¿Cómo se mide la estructura interna de un planeta?
Comparación del Sol y los ocho planetas principales del sistema
Los planetas similares a la Tierra incluyen Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. Están cerca del Sol, tienen altas temperaturas superficiales, son similares en tamaño a la Tierra, son pequeños, de alta densidad y similares en estructura. Se componen de tres capas: núcleo, manto y caparazón. La corteza y el manto están compuestos principalmente de rocas de silicato y el núcleo está compuesto principalmente de hierro. Los planetas terrestres son similares a la Tierra y están compuestos de rocas que contienen oxígeno, silicio, hierro y otros componentes metálicos. Tienen superficies de roca sólida que pueden estudiarse geológicamente.
Comparación de planetas terrestres (de izquierda a derecha: Mercurio, Venus, Tierra y Marte)
Los planetas similares a Júpiter incluyen a Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, con masas grandes y bajas. densidades medias. Tienen características similares a Júpiter, con una rotación más rápida, más satélites y anillos, temperaturas más bajas y atmósferas más densas. Los planetas similares a Júpiter están compuestos principalmente de elementos ligeros como hidrógeno, helio y nitrógeno, y tienen una gran abundancia de elementos volátiles.
Comparación de planetas similares a Júpiter (de izquierda a derecha: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno)
No podemos medir directamente la composición material y la estructura de los planetas similares a la Tierra, pero Podemos, basándose en una serie de limitaciones físicas y químicas, se establecen una serie de modelos de composición de materiales planetarios y modelos de estructura interna para estimar sus estructuras internas. Tales como campo de gravedad planetaria, densidad planetaria, velocidad de onda sísmica planetaria y características de propagación, campo magnético planetario, abundancia de elementos del sistema solar, teoría de la evolución química del sistema solar, estudio geológico planetario y análisis de composición mineral, etc. Estudiar la estructura interna de los planetas terrestres nos ayuda a comprender la formación y evolución de los propios planetas terrestres e incluso del sistema solar.
Comparación de varias propiedades de planetas similares a la Tierra
Aquí presentaremos los métodos geofísicos comunes para medir la estructura interna de los planetas: sismología, geodesia y electromagnetismo. Supongamos que el planeta está en un estado de equilibrio hidrostático y está dividido en una serie de capas esféricas concéntricas a lo largo de la dirección radial desde el centro de la esfera hacia afuera, una serie de ecuaciones diferenciales de presión interna, masa y gravedad. se establecen y se utilizan condiciones de contorno para la integración numérica. O realizar una inversión bayesiana basada en datos sismológicos, geodésicos y electromagnéticos para obtener un modelo de estructura interna.
Estructura y distribución del campo magnético del mercurio
La sismología es una ciencia integral que estudia las reglas de ocurrencia de los terremotos, las reglas de propagación de las ondas sísmicas y las consecuencias macroscópicas de los terremotos en medios terrestres sólidos. . A través de la medición y análisis de ondas sísmicas, podemos obtener información sobre el proceso de ocurrencia de terremotos, cambios físicos como propiedades elásticas, velocidad y densidad de los medios subterráneos e información sobre diversos terremotos relacionados con la tierra.
Por ejemplo, el uso de sismómetros en todo el mundo nos ha dado una comprensión más clara de la estructura interna de la Tierra y hemos obtenido modelos de velocidad unidimensionales de la Tierra comúnmente utilizados: PREM, AK135, y IASP91. Estos modelos no sólo tienen claras discontinuidades de velocidad de primer orden: la superficie de Moho (la interfaz entre la corteza y el manto), la superficie de Gutenberg (la interfaz entre el manto y el núcleo) y la superficie de Lyman (la interfaz entre el núcleo interno). núcleo y el núcleo externo), pero también presenta discontinuidades de velocidad interna detalladas, como la zona de transición del manto.
Modelo PREM
La geometría, nombre completo de geodesia, consiste en determinar y estudiar la posición, la gravedad y los cambios de los puntos del espacio terrestre con el tiempo. Las limitaciones de la medición geodésica incluyen principalmente la masa planetaria, el tamaño, el momento de inercia, el número de Love k2 de la marea sólida, el campo gravitatorio, etc. Entre ellos, el campo de gravedad refleja información sobre la distribución de materiales y densidad dentro del planeta. Cuando la distribución de material dentro del planeta está desequilibrada y hay anomalías de densidad, se detectarán anomalías de gravedad. Las anomalías de gravedad son uno de los medios importantes para explorar la estructura interna del planeta. Hay dos métodos comunes para medir el campo gravitacional del planeta: llevar un gravímetro o acelerómetro directamente en el orbitador puede obtener directamente la distribución del campo gravitacional espacial de los cuerpos celestes, como los satélites CHAMP y GRACE sobre la Tierra, y el satélite GRAIL sobre la Tierra. Luna Obtenga directamente la distribución del campo gravitacional espacial de la Tierra y la Luna para los cuerpos celestes que no miden directamente el campo gravitacional, midiendo con precisión la órbita de la nave espacial alrededor del cuerpo celeste y sus cambios, la distribución del campo gravitacional espacial de. Se puede calcular el cuerpo celeste. En la detección de planetas terrestres, debido a limitaciones de carga y fines científicos, se suele utilizar el segundo método para medir el campo gravitatorio.
