De dichtheid van de planeten
De acht planeten in ons zonnestelsel variëren nogal in grootte, massa en dichtheid. De vier binnenste planeten zijn allemaal aardse planeten. Ze bestaan voornamelijk op silicaatgesteente en metalen en hebben een vast oppervlak.
De vier buitenste planeten worden gasreuzen (en/of ijsreuzen) genoemd. Ze bestaan voornamelijk uit waterstof, helium en water dat in verschillende fysische toestanden voorkomt. Deze planeten zijn groter in grootte en massa maar hun gemiddelde dichtheid is veel lager. Er is ook een groot verschil in dichtheid tussen de binnenste en de buitenste lagen die er voor zorgt dat sommige materialen vloeibaar zijn en anderen zo compact dat ze zo vast als gesteente worden.
De dichtheid speelt ook een belangrijke rol bij het bepalen van de zwaartekracht aan het oppervlak van een planeet en is belangrijk om te begrijpen hoe een planeet is ontstaan. Na het ontstaan van de Zon in het centrum van ons zonnestelsel ontstonden de planeten uit een proto-planetaire schijf. De Aardse planeten ontstonden uit stofkorrels in de binnenste delen van het zonnestelsel en de planeten in de buitenste delen van het zonnestelsel trokken genoeg materie aan zodat hun zwaartekracht genoeg was om de restanten gas van de zonnenevel vast te houden.
Hoe meer gas ze vast konden houden hoe groter ze werden. En hoe groter ze werden hoe meer materie ze konden aantrekken totdat ze een kritiek punt bereikten. De gasreuzen Jupiter en Saturnus groeiden exponentieel maar de ijsreuzen Neptunus en Uranus, die slechts een paar keer de massa van de Aarde aan gas konden vangen, bereikten nooit dat kritieke punt. In alle gevallen is de dichtheid uitgedrukt in gram per kubieke cm (g.cm-3).
De dichtheid van Mercurius
Mercurius is een Aardse planeet die is opgebouwd uit metalen en silicaten. De gemiddelde dichtheid van Mercurius is de op één na hoogste in het zonnestelsel. De gemiddelde dichtheid van Mercurius bedraagt 5,427 g.cm-3 en is daarmee een beetje lager dan de gemiddelde dichtheid van de Aarde die 5,515 g.cm-3 bedraagt. Echter, als je het effect van de gravitationele samenpersing meeneemt, waarbij de effecten van de zwaartekracht de grootte van een object verkleinen en de dichtheid vergroten, dan heeft Mercurius een grotere dichtheid dan de Aarde. De ongecomprimeerde dichtheid van Mercurius bedraagt 5,3 g.cm-3 terwijl de ongecoprimeerde dichtheid van de Aarde 4,4 g.cm-3 bedraagt.
Deze gegevens kunnen ook gebruikt worden om iets af te leiden over de binnenste structuur. Mercurius is vergeleken met de Aarde veel kleiner waardoor de binnenste regio’s van de planeet veel minder aan compressie onderhevig zijn. De grote dichtheid is daarom vermoedelijk te danken aan een grote, ijzerrijke kern. Metalen als nikkel en ijzer zijn voor ongeveer 70% verantwoordelijk voor de totale massa van de planeet. Dat is veel meer dan bij de andere planeten. De overige 30% worden gevormd door silicaathoudende gesteentes.
Om dit te kunnen verklaren zijn er verschillende theorieën opgesteld. De meest gangbare stelt dat Mercurius in het verleden een veel dikkere silicaathoudende korst had. Deze korst is grotendeels verdwenen toen een grote planetesimaal in botsing kwam met de planeet. De zwaartekracht aan de oppervlakte bedraagt 3,7 m.s-2 en dat komt over een met 0,38 * de zwaartekracht van de Aarde.
De dichtheid van Venus
Venus is de tweede planeet vanaf de Zon. Venus heeft een gemiddelde dichtheid van 5,242 g.cm-3. Ook deze dichtheid komt in de buurt van de dichtheid van de Aarde. Er is nog veel onbekend over de geologie en de seismologie van de planeet maar astronomen hebben wel een goed beeld over de samenstelling en de inwendige structuur van de planeet. Deze kennis is gebaseerd op relatieve schattingen van de grootte, massa en dichtheid.
