Av många skäl kallas Venus ibland för "Earth's Twin" (eller "Sister Planet", beroende på vem du frågar). Liksom Jorden är den markbunden (dvs stenig) i naturen, sammansatt av silikatmineraler och metaller som är differentierade mellan en järn-nickelkärna och silikatmantel och skorpa. Men när det gäller deras respektive atmosfär och magnetfält, kunde våra två planeter inte vara annorlunda.
Under en tid har astronomer kämpat för att svara varför Jorden har ett magnetfält (som gör att den kan behålla en tjock atmosfär) och Venus inte. Enligt en ny studie som utförts av ett internationellt forskargrupp kan det ha något att göra med en massiv inverkan som inträffade tidigare. Eftersom Venus verkar aldrig ha drabbats av en sådan påverkan, har den aldrig utvecklat dynamo som behövs för att generera ett magnetfält.
Studien, med titeln "Bildning, stratifiering och blandning av kärnorna i Jorden och Venus", dykte nyligen upp i den vetenskapliga tidskriften Jord- och vetenskapsplaneten. Studien leddes av Seth A. Jacobson från Northwestern University och inkluderade medlemmar från Observatory de la Côte d’Azur, University of Bayreuth, Tokyo Institute of Technology och Carnegie Institution of Washington.
För sin studie började Jacobson och hans kollegor överväga hur jordplaneter bildas i första hand. Enligt de mest accepterade modellerna för planetbildning bildas jordplaneter inte i ett enda steg, utan utifrån en serie av accretionshändelser som kännetecknas av kollisioner med planetesimaler och planetembryon - de flesta har sina egna kärnor.
Nyligen genomförda studier om högtrycksmineralfysik och om banbordsdynamik har också visat att planetkärnor utvecklar en stratifierad struktur när de ansluter sig. Anledningen till detta har att göra med hur en högre mängd ljuselement införlivas i flytande metall under processen, som sedan skulle sjunka för att bilda kärnan i planeten när temperaturen och trycket ökade.
En sådan stratifierad kärna skulle inte kunna konvektion, vilket tros vara det som möjliggör jordens magnetfält. Dessutom är sådana modeller oförenliga med seismologiska studier som indikerar att jordens kärna mestadels består av järn och nickel, medan ungefär 10% av dess vikt består av lätta element - som kisel, syre, svavel och andra. Den yttre kärnan är på samma sätt homogen och består av ungefär samma element.
Som Dr. Jacobson förklarade till Space Magazine via e-post:
”De markbundna planeterna växte från en sekvens av accretionära händelser (påverkan), så kärnan växte också på flera etapper. Flerstegs kärnbildning bildar en skiktad stabilt skiktad densitetsstruktur i kärnan eftersom ljuselement i allt högre grad införlivas i senare kärntillägg. Ljusa element som O, Si och S fördelas alltmer i kärnbildande vätskor under kärnbildningen när tryck och temperaturer är högre, så senare kärnbildande händelser införlivar fler av dessa element i kärnan eftersom jorden är större och tryck och temperaturer är därför högre .
”Detta skapar en stabil lagring som förhindrar en långvarig geodynamo och ett planetärt magnetfält. Detta är vår hypotes för Venus. När det gäller Jorden tror vi att den månbildande påverkan var tillräckligt våldsam för att mekaniskt blanda jordens kärna och låta en långvarig geodynamo generera dagens planetära magnetfält. "
För att förbättra detta tillstånd av förvirring har paleomagnetiska studier genomförts som indikerar att jordens magnetfält har funnits i minst 4,2 miljarder år (ungefär 340 miljoner år efter det bildades). Som sådan uppstår frågan naturligtvis vad som kan redogöra för det nuvarande konvektionsläget och hur det kom till. För deras studie undersöker Jacobson och hans team möjligheten att en massiv påverkan kan förklara detta. Som Jacobson antydde:
”Energiska effekter blandar kärnan mekaniskt och kan förstöra stabil lagring. Stabil lagring förhindrar konvektion som hämmar en geodynamo. Att ta bort stratifieringen gör att dynamo kan fungera. ”
I grund och botten skulle energin från denna påverkan ha skakat upp kärnan och skapat en enda homogen region inom vilken en långvarig geodynamo kunde fungera. Med tanke på jordens magnetfält ålder är detta i överensstämmelse med Theia-impactteorin, där ett objekt av Mars-storlek tros ha kolliderat med jorden för 4,51 miljarder år sedan och lett till bildandet av Earth-Moon-systemet.
Denna påverkan kan ha fått Jordens kärna att gå från att stratifieras till homogen, och under de kommande 300 miljoner åren kan tryck och temperaturförhållanden ha fått den att skilja mellan en fast innerkärna och flytande ytterkärna. Tack vare rotationen i den yttre kärnan var resultatet en dynamoeffekt som skyddade vår atmosfär när den bildades.
Frön från denna teori presenterades förra året på den 47: e Lunar and Planetary Science Conference i The Woodlands, Texas. Under en presentation med titeln "Dynamisk blandning av planetariska kärnor av gigantiska effekter", Dr. Miki Nakajima från Caltech - en av medförfattarna till denna senaste studie - och David J. Stevenson från Carnegie-institutionen i Washington. Då indikerade de att stratifieringen av jordens kärna kan ha återställts av samma påverkan som bildade månen.
Det var Nakajima och Stevensons studie som visade hur de mest våldsamma effekterna kunde rör om kärnan i planeter sent i deras tillträde. Med utgångspunkt i detta använde Jacobson och de andra medförfattarna modeller av hur Jorden och Venus tillträdde sig från en skiva med fasta ämnen och gaser om en proto-Sun. De använde också beräkningar av hur Jorden och Venus växte, baserat på kemi på manteln och kärnan på varje planet genom varje tillträdeshändelse.
Betydelsen av denna studie, när det gäller hur den hänför sig till jordens utveckling och livets uppkomst, kan inte underskattas. Om jordens magnetosfär är resultatet av en sen energisk påverkan, kan sådana påverkan mycket väl vara skillnaden mellan att vår planet är beboelig eller att vara antingen för kallt och torrt (som Mars) eller för varmt och helvetet (som Venus). Som Jacobson avslutade:
”Planetmagnetiska fält skyddar planeter och liv på planeten från skadlig kosmisk strålning. Om en sen, våldsam och jättepåverkan är nödvändig för ett magnetiskt magnetfält kan en sådan påverkan vara nödvändig för livet. ”
Ser vi bortom vårt solsystem har detta dokument också konsekvenser i studien av extra-solplaneter. Även här kan skillnaden mellan en planet som är bebörlig eller inte komma ner till högeffekter av energi som en del av systemets tidiga historia. I framtiden, när man studerar extrasolplaneter och letar efter tecken på förmåga, kan forskare mycket väl tvingas ställa en enkel fråga: "Slogs det tillräckligt hårt?"
