Por que os planetas e satélites no sistema Solar parecem tão diferentes se vierem da mesma coisa?

Primeiro, os planetas. Temos Mercúrio, que é rochoso, sem atmosfera. Mas então temos Vênus, que é completamente diferente: atmosfera espessa, muito quente, geologicamente ativa. Então a Terra - azul, cheia de água. Marte, o oposto: vermelho como nada mais. Júpiter e Saturno são bastante semelhantes. Então Urano e Netuno, bastante semelhantes, mas ainda diferem em cores entre si e também em cores totalmente diferentes dos dois gigantes gasosos.

Por outro lado: satélites. Vamos analisar os satélites de Júpiter e Saturno.

Ganimedes e Calisto são bastante semelhantes, mas depois a Europa, totalmente oposta: completamente gelada. E então Io, novamente algo completamente diferente: surpreendentemente amarelo.

As luas de Saturno: principalmente rochosas, mas algo completamente diferente: Titã, com uma atmosfera espessa como nenhum outro satélite e oceanos de metano líquido.

Se durante a formação do sistema solar houvesse um disco protoplanetário de matéria, não seria bastante homogêneo e, portanto, originaria planetas com aparência semelhante? Entendo que gigantes gasosos não podem ter a mesma aparência que planetas rochosos, mas por que existem diferenças mesmo entre planetas rochosos de tamanho semelhante? É verdade que existem temperaturas muito diferentes em todo o sistema solar, dependendo da distância do Sol, o que provavelmente explica algumas das diferenças.

Mas então o que eu especialmente não entendo são as diferenças entre os satélites. Se, digamos, Júpiter tivesse um disco de matéria orbitando-o, que acabou se transformando em satélites, pelo menos esse disco "local" ao redor de um planeta seria bastante homogêneo? Mas, no entanto, ele se transformou em satélites muito diferentes. Por exemplo, como a coisa "amarelada" se concentrou em Io e não se distribuiu igualmente em todas as luas de Júpiter?

Essas perguntas podem ser divididas em duas; para planetas e satélites.

A diversidade de planetas reflete em parte a diversidade em termos de composição química do disco protoplanetário. Sabemos que a radiação UV do sol pode dissociar moléculas complexas ou mesmo muito simples; por exemplo, quando os raios UV dividem as moléculas de água, o resultado são átomos livres de hidrogênio e oxigênio. Como o hidrogênio é extremamente leve, eles podem ser transportados facilmente no fluxo de ventos estelares. Portanto, para manter esse exemplo, a água, se perto do sol, poderia ser dissociada e esgotada da região do disco, mas acima da chamada "linha de neve"A radiação UV do Sol era tão fraca que isso não podia acontecer com tanta frequência e, portanto, as moléculas de água (que são muito pesadas em comparação com os átomos de hidrogênio) permaneciam lá. Isso explica apenas a dicotomia entre os planetas interior e exterior em termos de teor de água e, mesmo assim, alguns processos (como o bombardeio tardio ) podem adicionar um pouco de água ao interior (como aconteceu na Terra). Mas esse raciocínio não se aplica apenas à água, dióxido de carbono, amônia, metano e centenas de moléculas diferentes, que possuem suas próprias "linhas de geada". Mais perto do sol, o carbono não pode ser metano é um gás volátil que é rapidamente empurrado para fora, mas em alguns décimos dos AUs o metano pode permanecer em condições estáveis ​​e pode até condensar em gotículas líquidas.

Tudo isso apenas para dizer que o disco protoplanetário NÃO era homogêneo em termos de composição química e não era homogêneo em termos de densidade ou pressão. O gradiente térmico e químico através da nebulosa garante alguma diversidade e complexidade para todo o sistema planetário.

Aqui você tem um diagrama completo mostrando como diferentes compostos químicos podem se condensar em diferentes temperaturas e pressões no disco protoplanetário.

Também a acreção de planetesimais é mais energética perto do Sol (o que significa que as quebras podem ocorrer com mais frequência e é difícil para um planeta crescer), enquanto nas regiões externas os planetas podem aumentar em massa com regularidade, já que colisões com outros planetesimais são realizadas em velocidades relativas mais baixas (devido à forma como duas órbitas semelhantes têm uma diferença em períodos maiores quando você se aproxima do Sol e, portanto, velocidades relativas maiores). Isso foi associado às interações gravitacionais dos protoplanetas e do disco inicial (veja migração planetária e bom modeloetc ...) permitem taxas de acúmulo diferentes e acúmulo de materiais de composição diferente do que foi encontrado no local original de formação de um planetesimal específico. Isso também ajuda a manter uma grande variedade de massas planetárias.