Men denkt dat de interne structuur van Venus erg veel lijkt op die van de Aarde; de planeet bestaat uit een kern, een mantel en een korst. Net zoals bij de Aarde bestaat het binnenste van Venus voornamelijk uit ijzerrijke mineralen. De mantel en de korst zijn opgebouwd uit silicaathoudende gesteentes. Omdat Venus iets kleiner is dan de Aarde is de druk in het binnenste ook ongeveer 24% lager dan op Aarde.
Omdat Venus en de Aarde in hetzelfde tempo afkoelen denkt men dat de kern van Venus tenminste gedeeltelijk vloeibaar moet zijn. Echter, er is geen magnetosfeer rond Venus gevonden en dus zijn er astronomen die dit in twijfel trekken en stellen dat de kern uniform in temperatuur moet zijn terwijl weer anderen stellen dat de kern afgekoeld en vast moet zijn. Ook zijn er astronomen die stellen dat Venus helemaal geen kern heeft.
De dichtheid van de Aarde
Van alle planeten in het zonnestelsel heeft de Aarde de grootste dichtheid. De dichtheid van de Aarde bedraagt 5,514 g.cm-3. De dichtheid van de Aarde wordt gebruikt als de standaard waarmee de dichtheid van de andere planeten wordt vergeleken. De combinatie van de grootte, massa en dichtheid van de Aarde leidt tot een zwaartekracht aan de oppervlakte van 9,8 m.s-2. Ook dit wordt gebruikt als standaard voor de bepaling van de zwaartekracht aan het oppervlak van andere planeten.
De kern van de Aarde kunnen we verdelen in en vaste binnenste kern en een vloeibare buitenkern. De binnenkern heeft een doorsnede van ongeveer 1120 kilometer en bestaat voornamelijk uit ijzer en nikkel. De buitenkern strekt zich uit tot een straal van 3400 kilometer. De buitenkern draait tegengesteld aan de Aarde zelf en men denkt dat dit verantwoordelijk is voor de magnetosfeer van de Aarde. Net zoals bij de andere planeten neemt de dichtheid toe naarmate je de dieper naar de kern gaat. In de binnenkern van de Aarde bedraagt de dichtheid 12.600 tot 13.000 kg.m-3.
De dichtheid van Mars
Ook Mars is een Aardse planeet die bestaat uit een compacte metallische kern, een mantel bestaande uit silicaten en een korst. De gemiddelde dichtheid van Mars is lager dan die van de Aarde en wordt geschat op 3,933 g.cm-3. Deze dichtheid neemt toe naarmate je de kern nadert. De kern van Mars bestaat voornamelijk uit ijzer en nikkel, de mantel uit silicaathoudend gesteente.
De huidige modellen stellen dat de kern een straal heeft van 1794 ± 65 kilometer en voornamelijk bestaat uit ijzer en nikkel en ongeveer 16-17% zwavel. De korst van Mars is gemiddeld 50 kilometer dik met een maximale dikte van 125 kilometer. De zwaartekracht aan de oppervlakte bedraagt 3,711 m.sec-2.
De dichtheid van Jupiter
Jupiter is een gasreus. Dat wil zeggen dat de planeet voornamelijk uit gassen en vloeibaar materiaal bestaat. Jupiter heeft een lagere dichtheid dan de Aardse planeten. De dichtheid van Jupiter bedraagt 1,326 g.cm-3. Ondanks de enorme grootte en massa van de planeet is de dichtheid erg laag en dat komt omdat de planeet voornamelijk uit gassen bestaat die als gas, vloeistof of zelfs als vaste stof voorkomen.
Er is een groot verschil in dichtheid tussen de buitenste gaslagen en de kern. Men denkt dat de kern van de planeet bestaat uit gesteente die wordt omringd door een laag metallisch waterstof. In de buitenste lagen, die voornamelijk uit waterstof en helium bestaan is de dichtheid ongeveer 0,0002 g.cm-3. De dichtheid van water bedraagt 1 g.cm-3.
