7.2: Composición y estructura de planetas
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Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Describir las características de los planetas gigantes, planetas terrestres y cuerpos pequeños en el sistema solar
- Explicar qué influye en la temperatura de la superficie de un planeta
- Explicar por qué hay actividad geológica en algunos planetas y no en otros
El hecho de que existan dos tipos distintos de planetas —los planetas terrestres rocosos y los planetas jovianos ricos en gas— nos lleva a creer que se formaron bajo diferentes condiciones. Ciertamente sus composiciones están dominadas por diferentes elementos. Veamos cada tipo con más detalle.
Los Planetas Gigantes
Los dos planetas más grandes, Júpiter y Saturno, tienen casi la misma composición química que el Sol; están compuestos principalmente por los dos elementos hidrógeno y helio, siendo 75% de su masa hidrógeno y 25% helio. En la Tierra, tanto el hidrógeno como el helio son gases, por lo que Júpiter y Saturno son a veces llamados planetas gaseosos. Pero, este nombre es engañoso. Júpiter y Saturno son tan grandes que el gas se comprime en su interior hasta que el hidrógeno se convierte en líquido. Debido a que la mayor parte de ambos planetas consiste en hidrógeno comprimido y licuado, realmente deberíamos llamarlos planetas líquidos.
Bajo la fuerza de la gravedad, los elementos más pesados se hunden hacia las partes internas de un planeta líquido o gaseoso. Tanto Júpiter como Saturno, por lo tanto, tienen núcleos compuestos de roca más pesada, metal y hielo, pero no podemos ver estas regiones directamente. De hecho, cuando miramos hacia abajo desde arriba, todo lo que vemos es la atmósfera con sus nubes arremolinadas (Figura\(\PageIndex{1}\)). Debemos inferir la existencia del núcleo más denso dentro de estos planetas a partir de estudios de la gravedad de cada planeta.
Urano y Neptuno son mucho más pequeños que Júpiter y Saturno, pero cada uno también tiene un núcleo de roca, metal y hielo. Urano y Neptuno fueron menos eficientes para atraer hidrógeno y gas helio, por lo que tienen atmósferas mucho más pequeñas en proporción a sus núcleos.
Químicamente, cada planeta gigante está dominado por el hidrógeno y sus numerosos compuestos. Casi todo el oxígeno presente se combina químicamente con hidrógeno para formar agua (H 2 O). Los químicos llaman reducida a una composición dominada por hidrógeno. En todo el sistema solar exterior, encontramos abundante agua (principalmente en forma de hielo) y química reductora.
Los Planetas Terrestres
Los planetas terrestres son bastante diferentes de los gigantes. Además de ser mucho más pequeños, están compuestos principalmente por rocas y metales. Estas, a su vez, están hechas de elementos que son menos comunes en el universo en su conjunto. Las rocas más abundantes, llamadas silicatos, están hechas de silicio y oxígeno, y el metal más común es el hierro. Podemos decir por sus densidades (ver Tabla\(7.1.2\)) que Mercurio tiene la mayor proporción de metales (que son más densos) y la Luna tiene la menor. La Tierra, Venus y Marte tienen composiciones a granel aproximadamente similares: aproximadamente un tercio de su masa consiste en combinaciones de hierro-níquel o hierro-azufre; dos tercios están hechos de silicatos. Debido a que estos planetas están compuestos en gran parte de compuestos de oxígeno (como los minerales de silicato de sus costras), se dice que su química está oxidada.
Cuando miramos la estructura interna de cada uno de los planetas terrestres, encontramos que los metales más densos están en un núcleo central, con los silicatos más ligeros cerca de la superficie. Si estos planetas fueran líquidos, como los planetas gigantes, podríamos entender este efecto como resultado del hundimiento de elementos más pesados debido a la atracción de la gravedad. Esto nos lleva a concluir que, aunque los planetas terrestres son sólidos hoy en día, en un momento deben haber estado lo suficientemente calientes como para derretirse.
La diferenciación es el proceso por el cual la gravedad ayuda a separar el interior de un planeta en capas de diferentes composiciones y densidades. Los metales más pesados se hunden para formar un núcleo, mientras que los minerales más ligeros flotan hacia la superficie para formar una costra. Posteriormente, cuando el planeta se enfría, se conserva esta estructura estratificada. Para que un planeta rocoso se diferencie, debe calentarse hasta el punto de fusión de las rocas, que suele ser más de 1300 K.