Uma grande variedade de massas planetárias é o ponto de partida para uma variação maior, à medida que os planetas evoluem no tempo e divergem de suas condições iniciais. Um planeta pequeno e rochoso (Mercúrio) pode ter menos calor preso no interior do que um planeta maior (Terra), devido à menor energia liberada por menores taxas de acúmulo. Assim, pode esfriar rapidamente e uma magnetosfera devido a um interior derretido não pode acontecer. A ausência de uma magnetosfera permite que partículas carregadas pelo vento solar corroam sua atmosfera por pulverização. Em vez disso, em um planeta como a Terra, a massa maior levou a um interior derretido que, por sua vez, gerou uma magnetosfera que durou bilhões de anos; em Marte, durou algum tempo, mas agora está quase acabando, e a atmosfera também foi quase destruída. Na Terra, a pressão de uma atmosfera leds para todos os tipos de erosões químicas e fenômenos. Além disso, seu interior derretido, juntamente com as especificidades de sua composição química e espessura da crosta, permite um mecanismo chamado placa tectônica. A tectônica não pode acontecer em Vênus porque a crosta não é tão espessa (devido à composição diferente) e, portanto, não se parte em placas, apenas se deforma e se dobra em um comportamento complexo exclusivo de Vênus.

Também colisões com os planetários menores podem alterar a evolução futura de planetas similares. Vênus provavelmente era muito parecido com a Terra (massa semelhante, composição muito semelhante e temperaturas não tão diferentes quanto se poderia pensar), mas seus caminhos divergiam completamente, pois as tectônicas na Terra reciclavam a litosfera e em Vênus o dióxido de carbono ficava mais aprisionado em um efeito estufa, e porque a Terra teve uma colisão com outro planeta que nos tem nossa Lua, que é um estabilizador mecânico, enquanto uma colisão aleatória com Vênus (com diferentes parâmetros de impacto) levou a uma rotação extremamente lenta e a longos dias (mas sem luas). Dias mais longos significam isolamento diferente, e isso muda drasticamente o clima de um planeta. Em Marte, os dias são semelhantes aos da Terra, mas como é menor e a atmosfera desapareceu, muitas coisas são muito diferentes da Terra. Além disso,

Para ver quão diferente a evolução de dois objetos planetários pode ser, basta torná-los diferentes massas. Dê uma olhada em nossa Lua. Tem a mesma composição química (na verdade, é um pedaço da Terra), está basicamente à mesma distância do Sol que a Terra, vive no mesmo ambiente interplanetário (mesma radiação solar, vento solar, taxas de impacto etc.) .), e ainda assim é completamente diferente. Tudo isso é devido à massa! A lua não pode reter uma grande atmosfera como a Terra porque tem menos força gravitacional. A mesma temperatura para a nossa atmosfera significa que as partículas atingem a velocidade de escape facilmente e começam a escapar da gravidade. Sem atmosfera, sem calor interno, a lua carece de praticamente qualquer tipo de erosão ao longo de bilhões de anos de evolução. Os processos de erosão na Terra fizeram com que a diversidade de formações geológicas explodisse em comparação com as encontradas na Lua. Mesmo assim, a lua tem suas próprias peculiaridades e características dinâmicas únicas.

Agora estamos nos aproximando da questão dos satélites. De fato, devem parecer quase iguais, pois são formados a partir de material muito muito semelhante em condições extremamente semelhantes. E, de fato, acreditamos que as luas eram originalmente muito semelhantes (por exemplo, as 4 luas galileanas). Mas Io é aproximar-se de Júpiter e as outras luas interagem com ele de uma maneira que os processos geológicos são completamente diferentes. Água e voláteis evaporaram-se rapidamente quando aqueceram pelas forças das marés de Júpiter. Essas forças das marés não eram tão fortes na Europa, uma vez que estão mais distantes, portanto, apenas fundiram parte da crosta gelada criando um análogo de gelo das placas tectônicas, o que gerou uma pletora de diversas formações. Os satélites evoluem. Encélado dispara jatos por causa das interações das marés e ressonâncias orbitais com outras luas. Algumas luas como o Japeto têm uma superfície de duas cores por causa do material pulverizado pelo encélado pousando em um de seus lados. Algumas luas como Triton não têm nada a ver com a outra porque se formaram em outra região do sistema solar e mais tarde ficaram presas pela força gravitacional de um planeta (Netuno neste caso).

