была сброшена тем же воздействием, которое сформировало Луну.
Исследование Накадзимы и Стивенсона показало, как наиболее сильные удары могут всколыхнуть ядро планет в конце их аккреции. Опираясь на это, Джекобсон и другие соавторы применили модели того, как Земля и Венера аккрецировались из диска твердых частиц и газа вокруг прото-Солнца. Они также применяли расчеты роста Земли и Венеры, основываясь на химическом составе мантии и ядра каждой планеты в течение каждого аккреционного события.
Значение этого исследования с точки зрения того, как оно связано с эволюцией Земли и возникновением жизни, не может быть преуменьшено. Если магнитосфера Земли является результатом позднего энергетического удара, то такие удары вполне могут быть разницей между тем, насколько наша планета пригодна для обитания или слишком холодной и засушливой (как Марс) или слишком горячей и адской (как Венера). Как заключил Якобсон:
«Планетарные магнитные поля защищают планеты и жизнь на планете от вредного космического излучения. Если для планетарного магнитного поля необходимо позднее, сильное и гигантское воздействие, то такое воздействие может быть необходимым для жизни ».
За рамками нашей Солнечной системы эта статья также имеет значение при изучении планет вне Солнца. Здесь также, разница между пригодной для жизни или нет планетой может сводиться к высокоэнергетическим воздействиям, являющимся частью ранней истории системы. В будущем, при изучении внезолнечных планет и поиске признаков обитаемости, ученые вполне могут быть вынуждены задать один простой вопрос: «Достаточно ли сильно ударил?»
