지구외행성의 지구역학

Geodynamics of terrestrial exoplanets
최근 발견된 외계 행성 케플러-22b의 예술 스케치. 질량은 지구의 10질량 이내입니다.

지구 크기의 외계 행성들의 발견은 그들의 거주 가능성에 대한 연구를 장려했다.생명 유지 행성에 대해 일반적으로 합의된 요건(Noack, Breuer 및 그 [1]내 참조) 중 하나는 플레이트 텍토닉스로 알려진 프로세스에서 활발하게 대류하는 맨틀로 순환적으로 재활용되는 이동성, 분열된 암석권이다.플레이트 텍토닉스는 대기 중의 미립자를 지구 화학적 조절하고 대기 중의 탄소를 제거하는 수단을 제공한다.이렇게 하면 표면 온도가 낮아지고 표면수가 [2]증발하는 '도망온실' 효과를 막을 수 있다.행성 과학자들은 지구와 유사한 외계행성이 판구조론을 가지고 있는지에 대해 합의에 이르지 못했지만, 지구와 유사한 외계행성에 판구조론이 존재할 가능성은 행성의 반지름, 결합에 따른 초기 온도, 액상표면수의 [3][4][5][6]유무에 따른 것으로 널리 알려져 있다.

잠재적 외부 행성 지구역학 체제

지구와 비슷한 외계행성의 지질역학적 상태를 특징짓기 위해, 그러한 행성은 지구와 비슷하거나 "바위가 많은" 행성이라는 기본적인 가정이 있다.이는 (중앙에서 표면으로) 부분적으로 녹은 철심, 지질학적 시간에 걸쳐 대류하는 규산염 맨틀, 그리고 상대적으로 차갑고 부서지기 쉬운 규산염 암석권의 3층 지층을 의미한다.이러한 매개변수 내에서, 행성의 역사에서 주어진 시점에서의 지질역학 정위는 세 가지 범주 중 하나에 속할 가능성이 높다.

판구조론

플레이트 텍토닉스를 가진 행성의 맨틀은 부서지기 쉬운 암석권의 항복 강도를 초과하는 추진력을 가지고 있으며, 이로 인해 [3][4]암석권은 서로 상대적으로 움직이는 판으로 분열됩니다.플레이트 텍토닉 시스템의 중요한 요소는 이러한 암석권 판들이 진화의 어느 시점에서 음의 부력을 받아 맨틀로 가라앉는 것입니다.표면 질량 결핍은 상승하는 맨틀 기둥을 통해 다른 곳에 형성된 새로운 판에 의해 균형을 이룬다.판구조론은 행성 내부에서 지표로 열을 전달하는 효율적인 방법이다.목성의 위성 유로파가 지구와 [7]비슷한 형태의 판구조론을 겪고 있다는 증거가 제시되었지만,[6] 지구는 유일하게 행성판구조론이 일어나는 것으로 알려져 있다.

뚜껑 막힘

뚜껑 정체 상태는 맨틀 구동력이 암석권 항복 강도를 초과하지 않을 때 발생하며, 그 결과 맨틀 위에 하나의 연속적인 강판이 덮입니다.정체된 뚜껑은 표면과 행성 내부 사이의 점성 대비가 약 [8]4등급을 초과할 때만 발생합니다.

일시적 구조론

일시적 구조론은 판구조론과 정체된 뚜껑역학의 양상을 모두 가진 지질역학계의 총칭이다.일시적인 구조 체계를 가진 행성들은 암석권을 약화시키거나 맨틀 추진력을 증가시킴으로써 평형 조건의 변화가 촉진될 때까지 지질학적으로 긴 시간 동안 움직이지 않는 표면 덮개를 가질 것이다.이런 일이 일어나면 판구조론으로의 전환은 대개 재앙이며 [9]행성 전체의 표면 재조면을 수반할 수 있습니다.이러한 재표면 이벤트(또는 재표면 이벤트 기간) 후에는 정체된 뚜껑 평형 상태가 회복되어 정지 상태의 움직이지 않는 뚜껑이 된다.

