7.2: تكوين وهيكل الكواكب
- Page ID
- 197313
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- وصف خصائص الكواكب العملاقة والكواكب الأرضية والأجسام الصغيرة في النظام الشمسي
- اشرح العوامل التي تؤثر على درجة حرارة سطح الكوكب
- اشرح سبب وجود نشاط جيولوجي على بعض الكواكب وليس على غيرها
تقودنا حقيقة وجود نوعين متميزين من الكواكب - الكواكب الأرضية الصخرية والكواكب الجوفانية الغنية بالغاز - إلى الاعتقاد بأنها تشكلت في ظل ظروف مختلفة. من المؤكد أن تركيباتها تهيمن عليها عناصر مختلفة. دعونا نلقي نظرة على كل نوع بمزيد من التفاصيل.
الكواكب العملاقة
يمتلك الكوكبان الأكبر، المشتري وزحل، نفس التركيب الكيميائي للشمس تقريبًا؛ يتكونان أساسًا من عنصري الهيدروجين والهيليوم، حيث يتكون 75٪ من كتلتهما من الهيدروجين و 25٪ من الهيليوم. على الأرض، يعتبر كل من الهيدروجين والهيليوم من الغازات، لذلك يُطلق على المشتري وزحل أحيانًا اسم الكواكب الغازية. لكن هذا الاسم مضلل. كوكب المشتري وزحل كبيران جدًا بحيث يتم ضغط الغاز في داخلهما حتى يصبح الهيدروجين سائلًا. نظرًا لأن الجزء الأكبر من كلا الكوكبين يتكون من هيدروجين مضغوط ومسيل، يجب أن نسميهما حقًا كواكب سائلة.
تحت قوة الجاذبية، تغرق العناصر الثقيلة نحو الأجزاء الداخلية من كوكب سائل أو غازي. لذلك، يحتوي كل من المشتري وزحل على نوى تتكون من الصخور الثقيلة والمعدن والجليد، ولكن لا يمكننا رؤية هذه المناطق مباشرة. في الواقع، عندما ننظر إلى الأسفل من الأعلى، كل ما نراه هو الغلاف الجوي بغيوم دوامة (الشكل\(\PageIndex{1}\)). يجب أن نستنتج وجود النواة الأكثر كثافة داخل هذه الكواكب من دراسات جاذبية كل كوكب.
أورانوس ونبتون أصغر بكثير من المشتري وزحل، ولكن لكل منهما أيضًا نواة من الصخور والمعدن والجليد. كانت أورانوس ونبتون أقل كفاءة في جذب الهيدروجين وغاز الهيليوم، لذا فإن أجواءهم الجوية أصغر بكثير بما يتناسب مع نواتهم.
كيميائياً، يهيمن الهيدروجين ومركباته العديدة على كل كوكب عملاق. يتم دمج كل الأكسجين الموجود تقريبًا كيميائيًا مع الهيدروجين لتكوين الماء (H 2 O). يصف الكيميائيون هذه التركيبة التي يهيمن عليها الهيدروجين بأنها منخفضة. في جميع أنحاء النظام الشمسي الخارجي، نجد المياه الوفيرة (معظمها على شكل جليد) والكيمياء المختزلة.
الكواكب الأرضية
الكواكب الأرضية مختلفة تمامًا عن الكواكب العملاقة. بالإضافة إلى كونها أصغر بكثير، فهي تتكون أساسًا من الصخور والمعادن. هذه بدورها مصنوعة من عناصر أقل شيوعًا في الكون ككل. الصخور الأكثر وفرة، والتي تسمى السيليكات، مصنوعة من السيليكون والأكسجين، والمعدن الأكثر شيوعًا هو الحديد. يمكننا أن نعرف من كثافتها (انظر الجدول\(7.1.2\)) أن الزئبق يحتوي على أكبر نسبة من المعادن (الأكثر كثافة) والقمر هو الأدنى. تحتوي كل من الأرض والزهرة والمريخ على تركيبات مجمعة متشابهة تقريبًا: يتكون حوالي ثلث كتلتها من تركيبات الحديد والنيكل أو الحديد والكبريت؛ والثلثان مصنوعان من السيليكات. نظرًا لأن هذه الكواكب تتكون إلى حد كبير من مركبات الأكسجين (مثل معادن السيليكات في قشرتها)، يُقال إن كيمياءها تتأكسد.