Lunas, asteroides y cometas
Química y estructuralmente, la Luna de la Tierra es como los planetas terrestres, pero la mayoría de las lunas están en el sistema solar exterior, y tienen composiciones similares a los núcleos de los planetas gigantes alrededor de los cuales orbitan. Las tres Luna más grandes —Ganímedes y Calisto en el sistema joviano, y Titán en el sistema saturniano— están compuestas por la mitad de agua congelada y la mitad de rocas y metales. La mayoría de estas lunas se diferenciaron durante la formación, y hoy tienen núcleos de roca y metal, con capas superiores y costras muy frías y, por lo tanto, muy duras, de hielo (Figura\(\PageIndex{2}\)).
La mayoría de los asteroides y cometas, así como las lunas más pequeñas, probablemente nunca se calentaron hasta el punto de fusión. Sin embargo, algunos de los asteroides más grandes, como Vesta, parecen estar diferenciados; otros son fragmentos de cuerpos diferenciados. Debido a que la mayoría de asteroides y cometas conservan su composición original, representan material relativamente sin modificar que se remonta a la época de la formación del sistema solar. En cierto sentido, actúan como fósiles químicos, ayudándonos a conocer hace mucho tiempo cuyas huellas han sido borradas en mundos más grandes.
Temperaturas: Ir a Extremos
En términos generales, cuanto más lejos está un planeta o luna del Sol, más fría es su superficie. Los planetas son calentados por la energía radiante del Sol, que se debilita con el cuadrado de la distancia. Ya sabes lo rápido que disminuye el efecto de calentamiento de una chimenea o un calentador radiante de exterior a medida que te alejas de ella; el mismo efecto se aplica al Sol. Mercurio, el planeta más cercano al Sol, tiene una temperatura superficial abrasadora que oscila entre 280—430 °C en su lado iluminado por el sol, mientras que la temperatura de la superficie en Plutón es de solo unos —220 °C, más fría que el aire líquido.
Matemáticamente, las temperaturas disminuyen aproximadamente en proporción a la raíz cuadrada de la distancia del Sol. Plutón es de aproximadamente 30 UA en su punto más cercano al Sol (o 100 veces la distancia de Mercurio) y alrededor de 49 UA en su punto más alejado del Sol. Así, la temperatura de Plutón es menor que la de Mercurio por la raíz cuadrada de 100, o un factor de 10: de 500 K a 50 K.
Además de su distancia del Sol, la temperatura superficial de un planeta puede verse fuertemente influenciada por su atmósfera. Sin nuestro aislamiento atmosférico (el efecto invernadero, que mantiene el calor adentro), los océanos de la Tierra quedarían permanentemente congelados. Por el contrario, si Marte alguna vez hubiera tenido una atmósfera más grande en el pasado, podría haber soportado un clima más templado del que tiene hoy en día. Venus es un ejemplo aún más extremo, donde su espesa atmósfera de dióxido de carbono actúa como aislamiento, reduciendo el escape de calor acumulado en la superficie, resultando en temperaturas superiores a las de Mercurio. Hoy en día, la Tierra es el único planeta donde las temperaturas superficiales generalmente se encuentran entre los puntos de congelación y ebullición del agua. Hasta donde sabemos, la Tierra es el único planeta que sustenta la vida.
No hay lugar como el hogar
En la clásica película El mago de Oz, Dorothy, la heroína, concluye tras sus muchas aventuras en ambientes “alienígenas” que “no hay lugar como el hogar”. Lo mismo puede decirse de los otros mundos de nuestro sistema solar. Hay muchos lugares fascinantes, grandes y pequeños, que nos gustaría visitar, pero los humanos no podrían sobrevivir en ninguno sin una gran cantidad de asistencia artificial.
Una atmósfera espesa de dióxido de carbono mantiene la temperatura superficial de nuestro vecino Venus a 700 K (cerca de 900 °F). Marte, por otro lado, tiene temperaturas generalmente por debajo del punto de congelación, con aire (también en su mayoría dióxido de carbono) tan delgado que se asemeja al que se encuentra a una altitud de 30 kilómetros (100,000 pies) en la atmósfera terrestre. Y el planeta rojo está tan seco que no ha tenido lluvia desde hace miles de millones de años.
Las capas exteriores de los planetas jovianos no son lo suficientemente cálidas ni lo suficientemente sólidas para la habitación humana. Cualquier base que construyamos en los sistemas de los planetas gigantes bien puede tener que estar en el espacio o en una de sus luna, ninguna de las cuales es particularmente hospitalaria para un hotel de lujo con piscina y palmeras. Quizás encontraremos paraísos más cálidos en lo profundo de las nubes de Júpiter o en el océano bajo el hielo helado de su luna Europa.