외계행성의 지구역학적 상태를 예측하는 방법

외계행성은 직접 관찰되고 원격으로 [10]감지되었지만, 매우 먼 거리이고 에너지원을 가리는 것에 가깝기 때문에, 외계행성의 구성과 지구역학적 상태에 대한 구체적인 지식은 거의 없습니다.그러므로, 그들에 대해 만들어진 대부분의 정보와 추측은 대안적인 출처에서 나온다.

태양계 유사체

지구를 제외한 태양계의 모든 암석 행성들은 일반적으로 정체된 뚜껑의 지질역학 [8][9]상태에 있는 것으로 여겨진다.화성, 특히 금성은 이전에 다시 나타난 사건의 증거를 가지고 있지만, 오늘날 구조적으로는 조용한 것으로 보인다.태양계 행성에 대한 지구역학적 추론은 행성의 반지름, 지표수의 존재, 일사와 같은 일련의 물리적 기준에서 예상되는 지구역학적 상태를 제한하기 위해 외부 행성으로 추정되었습니다.특히, 금성은 지구와 전반적으로 유사하지만 완전히 다른 지구역학적 체계 때문에 집중적으로 연구되어 왔다.제안된 설명에는 지표수 [9]부족, 자기 지질역학의 [11]부족, 행성 [8]결합 직후 내부 열의 대규모 배출 등이 포함된다.

우리 태양계 내부의 또 다른 통찰력은 지구의 역사인데,[12] 지구의 역사 동안 여러 번 정체된 뚜껑 지구역학을 겪었을지도 모른다.이러한 정체된 액체 기간은 반드시 행성 전체에 걸쳐 있는 것은 아니다; 곤드와날랜드와 같은 슈퍼콘티넨트가 존재했을 때, 슈퍼플레이트 아래의 맨틀 열 축적이 그것들을 [13]분해하기에 충분할 때까지, 그들의 존재는 지구 표면의 큰 확장에 대한 플레이트 운동을 차단했을지도 모른다.

외계 행성 관측

헤일 망원경의 1.5m 구역에서 벡터 보텍스 코로나그래프를 통해 촬영된 대략 태양 크기의 별 HR8799 주변에서 확인된 세 개의 외부 행성.

지름 속도 및 코로나 그래프와 같은 간접적이고 직접적인 관측 방법은 질량, 행성 반지름, 궤도 반지름/이심성과 같은 외부 행성 매개변수의 외피 추정치를 제공할 수 있다.주성으로부터의 거리와 행성의 크기가 일반적으로 외계 행성 지질역학 상태에 영향을 미치는 것으로 여겨지기 때문에, 그러한 정보로부터 추론할 수 있다.예를 들어, 모항성이 조석적으로 잠길 수 있을 정도로 가까이 있는 외계행성은 "어두운" 측면 온도와 "밝은" 측면 온도와 그에 상응하는 양극성 지질역학 상태를 가질 수 있다(아래 일사절 참조).

분광학은 외계 가스 거성을 특징짓는 데 사용되었지만, 암석 외부 행성에는 아직 사용되지 않았습니다.그러나 수치 모델링에 따르면 스펙트럼 분석으로 대기 중 이산화황 수치가 1ppm까지 낮아졌다. 이 농도의 이산화황은 지표수가 없고 화산 활동이 [2]지구보다 1500-800배 높은 행성을 나타낼 수 있다.