عندما ننظر إلى البنية الداخلية لكل من الكواكب الأرضية، نجد أن المعادن الأكثر كثافة توجد في قلب مركزي، مع وجود السيليكات الأخف بالقرب من السطح. إذا كانت هذه الكواكب سائلة، مثل الكواكب العملاقة، يمكننا فهم هذا التأثير كنتيجة لغرق العناصر الثقيلة بسبب جاذبية الجاذبية. هذا يقودنا إلى استنتاج أنه على الرغم من أن الكواكب الأرضية صلبة اليوم، إلا أنها في وقت ما كانت ساخنة بدرجة كافية لتذوب.
التمايز هو العملية التي تساعد من خلالها الجاذبية على فصل باطن الكوكب إلى طبقات ذات تركيبات وكثافات مختلفة. تغرق المعادن الثقيلة لتشكل قلبًا، بينما تطفو المعادن الأخف على السطح لتشكل قشرة. في وقت لاحق، عندما يبرد الكوكب، يتم الحفاظ على هذه البنية ذات الطبقات. من أجل تمييز كوكب صخري، يجب تسخينه إلى درجة انصهار الصخور، والتي عادة ما تكون أكثر من 1300 K.
الأقمار والكويكبات والمذنبات
من الناحية الكيميائية والهيكلية، يشبه قمر الأرض الكواكب الأرضية، ولكن معظم الأقمار موجودة في النظام الشمسي الخارجي، ولها تركيبات مشابهة لنوى الكواكب العملاقة التي تدور حولها. تتكون أكبر ثلاثة أقمار - جانيميد وكاليستو في نظام جوفيان، وتيتان في نظام زحل - من نصف المياه المجمدة ونصف الصخور والمعادن. تتمايز معظم هذه الأقمار أثناء التكوين، واليوم تحتوي على نوى من الصخور والمعدن، مع طبقات علوية وقشور من الجليد شديد البرودة وبالتالي شديد الصلابة (الشكل\(\PageIndex{2}\)).
ربما لم يتم تسخين معظم الكويكبات والمذنبات، وكذلك أصغر الأقمار، إلى درجة الانصهار. ومع ذلك، يبدو أن بعض أكبر الكويكبات، مثل Vesta، متباينة؛ والبعض الآخر عبارة عن أجزاء من أجسام متباينة. نظرًا لأن معظم الكويكبات والمذنبات تحتفظ بتكوينها الأصلي، فإنها تمثل مادة غير معدلة نسبيًا تعود إلى وقت تكوين النظام الشمسي. بمعنى ما، تعمل كأحافير كيميائية تساعدنا على التعرف على حقبة طويلة تم مسح آثارها على عوالم أكبر.
درجات الحرارة: الذهاب إلى أقصى الحدود
بشكل عام، كلما كان الكوكب أو القمر أبعد عن الشمس، كلما كان سطحه أكثر برودة. يتم تسخين الكواكب بواسطة الطاقة المشعة للشمس، والتي تصبح أضعف مع مربع المسافة. أنت تعرف مدى سرعة انخفاض تأثير التسخين للموقد أو السخان المشع الخارجي عند الابتعاد عنه؛ نفس التأثير ينطبق على الشمس. يتمتع كوكب عطارد، وهو أقرب كوكب إلى الشمس، بدرجة حرارة سطحية متقلبة تتراوح من 280 إلى 430 درجة مئوية على جانبه المضاء بنور الشمس، في حين أن درجة حرارة سطح كوكب بلوتو تبلغ حوالي -220 درجة مئوية فقط، وهي أبرد من الهواء السائل.
رياضياً، تنخفض درجات الحرارة تقريبًا بما يتناسب مع الجذر التربيعي للمسافة من الشمس. تبلغ مساحة بلوتو حوالي 30 AU في أقرب مكان إلى الشمس (أو 100 ضعف مسافة عطارد) وحوالي 49 AU في أبعد مسافة عن الشمس. وبالتالي، تكون درجة حرارة بلوتو أقل من درجة حرارة عطارد بالجذر التربيعي لـ 100، أو بعامل 10: من 500 K إلى 50 K.
