Warum sehen Planeten und Satelliten im Sonnensystem so unterschiedlich aus, obwohl sie mehr oder weniger aus derselben Materie stammen?

Diese Fragen können in zwei Teile geteilt werden; für Planeten und Satelliten.

Die Vielfalt der Planeten spiegelt teilweise die Vielfalt der chemischen Zusammensetzung der protoplanetaren Scheibe wider. Wir wissen, dass die UV-Strahlung der Sonne komplexe oder sogar sehr einfache Moleküle dissoziieren kann; Wenn zum Beispiel UV-Strahlen Wassermoleküle spalten, entstehen freie Wasserstoff- und Sauerstoffatome. Da Wasserstoff extrem leicht ist, können sie problemlos durch den Fluss von Sternwinden transportiert werden. Also Wasser, um bei diesem Beispiel zu bleiben, wenn es in Sonnennähe aus dem Bereich der Scheibe, aber oberhalb der sogenannten "Schneegrenze" herausgelöst und verarmt werden könnteDie UV-Strahlung der Sonne war so schwach, dass dies nicht so oft passieren konnte und daher Wassermoleküle (die im Vergleich zu einzelnen Wasserstoffatomen sehr schwer sind) dort blieben. Das erklärt nur die Dichotomie zwischen inneren und äußeren Planeten in Bezug auf den Wassergehalt, und selbst dann könnten einige Prozesse (wie das späte schwere Bombardement ) dem Inneren etwas Wasser hinzufügen (wie es auf der Erde geschah). Aber diese Argumentation gilt nicht nur für Wasser, Kohlendioxid, Ammoniak, Methan und Hundertstel verschiedener Moleküle haben ihre eigenen „Frostgrenzen“. Näher an der Sonne kann der Kohlenstoff nicht sein. Methan ist ein flüchtiges Gas, das schnell nach außen gedrückt wird, aber bei einigen Zehntel AE kann Methan unter stabilen Bedingungen bleiben und sogar zu flüssigen Tröpfchen kondensieren.

All dies nur, um zu sagen, dass die protoplanetare Scheibe NICHT homogen in Bezug auf die chemische Zusammensetzung und nicht homogen in Bezug auf Dichte oder Druck war. Der thermische und chemische Gradient über dem Nebel sorgt für eine gewisse Diversität und Komplexität des gesamten Planetensystems.

Hier haben Sie ein schönes Diagramm, das zeigt, wie verschiedene chemische Verbindungen bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken auf der protoplanetaren Scheibe kondensieren konnten.

Auch die Akkretion von Planetesimalen ist näher an der Sonne energetischer (was bedeutet, dass Ausbrüche häufiger auftreten können und es für einen Planeten schwierig ist, groß zu werden), während in den äußeren Regionen Planeten regelmäßig an Masse zunehmen können, da Kollisionen mit anderen Planetesimalen durchgeführt werden bei niedrigere Relativgeschwindigkeiten (da zwei ähnliche Umlaufbahnen einen Periodenunterschied haben, der größer wird, wenn Sie sich der Sonne nähern, und daher größere Relativgeschwindigkeiten). Dies gepaart mit den Gravitationswechselwirkungen der Protoplaneten und der frühen Scheibe (siehe Planetenmigration und nettes Modellusw.) ermöglichen unterschiedliche Anreicherungsraten und die Ansammlung von Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung von dem, was am ursprünglichen Entstehungsort eines bestimmten Planetesimals gefunden wurde. Dies trägt auch dazu bei, eine große Vielfalt an planetaren Massen zu erhalten.

Eine große Vielfalt an Planetenmassen ist der Ausgangspunkt für eine größere Variation, wenn sich die Planeten im Laufe der Zeit entwickeln und von ihren Anfangsbedingungen abweichen. Ein felsiger kleiner Planet (Merkur) könnte weniger Wärme im Inneren eingeschlossen haben als ein größerer (Erde), aufgrund der geringeren Energie, die durch geringere Akkretionsraten freigesetzt wird. Dadurch kann es schnell kalt werden und eine Magnetosphäre durch ein geschmolzenes Inneres kann nicht entstehen. Das Fehlen einer Magnetosphäre ermöglicht es geladenen Teilchen des Sonnenwinds, Ihre Atmosphäre durch Sputtern zu erodieren. Stattdessen hat die größere Masse auf einem Planeten wie der Erde zu einem geschmolzenen Inneren geführt, das wiederum eine Magnetosphäre erzeugt hat, die Milliarden von Jahren überdauert hat, auf dem Mars hat sie einige Zeit gedauert, ist aber jetzt fast verschwunden, sodass auch die Atmosphäre fast zerstört wurde. Auf der Erde führt das Vorhandensein einer Atmosphäre zu allen möglichen chemischen Erosionen und Phänomenen. Außerdem ermöglichen sein geschmolzenes Inneres in Verbindung mit den Besonderheiten seiner chemischen Zusammensetzung und der Dicke der Kruste einen Mechanismus namens Plattentektonik. Tektonik kann auf der Venus nicht passieren, weil die Kruste nicht so dick ist (aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzung) und daher nicht in Platten zerbricht, sondern sich nur in einem komplexen Verhalten verformt und faltet , das für die Venus einzigartig ist.