Además del mapeo topográfico, las mediciones del campo magnético también son importantes para delimitar las estructuras internas.
El electromagnetismo puede medir el campo magnético del planeta, utilizar el análisis espectral del campo magnético para determinar la conductividad de la capa correspondiente y luego restringir la estructura interna en función de la relación entre la conductividad y cantidades físicas como la composición del material, la temperatura, y presión. Es especialmente adecuado para explorar la estructura poco profunda de los cuerpos celestes.
Distribución del campo magnético de la componente vertical de la litosfera (modelo integrado de satélites CHAMP y Swarm
Las mediciones sísmicas de la superficie del planeta pueden determinar las propiedades elásticas, la densidad, la posición del núcleo- límite del manto, etc., y puede juzgar el estado del núcleo del planeta. Con el desarrollo de la tecnología espacial, se han lanzado con éxito cada vez más sondas en órbita planetaria, los datos de observación sísmica de Marte, Venus y la Luna son de gran importancia. para obtener la estructura interna de objetos extraterrestres.
La principal señal de choque del terremoto de Wenchuan de 2008 registrada por la estación de Beijing
Sismómetro de banda ancha pequeño de tres componentes GL-CS60
Grabación de terremotos lunares (terremoto lunar)
El sismómetro traído a la luna por el programa Apolo
Registra el pirogenómetro (el rojo es el viento marciano, el verde son eventos de terremotos de fuego, el verde claro es vibración mecánica del brazo)
Sismómetro de Marte de InSight (Sismómetro de fuego)
Sin embargo, actualmente no hay sismómetros en la mayoría de los planetas. Mercurio es el planeta más cercano al sol. es de 2439,7 km, pero su densidad es de 5,427 g/cm 3, la segunda más alta del sistema solar, sólo superada por los 5,515 g/cm 3 de la Tierra. Mercurio está compuesto aproximadamente por un 70% de metal y un 30% de materiales de silicato. La detección de Mercurio se limita a los Mariners 10 y MESSENGER, de los cuales el Mariner 10 sólo ha realizado tres sobrevuelos de Mercurio.
El Mariner 10 y sus instrumentos científicos
El Mariner 10 está equipado con un detector cercano. -radiómetro infrarrojo, espectrómetro ultravioleta y magnetómetro.
Las principales estructuras geológicas en la superficie de Mercurio detectadas por Mariner 10 (una cresta plegada; acantilados en forma de hoja; cresta convexa de altura c >
Venus es el más similar en tamaño a la Tierra y los dos planetas también pueden ser similares en su estructura interna. No hay datos directos sobre la estructura interna de Venus. Según la teoría del modelo planetario, Venus debería tener un núcleo móvil de níquel-hierro con un núcleo exterior fundido y un manto interior sólido. El manto inferior sólido está compuesto por una corteza muy delgada. litosfera.
Desde 1961, la Unión Soviética y Estados Unidos han lanzado más de 30 sondas para visitar Venus, incluida la NASA. La nave espacial Magallanes, lanzada en 1989, tuvo un éxito relativo. La sonda Magellan llevaba un radar de apertura sintética (SAR) de alta resolución y obtuvo información valiosa, como imágenes de la superficie de Venus, el campo de gravedad global, la topografía de la superficie y el número de cráteres, lo que contribuyó en gran medida a su éxito.
Cinco vistas de la sonda Magallanes detectando Venus
Cráteres en la superficie de Venus.
Marte es el cuarto planeta del sistema solar desde dentro hacia fuera. Su diámetro es aproximadamente la mitad que el de la Tierra, su superficie es equivalente a la superficie terrestre de la Tierra y su densidad es mucho menor que la de los otros tres planetas terrestres (Mercurio, Venus y la Tierra). El período de rotación de Marte, que está inclinado sobre su eje, es similar al de la Tierra, y su período orbital es aproximadamente el doble del período de rotación de la Tierra. Su aspecto rojo anaranjado se debe a la capa superficial de hematita (óxido de hierro). Marte alguna vez fue considerado el planeta con mayor potencial para vida extraterrestre en el sistema solar, lo que lo convierte en el planeta más explorado y estudiado del sistema solar después de la Tierra. Los métodos de detección van desde sobrevuelos hasta detección periférica por teledetección y detección in situ de módulos de aterrizaje no tripulados o vehículos exploradores de Marte, y se ha acumulado una gran cantidad de datos científicos. En 2020, China, Estados Unidos y los Emiratos Árabes Unidos lanzarán sondas de retorno de muestras de Marte/Phobos y la exploración tripulada de Marte también se podrá realizar en los próximos 10 a 20 años.