بالإضافة إلى بعده عن الشمس، يمكن أن تتأثر درجة حرارة سطح الكوكب بشدة بالغلاف الجوي. بدون عزلنا الجوي (تأثير الاحتباس الحراري، الذي يحافظ على الحرارة)، سيتم تجميد محيطات الأرض بشكل دائم. على العكس من ذلك، إذا كان للمريخ ذات يوم غلاف جوي أكبر في الماضي، لكان بإمكانه دعم مناخ أكثر اعتدالًا مما هو عليه اليوم. يعتبر كوكب الزهرة مثالًا أكثر تطرفًا، حيث يعمل غلافه الجوي السميك من ثاني أكسيد الكربون كعزل، مما يقلل من تسرب الحرارة المتراكمة على السطح، مما يؤدي إلى درجات حرارة أعلى من تلك الموجودة على عطارد. اليوم، الأرض هي الكوكب الوحيد الذي تقع فيه درجات حرارة السطح عمومًا بين نقاط التجمد والغليان في الماء. بقدر ما نعلم، الأرض هي الكوكب الوحيد الذي يدعم الحياة.
لا يوجد مكان مثل المنزل
في الفيلم الكلاسيكي The Wizard of Oz، تختتم دوروثي، البطلة، بعد مغامراتها العديدة في البيئات «الغريبة» بأنه «لا يوجد مكان مثل المنزل». يمكن قول الشيء نفسه عن العوالم الأخرى في نظامنا الشمسي. هناك العديد من الأماكن الرائعة، الكبيرة والصغيرة، التي قد نرغب في زيارتها، لكن البشر لا يمكنهم البقاء على قيد الحياة دون قدر كبير من المساعدة الاصطناعية.
يحافظ الغلاف الجوي السميك من ثاني أكسيد الكربون على درجة حرارة سطح كوكب الزهرة المجاور عند 700 كلفن (بالقرب من 900 درجة فهرنهايت). من ناحية أخرى، تتمتع المريخ بدرجات حرارة أقل من درجة التجمد عمومًا، حيث يكون الهواء (أيضًا في الغالب ثاني أكسيد الكربون) رقيقًا جدًا لدرجة أنه يشبه ذلك الموجود على ارتفاع 30 كيلومترًا (100000 قدم) في الغلاف الجوي للأرض. والكوكب الأحمر جاف جدًا لدرجة أنه لم يتعرض لأي مطر منذ مليارات السنين.
الطبقات الخارجية للكواكب الجوفانية ليست دافئة بما يكفي ولا صلبة بما يكفي لسكن الإنسان. قد يتعين أن تكون أي قواعد نبنيها في أنظمة الكواكب العملاقة في الفضاء أو في أحد أقمارها - وليس أي منها مضياف بشكل خاص لفندق فخم به حوض سباحة وأشجار نخيل. ربما سنجد ملاذات أكثر دفئًا في أعماق غيوم المشتري أو في المحيط تحت الجليد المتجمد لقمره يوروبا.
كل هذا يشير إلى أنه من الأفضل أن نعتني جيدًا بالأرض لأنها الموقع الوحيد الذي يمكن أن تعيش فيه الحياة كما نعرفها. قد يقلل النشاط البشري الأخير من قابلية العيش لكوكبنا عن طريق إضافة الملوثات إلى الغلاف الجوي، وخاصة ثاني أكسيد الكربون القوي لغازات الاحتباس الحراري. تقوم الحضارة الإنسانية بتغيير كوكبنا بشكل كبير، وهذه التغييرات ليست بالضرورة للأفضل. في النظام الشمسي الذي يبدو غير مستعد لاستقبالنا، قد يكون جعل الأرض أقل ملاءمة للحياة خطأً فادحًا.
نشاط جيولوجي
تم تعديل قشور جميع الكواكب الأرضية، وكذلك الأقمار الأكبر، على مدار تاريخها من قبل القوى الداخلية والخارجية. وعلى الصعيد الخارجي، تعرضت كل منها لأمطار بطيئة من المقذوفات من الفضاء، تاركةً أسطحها محجوبة بالفوهات الصدمية من جميع الأحجام (انظر الشكل\(7.1.3\)). لدينا أدلة جيدة على أن هذا القصف كان أكبر بكثير في التاريخ المبكر للنظام الشمسي، لكنه بالتأكيد مستمر حتى يومنا هذا، حتى لو كان بمعدل أقل. يعد تصادم أكثر من 20 قطعة كبيرة من Comet Shoemaker - Levy 9 مع المشتري في صيف عام 1994 (انظر الشكل\(\PageIndex{3}\)) أحد الأمثلة الدرامية على هذه العملية.