Auch Kollisionen mit Planetesimalen können die zukünftige Entwicklung ähnlicher Planeten verändern. Die Venus war der Erde wahrscheinlich sehr ähnlich (ähnliche Masse, sehr ähnliche Zusammensetzung und nicht so unterschiedliche Temperaturen, wie man meinen könnte), aber ihre Wege gingen völlig auseinander, als die Tektonik auf der Erde die Lithosphäre recycelte und auf der Venus das Kohlendioxid mehr in einem Treibhauseffekt eingeschlossen wurde. und weil die Erde eine Kollision mit einem anderen Planeten hatte, der uns unseren Mond gibt, der ein mechanischer Stabilisator ist, während eine zufällige Kollision mit der Venus (mit unterschiedlichen Aufprallparametern) zu einer extrem langsamen Rotation und langen Tagen (aber keinen Monden) führte. Längere Tage bedeuten eine andere Isolierung, und das verändert das Klima eines Planeten drastisch. Auf dem Mars sind die Tage ähnlich wie auf der Erde, aber da er kleiner ist und die Atmosphäre verschwunden ist, sind viele Dinge sehr verschieden von der Erde. Auch,

Um zu sehen, wie unterschiedlich die Entwicklung zweier planetarer Objekte sein kann, nur weil sie unterschiedliche Massen haben, werfen Sie einen Blick auf unseren Mond. Es hat die gleiche chemische Zusammensetzung (es ist tatsächlich ein Brocken von der Erde), es befindet sich im Grunde in der gleichen Entfernung zur Sonne wie die Erde, es lebt in der gleichen interplanetaren Umgebung (gleiche Sonnenstrahlung, Sonnenwind, Aufprallraten usw.). .), und doch ist es ganz anders. Das liegt alles an der Masse! Der Mond kann keine große Atmosphäre wie die Erde halten, weil er weniger Anziehungskraft hat. Die gleiche Temperatur für unsere Atmosphäre dort bedeutet, dass die Partikel leicht Fluchtgeschwindigkeit erreichen und beginnen, aus dem Gravitationsschacht zu entweichen. Ohne Atmosphäre, ohne innere Hitze, fehlt dem Mond in Milliarden von Jahren der Evolution fast jede Art von Erosion. Erosionsprozesse auf der Erde haben die Vielfalt der geologischen Formationen im Vergleich zu denen auf dem Mond zum Explodieren gebracht. Selbst dann hat der Mond seine eigenen Besonderheiten und dynamischen Merkmale, die ihm einzigartig sind.

Jetzt nähern wir uns der Satellitenfrage. Sie sollten eigentlich fast gleich aussehen, da sie aus sehr, sehr ähnlichem Material unter extrem ähnlichen Bedingungen hergestellt werden. Und tatsächlich glauben wir, dass sich die Monde ursprünglich sehr ähnlich waren (zum Beispiel die 4 galiläischen Monde). Aber Io ist Jupiter zu nahe und die anderen Monde interagieren so mit ihm, dass die geologischen Prozesse völlig anders sind. Wasser und flüchtige Stoffe verdampften schnell, als es durch die Gezeitenkräfte von Jupiter erhitzt wurde. Diese Gezeitenkräfte waren in Europa nicht so stark, da es weiter entfernt ist, daher schmolz es nur einen Teil der Eiskruste und schuf ein Eisanalog der Plattentektonik, das eine Fülle verschiedener Formationen erzeugte. Satelliten entwickeln sich. Enceladus schießt Jets aufgrund von Gezeitenwechselwirkungen und Umlaufbahnresonanzen mit anderen Monden. Einige Monde wie Japeto haben eine zweifarbige Oberfläche, da Enceladus Material auf eine seiner Seiten gesprüht hat. Manche Monde wie Triton haben nichts miteinander zu tun, weil sie sich in einer anderen Region des Sonnensystems gebildet haben und später von der Anziehungskraft eines Planeten (in diesem Fall Neptun) eingefangen wurden.