수치 모델링

현재 외계행성에 대한 실제 데이터는 한정되어 있기 때문에, 암석 외부 행성 구조론에 관한 많은 대화는 수치 모델링 연구 결과에 의해 주도되어 왔다.이러한 모델에서는 서로 다른 행성의 물리적 파라미터(맨틀 점도, 코어-망틀 경계온도, 일사, "습도" 또는 부전도성 암석권의 수화)가 조작되어 그 결과가 지구역학 상태에 미치는 영향이 보고된다.계산상의 한계로 인해 실제 행성 지구역학을 제어하는 많은 양의 변수는 설명할 수 없습니다. 따라서 모델은 덜 중요하다고 여겨지는 특정 매개변수를 무시하고 불균형적으로 중요한 구동 요소를 분리하려고 다른 매개변수를 강조합니다.이러한 파라미터에는 다음과 같은 것이 있습니다.

스케일링 파라미터

관측된 케플러 행성 후보들의 크기 분포를 보여주는 막대 차트(모항성의 거주 가능 영역에 있는 외계 행성).데이터 집합은 2,036개의 별 주위를 도는 2,740개의 행성입니다.지구 크기와 슈퍼 지구 크기(맨 왼쪽) 기둥은 잠재적인 지구 외 행성을 나타냅니다.

암석 외계행성의 초기 모형은 주어진 매개변수로 외계행성의 지질역학 상태를 예측하기 위해 다양한 요인(맨틀 점도, 암석권 항복 강도, 행성 크기)을 위아래로 조정했습니다.2007년에 발표된 외계행성의 크기에 대한 두 가지 스케일링 연구는 근본적으로 다른 결론에 도달했다.오닐과 레너딕(2007)[3]은 지구 질량이 1.1인 행성은 지구와 같은 암석권 항복 스트레스를 가지지만 맨틀 구동 스트레스를 줄여 뚜껑이 정체되는 결과를 초래한다는 것을 보여주었다.반대로 발렌시아 등.(2007년)[4]는 행성들이 지구 질량을 넘어 증가함에 따라 중력에 의해 판의 점도가 증가하는 것에 비해 맨틀 속도(구동력)의 증가가 크다는 결론을 내렸고, 이는 행성 크기에 따른 판 구조론의 가능성을 증가시켰다.

점탄성 플라스틱 레올로지

대부분의 모델은 점탄성 플라스틱 레올로지 방식으로 암석권 판을 시뮬레이션합니다.이 시뮬레이션에서 플레이트는 역치 응력 레벨까지 점탄성 변형되며, 이 레벨에서는 플라스틱 방식으로 변형됩니다.암석권 항복 응력은 압력, 응력, 조성의 함수이지만 온도는 [9]불균형적인 영향을 미칩니다.따라서 외부 소스(절연) 또는 내부(망틀 가열)로부터의 암석권 온도 변화는 점탄성-플라스틱 모델에서 판 구조론의 가능성을 증가시키거나 감소시킨다.다른 형태의 맨틀 가열(코어-망틀 경계에서 발생하는 열 대 현장 맨틀 가열)을 가진 모델은 극적으로 다른 지질역학 상태를 [14]생성할 수 있습니다.

시간 의존적 상태와 준안정적 상태

계산을 위해 초기 외부 행성 맨틀 대류 모델은 행성이 준안정 상태라고 가정했다. 즉, 코어-맨틀 경계 또는 내부 맨틀 가열에서 입력되는 열은 모델 실행 내내 일정하게 유지되었다.Noack과 Breuer(2014)[1]와 같은 이후의 연구는 이러한 가정이 중요한 의미를 가질 수 있으며, 결과적으로 중심핵과 맨틀 사이의 온도 차이가 점진적으로 증가한다는 것을 보여준다.시간 경과에 따른 내부 가열의 현실적인 감소로 모델링된 행성은 준정상 상태 모델에 비해 판 구조 상태로 진입할 가능성이 낮았다.