Como eu mencionei antes. As atmosferas (densidade, composição e pressão) são amplamente dependentes da massa do planeta ou da lua. Veja este gráfico:

Mostra a velocidade das moléculas de gás em relação à temperatura do gás. Para temperaturas maiores, as moléculas de gás se movem mais rapidamente. Em um planeta com baixa massa, a velocidade de escape é menor que a de uma massa maior. Assim, um planeta mais próximo do sol (a temperaturas mais altas) precisa ser maior em tamanho se quiser preservar as mesmas moléculas de gás em sua atmosfera que um planeta mais distante (mais frio). Você pode ver por que a atmosfera da Terra pode reter e reter água, oxigênio, dióxido de carbono, amônia, nitrogênio metano e outros gases, enquanto é incapaz de reter hidrogênio e hélio (porque são mais leves e, portanto, pela mesma temperatura, podem se mover tão rápido quanto possível). necessário para escapar da Terra). Enquanto isso, a Lua, que tem o mesmo calor que vem do Sol que a Terra, já que é menos massiva, não pode reter quase nenhum gás (talvez um pouco de Xenon). Titã, como é uma lua enorme, pode reter muitas moléculas de gás, como nitrogênio e oxigênio (que por sua vez aumentam a pressão suficiente para reter também voláteis como o metano em forma líquida na superfície). Mas por que Ganímedes não tem a mesma atmosfera que Titã se eles são basicamente do mesmo tamanho? Como Ganímedes está mais próximo do Sol, uma temperatura maior significa que as moléculas se movem mais rapidamente e, assim, escapam facilmente de sua atração.

Como você pode ver, os complexos processos das atmosferas de uma lua ou de um planeta mudam tudo (erosão, processos de reciclagem, corrosão química, etc ...) e, por sua vez, a diversidade nas atmosferas vem de uma diversidade de massas e distâncias ao Sol.

Penso que o Sistema Solar é um sistema caótico, dinamicamente, geologicamente, quimicamente, etc ... Caos significa que, para uma pequena diferença nas condições iniciais, o sistema evoluirá em diferentes estados exponencialmente divergentes. Planetas e luas podem ter começado como objetos semelhantes, mas a história e a dinâmica caótica do sistema evoluíram para ambientes completamente diferentes. Não apenas isso, mas a verdade é que os planetas não começaram como iguais, mas eram muito diferentes do começo, então imagine a que distância Vênus está para se tornar um Titã ou um Io para se tornar uma Terra.

Também existem processos e condições especialmente adequados para divergências. Por exemplo: a Terra é muito dinâmica, enquanto Marte, Vênus, Mercúrio, a Lua e outros não são totalmente. Por quê? porque na Terra a água pode existir em 3 estados diferentes da matéria. Podemos encontrar água líquida, vapor d'água e gelo em diferentes regiões e estações do ano. E isso ocorre porque a Terra está a uma temperatura média e sua atmosfera tem a pressão certa para permitir isso. As condições da Terra estão muito próximas do ponto triplo da água (onde todos os três estados da matéria coexistem), é por isso que temos um ciclo da água na Terra, com rios e geleiras corroendo a paisagem e as nuvens que regulam o clima.

Marte, Vênus, Mercúrio, todos têm temperaturas e pressões onde isso não pode acontecer, não apenas na água, mas em muitos compostos presentes lá. Você sabe onde isso pode acontecer? Em Plutão! Isso foi muito surpreendente, Plutão mostra uma variedade de terrenos e características geológicas que superam todas as expectativas. Agora sabemos que isso ocorre porque Plutão é extremamente dinâmico (como a Terra) e muitos processos de erosão e geoquímicos podem ocorrer, mas isso não ocorre devido à água (já que Plutão tem baixa pressão e baixas temperaturas), mas por causa do nitrogênio e Néon! Ambos os elemets têm seu ponto triplo dentro da gama de condições de Plutão e, portanto, são esperados rios Neon, glaciares de nitrogênio e neblinas neste planeta anão.

É realmente uma pergunta interessante. Quão incríveis são as leis da natureza que permitem uma variedade extrema, mesmo entre irmãos. Eu me pergunto como pode ser um planeta em torno de qualquer outra estrela, nossas categorias simplistas de júpiteres quentes, mini-neptunes, super-terras, etc ... são tão primitivas e restritivas. O que nos maravilha nos espera neste complexo e diversificado cosmo está além da nossa compreensão.