Onder deze gaslagen komt waterstof in vloeibare vorm voor. Daar stijgt de dichtheid tot 0,5 g.cm-3 en op de scheidslijn met de laag metallisch waterstof is de dichtheid gestegen tot ongeveer 1 g.cm-3. De laag metallisch waterstof heeft een geschatte dichtheid van 4 g.cm-3 en dat is vergelijkbaar met de dichtheid van Mars. In de kern bedraagt de dichtheid 25 g.cm-3. De samenstelling van de kern is overigens nog steeds een punt van discussie onder de wetenschappers.
De gemiddelde dichtheid van Jupiter is lager dan die van de Aardse planeten maar door zijn enorme grootte en massa is de zwaartekracht op de planeet toch erg groot. Gemeten aan het oppervlak (de toppen van de wolken waar een druk van 1 atmosfeer heerst) bedraagt de zwaartekracht 24,79m.s-2 en dat is 2,5 keer zo groot als de zwaartekracht op Aarde.
De dichtheid van Saturnus
Saturnus heeft de laagste dichtheid van alle planeten. De dichtheid van Saturnus bedraagt 0,687 g.cm-3. Dit is lager dan de dichtheid van water en dat betekent dat de planeet, zou het uitvoerbaar zijn, blijft drijven op water. Net zoals bij de andere gasplaneten is er wel een groot verschil in dichtheid tussen de binnenste en de buitenste zones van de planeet. De buitenste lagen van de planeet bestaan uit elementair waterstof en helium terwijl de kern van de planeet vermoedelijk uit gesteente bestaat.
Omdat de planeet veel groter en en meer massa bevat dan de Aarde is ook de zwaartekracht aan het oppervlak veel groter: 10,44 m.s-2.
De dichtheid van Uranus
Uranus heeft een gemiddelde dichtheid van 1,27 g.cm-3. De planeet bestaat naast gassen als helium en waterstof voornamelijk uit vluchtige soorten ijs als water, ammoniak en methaan. Om een onderscheid te maken met Jupiter en Saturnus worden Uranus en Neptunus ook wel de ijsreuzen genoemd.
Uranus is opgebouwd uit drie verschillende lagen. De planeet heeft een kern bestaande uit gesteente en een buitenste laag bestaande uit waterstof en helium. De middelste laag bevat een ijsachtige mantel in plaats van een laag van vloeibaar waterstof zoals Jupiter en Saturnus dat hebben. Het voorkomen van methaan in de atmosfeer geeft Uranus ook zijn specifieke kleur.
Uranus heeft, uitgaande van grootte, massa en dichtheid een zwaartekracht aan de oppervlakte van 8,69 m.s-2.
De dichtheid van Neptunus
De gemiddelde dichtheid van Neptunus bedraagt 1,638 g.cm-3 en daarmee heeft Neptunus de grootste dichtheid van alle gasreuzen. Net zoals Uranus bestaat Neptunus voor een groot deel uit vluchtige gassen. Het binnenste van Neptunus bestaat uit een compacte kern die bestaat uit silicaten en metalen, een mantel die voornamelijk is samengesteld uit water-, ammoniak- en methaanijs. En een atmosfeer bestaande uit waterstof-, helium- en methaangas.
De hoge concentraties methaan in de atmosfeer van Neptunus zorgen ervoor dat de planeet een donkerdere blauwe kleur heeft dan Uranus. De zwaartekracht aan het oppervlak van Neptunus bedraagt 11,15 m.s-2.
Zoals je hebt kunnen lezen in er veel variatie in de dichtheid van de planeten in ons zonnestelsel. De aardse planeten die zich dicht bij de Zon bevinden hebben een hoge dichtheid en de grote gasplaneten verder weg van de Zon hebben een veel lagere dichtheid.
Planeet | Dichtheid (g.cm-3) |
Mercurius | 5,427 |
Venus | 5,242 |
Aarde | 5,514 |
Mars | 3,933 |
Jupiter | 1,326 |
Saturnus | 0,687 |
Uranus | 1,27 |
Neptunus | 1,638 |
Eerste publicatie: 2 juli 2016
Bron: UniverseToday