Todo esto sugiere que es mejor que cuidemos bien de la Tierra porque es el único sitio donde la vida tal como la conocemos podría sobrevivir. La actividad humana reciente puede estar reduciendo la habitabilidad de nuestro planeta al agregar contaminantes a la atmósfera, especialmente el potente gas de efecto invernadero dióxido de carbono. La civilización humana está cambiando nuestro planeta dramáticamente, y estos cambios no son necesariamente para mejor. En un sistema solar que parece no listo para recibirnos, hacer que la Tierra sea menos hospitalaria para la vida puede ser un grave error.
Actividad geológica
Las costras de todos los planetas terrestres, así como de las lunas más grandes, han sido modificadas a lo largo de sus historias por fuerzas tanto internas como externas. Externamente, cada uno ha sido maltratado por una lenta lluvia de proyectiles desde el espacio, dejando sus superficies marcadas por cráteres de impacto de todos los tamaños (ver Figura\(7.1.3\)). Tenemos buena evidencia de que este bombardeo fue mucho mayor en la historia temprana del sistema solar, pero ciertamente continúa hasta nuestros días, aunque a un ritmo menor. La colisión de más de 20 piezas grandes del Cometa Shoemaker—Levy 9 con Júpiter en el verano de 1994 (ver Figura\(\PageIndex{3}\)) es un ejemplo dramático de este proceso.
La figura\(\PageIndex{4}\) muestra las secuelas de estas colisiones, cuando se pudieron ver nubes de escombros más grandes que la Tierra en la atmósfera de Júpiter.
Durante el tiempo que todos los planetas han sido objeto de tales impactos, las fuerzas internas sobre los planetas terrestres se han abombado y retorcido sus costras, levantado cadenas montañosas, hecho erupción como volcanes, y generalmente remodelado las superficies en lo que llamamos actividad geológica. (El prefijo geo significa “Tierra”, así que este es un término un poco “tierra-chovinista”, pero es tan ampliamente utilizado que nos inclinamos ante la tradición). Entre los planetas terrestres, la Tierra y Venus han experimentado la mayor actividad geológica a lo largo de sus historias, aunque algunas de las lunas del sistema solar exterior también están sorprendentemente activas. En contraste, nuestra propia Luna es un mundo muerto donde la actividad geológica cesó hace miles de millones de años.
La actividad geológica en un planeta es el resultado de un interior caliente. Las fuerzas del vulcanismo y la construcción de montañas son impulsadas por el calor que escapa de los interiores de los planetas. Como veremos, cada uno de los planetas se calentaba en el momento de su nacimiento, y este calor primordial impulsó inicialmente una extensa actividad volcánica, incluso en nuestra Luna. Pero, objetos pequeños como la Luna pronto se enfriaron. Cuanto más grande sea el planeta o la luna, más tiempo retiene su calor interno, y por lo tanto más esperamos ver evidencia superficial de actividad geológica continua. El efecto es similar a nuestra propia experiencia con una papa horneada caliente: cuanto más grande es la papa, más lentamente se enfría. Si queremos que una papa se enfríe rápidamente, la cortamos en trozos pequeños.
En su mayor parte, la historia de la actividad volcánica en los planetas terrestres se ajusta a las predicciones de esta teoría simple. La Luna, el más pequeño de estos objetos, es un mundo geológicamente muerto. Aunque sabemos menos de Mercurio, parece probable que este planeta, también, cesara la mayor parte de la actividad volcánica aproximadamente al mismo tiempo que lo hizo la Luna. Marte representa un caso intermedio. Ha sido mucho más activa que la Luna, pero menos que la Tierra. La Tierra y Venus, los planetas terrestres más grandes, todavía tienen interiores fundidos aún hoy, unos 4.5 mil millones de años después de su nacimiento.
Conceptos clave y resumen
Los planetas gigantes tienen núcleos densos aproximadamente 10 veces la masa de la Tierra, rodeados por capas de hidrógeno y helio. Los planetas terrestres consisten principalmente en rocas y metales. Alguna vez se fundieron, lo que permitió que sus estructuras se diferenciaran (es decir, sus materiales más densos se hundieron al centro). La Luna se parece a los planetas terrestres en composición, pero la mayoría de las otras lunas—que orbitan los planetas gigantes— tienen mayores cantidades de hielo congelado dentro de ellas. En general, los mundos más cercanos al Sol tienen temperaturas superficiales más altas. Las superficies de los planetas terrestres han sido modificadas por impactos desde el espacio y por diversos grados de actividad geológica.
Glosario
- diferenciación
- separación gravitacional de materiales de diferente densidad en capas en el interior de un planeta o luna