Comparación entre la Tierra y Marte
El Mars Global Surveyor (MGS) es uno de los dispositivos de éxito para la exploración de Marte.
Está equipado con cinco instrumentos científicos, a saber, la cámara Mars Orbiter, el altímetro láser Mars Orbiter, un espectrómetro de radiación térmica, un magnetómetro y un reflector de electrones, así como un oscilador de medición Doppler ultraestable. Después de 9 años de exploración de Marte (1996 165438 + 7 de octubre de 2006 165438 + 2 de octubre), MGS obtuvo con éxito datos relevantes como el terreno de Marte, el campo gravitatorio, el campo magnético, imágenes de la superficie, la radiación térmica de la superficie, etc., y proporcionó información sobre la estructura interna de Marte. El estudio del modelo proporciona una base.
Curiosity es el primer rover del mundo propulsado por energía nuclear en Marte. Su misión es explorar los elementos de la vida en Marte, investigar el clima y la geología de Marte, evaluar si Marte alguna vez ha proporcionado condiciones ambientales favorables para los microorganismos y prepararse para la exploración humana de la habitabilidad del planeta. Los instrumentos científicos incluyen: cámara de mástil, MastCam), análisis de muestras de Marte (SAM), química y mineralogía, CheMin), espectrómetro de rayos X de partículas alfa (apxs), detector de evaluación de radiación (RAD) y estación de monitoreo ambiental móvil (REMS). albedo dinámico de neutrones (DAN), etc.
Selfie de Curiosity en Marte
InSight es el primer módulo de aterrizaje que explora el interior de Marte. Insight cuenta con tres laboratorios principales, a saber, SEIS, que se utiliza para detectar actividades de fuego e impacto de meteoritos y detectar la estructura interna de Marte. El paquete de flujo de calor y propiedades físicas (HP3) para medir la temperatura/gradientes del suelo, la conductividad térmica y las propiedades físicas desde la superficie hasta una profundidad de 5 m, el experimento de rotación y estructura interna (RISE) y el sistema geodésico de la Tierra para subdecímetros; Seguimiento preciso de la medición de la rotación planetaria.
Mars Insight
La exploración planetaria de China comenzó tarde y tiene un punto de partida alto. En 2020, la misión china a Marte "Tianwen-1" planea lograr las tres misiones principales de "circular la Tierra", "aterrizar" e "inspección" en su primer lanzamiento, lo que no tiene precedentes en la historia espacial del mundo. Los instrumentos científicos que lleva Tianwen 1 son: una cámara de resolución media-alta, que se encarga de obtener imágenes de la superficie de Marte y estudiar el terreno y la estructura geológica de la superficie marciana; el magnetómetro de Marte es el principal responsable de detectar el entorno del campo magnético espacial; de Marte. El analizador de espectro de minerales de Marte se utiliza para analizar la composición y distribución de los minerales marcianos, estudiar la composición química general y la historia de la evolución química de Marte y analizar los recursos y las áreas de distribución de Marte.
La estructura y el tamaño de Tianwen-1
Se cree que los planetas del sistema solar tienen el mismo origen cósmico, pero los entornos planetarios actuales son completamente diferentes. Por tanto, la detección y comparación de planetas conduce a una comprensión más profunda de la evolución de la Tierra y la formación de un entorno habitable. Actualmente, la física planetaria es uno de los métodos más importantes para estudiar estrellas extraterrestres. La física planetaria integra la geofísica, las ciencias espaciales, las ciencias atmosféricas, la física y otras disciplinas, y su alcance de investigación cubre procesos físicos planetarios multicapa, como el entorno espacial planetario, el entorno atmosférico, el entorno superficial y la estructura interna. La investigación y el desarrollo de la exploración planetaria no sólo se han convertido en un campo de lucha para la fuerza nacional integral de los países de todo el mundo, sino que también se han convertido en un indicador importante para medir las futuras capacidades de desarrollo integral y sostenible de un país. Esperamos que personas más ambiciosas se unan al equipo de exploración planetaria.
Marca de exploración del planeta de China
Materiales de referencia:
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