\(\PageIndex{4}\)يوضح الشكل عواقب هذه التصادمات، عندما يمكن رؤية سحب الحطام الأكبر من الأرض في الغلاف الجوي لكوكب المشتري.
خلال الوقت الذي تعرضت فيه جميع الكواكب لمثل هذه التأثيرات، قامت القوى الداخلية على الكواكب الأرضية بتفتيت قشرتها ولفها، وبناء سلاسل الجبال، واندلعت على شكل براكين، وأعادت تشكيل الأسطح بشكل عام فيما نسميه النشاط الجيولوجي. (تعني البادئة geo «الأرض»، لذا فإن هذا المصطلح يشبه إلى حد ما مصطلح «الأرض الشوفينية»، ولكنه يستخدم على نطاق واسع لدرجة أننا نخضع للتقاليد.) من بين الكواكب الأرضية، شهدت الأرض والزهرة معظم النشاط الجيولوجي على مدار تاريخها، على الرغم من أن بعض الأقمار في النظام الشمسي الخارجي نشطة أيضًا بشكل مدهش. في المقابل، فإن قمرنا هو عالم ميت حيث توقف النشاط الجيولوجي منذ مليارات السنين.
النشاط الجيولوجي على كوكب ما هو نتيجة للداخلية الساخنة. إن قوى البراكين وبناء الجبال مدفوعة بالحرارة المتسربة من الأجزاء الداخلية للكواكب. كما سنرى، تم تسخين كل كوكب في وقت ولادته، وقد أدت هذه الحرارة البدائية في البداية إلى تنشيط نشاط بركاني واسع النطاق، حتى على قمرنا. لكن الأجسام الصغيرة مثل القمر سرعان ما بردت. كلما كبر الكوكب أو القمر، زادت مدة احتفاظه بالحرارة الداخلية، وبالتالي كلما توقعنا رؤية أدلة سطحية على استمرار النشاط الجيولوجي. التأثير مشابه لتجربتنا الخاصة مع البطاطس المخبوزة الساخنة: فكلما كبرت البطاطس، كلما كانت تبرد ببطء. إذا أردنا أن تبرد البطاطس بسرعة، فإننا نقطعها إلى قطع صغيرة.
في معظم الأحيان، يتوافق تاريخ النشاط البركاني على الكواكب الأرضية مع تنبؤات هذه النظرية البسيطة. القمر، أصغر هذه الأجسام، هو عالم ميت جيولوجيًا. على الرغم من أننا نعرف القليل عن عطارد، يبدو من المحتمل أن هذا الكوكب أيضًا أوقف معظم النشاط البركاني في نفس الوقت الذي توقف فيه القمر. يمثل المريخ حالة وسيطة. لقد كان أكثر نشاطًا من القمر، ولكنه أقل نشاطًا من الأرض. لا تزال الأرض والزهرة، أكبر الكواكب الأرضية، تتمتع بتصميمات داخلية منصهرة حتى اليوم، بعد حوالي 4.5 مليار سنة من ولادتهما.
المفاهيم الأساسية والملخص
تحتوي الكواكب العملاقة على نوى كثيفة تقارب 10 أضعاف كتلة الأرض، وتحيط بها طبقات من الهيدروجين والهيليوم. تتكون الكواكب الأرضية في الغالب من الصخور والمعادن. كانت ذات يوم منصهرة، مما سمح لهياكلها بالتمييز (أي أن موادها الأكثر كثافة غرقت في المركز). يشبه القمر الكواكب الأرضية في تكوينها، ولكن معظم الأقمار الأخرى - التي تدور حول الكواكب العملاقة - تحتوي على كميات أكبر من الجليد المتجمد بداخلها. بشكل عام، تتمتع العوالم الأقرب إلى الشمس بدرجات حرارة سطح أعلى. تم تعديل أسطح الكواكب الأرضية من خلال التأثيرات من الفضاء وبدرجات متفاوتة من النشاط الجيولوجي.
مسرد المصطلحات
- التمايز
- فصل الجاذبية للمواد ذات الكثافة المختلفة إلى طبقات في داخل الكوكب أو القمر