Wie ich bereits erwähnte. Atmosphären (Dichte, Zusammensetzung und Druck) hängen weitgehend von der Masse des Planeten oder Mondes ab. Sehen Sie sich diese Grafik an:

Es zeigt die Geschwindigkeit von Gasmolekülen in Bezug auf die Temperatur des Gases. Bei höheren Temperaturen bewegen sich Gasmoleküle schneller. Bei einem Planeten mit geringer Masse ist die Fluchtgeschwindigkeit geringer als bei einem mit größerer Masse. Daher muss ein sonnennäherer (höherer Temperatur) Planet größer sein, wenn er die gleichen Gasmoleküle in seiner Atmosphäre erhalten will wie ein weiter entfernter (kälterer) Planet. Sie können sehen, warum die Erdatmosphäre Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid, Ammoniak, Methan, Stickstoff und andere Gase einfangen und zurückhalten kann, während sie Wasserstoff und Helium nicht einfangen kann (weil sie leichter sind und sich daher bei gleicher Temperatur so schnell bewegen können wie benötigt, um der Erde zu entkommen). In der Zwischenzeit kann der Mond, der die gleiche Wärme von der Sonne wie die Erde hat, da er weniger massiv ist, fast keine Gase zurückhalten (vielleicht ein bisschen Xenon). Titan ist ein riesiger Mond, daher kann er viele gasförmige Moleküle wie Stickstoff und Sauerstoff zurückhalten (diese wiederum machen den Druck hoch genug, um auch flüchtige Stoffe wie Methan in flüssiger Form auf der Oberfläche zurückzuhalten). Aber warum hat Ganymed nicht die gleiche Atmosphäre wie Titan, wenn sie im Grunde die gleiche Größe haben? Da Ganymed näher an der Sonne liegt, bedeutet eine höhere Temperatur, dass sich die Moleküle schneller bewegen und somit ihrer Anziehungskraft leicht entkommen.

Wie Sie sehen können, verändern die komplexen Prozesse der Atmosphären eines Mondes oder eines Planeten alles (Erosion, Recyclingprozesse, chemische Korrosion usw.) und diese Vielfalt der Atmosphären wiederum kommt von einer Vielfalt von Massen und Entfernungen zur Sonne.

Ich denke, das Sonnensystem ist ein chaotisches System, dynamisch, geologisch, chemisch usw. Chaos bedeutet, dass sich das System bei einem kleinen Unterschied in den Anfangsbedingungen in exponentiell divergierenden verschiedenen Zuständen entwickeln wird. Planeten und Monde mögen als ähnliche Objekte begonnen haben, aber die Geschichte und die chaotische Dynamik des Systems haben sich zu völlig unterschiedlichen Umgebungen entwickelt. Nicht nur das, aber die Wahrheit ist, dass die Planeten nicht gleich waren, sondern von Anfang an sehr unterschiedlich waren. Stellen Sie sich also vor, wie weit die Venus entfernt ist, um ein Titan zu werden, oder ein Io, um eine Erde zu werden.

Auch gibt es Prozesse und Bedingungen, die sich besonders gut für die Divergenz eignen. Zum Beispiel: Die Erde ist sehr dynamisch, während Mars, Venus, Merkur, der Mond und andere es überhaupt nicht sind. Warum? denn auf der Erde kann Wasser in 3 verschiedenen Aggregatzuständen existieren. Flüssiges Wasser, Wasserdampf und Eis finden wir in verschiedenen Regionen und Jahreszeiten. Und das liegt daran, dass die Erde eine durchschnittliche Temperatur hat und ihre Atmosphäre genau den richtigen Druck hat, um dies zuzulassen. Die Bedingungen auf der Erde sind sehr nah am Tripelpunkt des Wassers (wo alle drei Aggregatzustände koexistieren), deshalb haben wir auf der Erde einen Wasserkreislauf, mit Flüssen und Gletschern, die die Landschaft erodieren und Wolken das Klima regulieren.

Mars, Venus, Merkur, alle haben Temperaturen und Drücke, bei denen dies nicht passieren kann, nicht nur auf Wasser, sondern auf vielen dort vorhandenen Verbindungen. Weißt du, wo das passieren kann? Auf Pluto! Das war sehr überraschend, Pluto zeigt eine Vielfalt an Terrains und geologischen Merkmalen, die alle Erwartungen übertrifft. Jetzt wissen wir, dass dies daran liegt, dass Pluto (wie die Erde) extrem dynamisch ist und viele Erosionen und geochemische Prozesse auftreten können, aber das liegt nicht am Wasser (da Pluto niedrigen Druck und niedrige Temperaturen hat), sondern an Stickstoff und Neon! Beide Elemente haben ihren Tripelpunkt innerhalb von Plutos Zustandsbereich und daher werden auf diesem Zwergplaneten Neonflüsse, Stickstoffgletscher und Dunst erwartet.

Es ist in der Tat eine interessante Frage. Wie unglaublich sind die Naturgesetze, die selbst zwischen Brüdern extreme Vielfalt zulassen. Ich frage mich, wie ein Planet um jeden anderen Stern sein könnte, unsere vereinfachenden Kategorien von heißen Jupitern, Mini-Neptunen, Super-Terras usw. sind einfach so primitiv und restriktiv. Welche Wunder uns in diesem komplexen und vielfältigen Kosmos erwarten, übersteigt unser Verständnis.