손상 이론

외행성 지구역학의 점탄성-플라스틱 모델의 결점은 판구조론이 개시되기 위해서는 비현실적으로 낮은 항복응력값이 요구된다는 것이다.또한 점탄성 플라스틱 모델의 플레이트는 변형 메모리가 없습니다. 즉, 암석권 플레이트의 응력이 항복 응력 아래로 떨어지면 변형 전 강도로 돌아갑니다.이는 판이 기존 [15]변형 영역을 따라 우선적으로 부서진다는 것을 보여주는 지구 기반 관측과는 대조적이다.

손상 이론은 암석의 거친 입자가 미세한 입자로 분쇄되는 기계적 현상을 나타내며 변형 영역에 생성된 빈 공간을 시뮬레이션함으로써 이 모델 결함을 해결하려고 시도합니다.이러한 모델에서 손상은 "힐링" 또는 더 작은 입자의 온도 및 압력에 의한 동적 재결정화를 통해 더 큰 입자로의 균형을 유지합니다.정체된 뚜껑에서 입자 크기 감소(손상)가 심하게 국소화되면 맨틀의 초기 균열이 본격적인 균열로 변질되어 판구조론이 [16]시작될 수 있다.반대로, 높은 표면 온도는 더 효율적인 암석권 치유를 가질 것이며, 이것은 금성에 정체된 뚜껑이 있고 지구는 그렇지 [15]않은 이유에 대한 또 다른 가능한 설명입니다.

지구와 유사한 외계행성의 잠재적 결정 요인

초기 온도

지구보다 큰 암석 외부행성의 경우 행성 회복 후 초기 내부 온도가 표면 운동을 제어하는 중요한 요소가 될 수 있습니다.Noack과 Breuer(2014)[1]는 6100K의 코어-망틀 경계 초기 온도가 정체된 뚜껑을 형성할 가능성이 높은 반면, 초기 코어-망틀 경계 2000K가 더 뜨거운 동일한 치수의 행성은 결국 판 구조론을 진화시킬 가능성이 높다는 것을 입증했다.이 효과는 지구보다 작은 행성에서 감소하는데, 이는 행성 내부가 열을 효율적으로 재분배하여 맨틀 대류를 일으키는 코어-맨틀 열 구배를 감소시키기 때문입니다.

일사

항성으로부터의 거리 대 행성 연령이 지구 외 행성 지구 역학에 미치는 영향에 대한 개념도.축척에 맞게 그려지지 않은 행성 예제.

행성의 외부 열원(즉, 행성의 주성으로부터의 방사선)은 지구역학적 상태에 급격한 영향을 미칠 수 있다.다른 모든 변수가 일정하게 유지되면 표면 온도가 273K인 지구 크기의 외계행성은 지질학적 수명 동안 플레이트 텍토닉 상태에서 정체된 뚜껑 지질역학이 교차하는 일시적 단계까지 내부 열이 소진됨에 따라 정지된 뚜껑 단계로 진화하게 됩니다.한편, 동일한 초기 조건의 "뜨거운" 행성(759 K 표면 온도)은 내부 열이 소진되고 판구조론이 [5]관찰되지 않음에 따라 정체된 뚜껑에 비정질 표면(석권 항복 응력 초과로 인해)을 갖게 된다.

별에서 0.5 천문단위 이상 떨어진 행성들은 조석적으로 잠겨 있을 가능성이 높다; 이 행성들은 낮과 밤 양쪽에 급격한 온도 변화를 보일 것으로 예상된다.이 시나리오를 모델링할 때, 주간은 표면 변형이 밤쪽으로 확산되면서 이동성 뚜껑 대류를 나타내며, 야간은 하향판의 판 구조 상태와 야간 방향의 깊은 맨틀 리턴 흐름을 가진다.이렇게 안정적인 시스템을 [5]구축하려면 주야간 400K의 온도 대비가 필요합니다.

지표수 유무

초기 모델링 연구들은 지질역학적 [3][4]상태의 중요한 요소로서 주어진 외부 행성의 크기를 강조했지만, 이후 연구들은 표면의 물의 존재에 비해 크기의 영향이 중요하지 않을 정도로 작을 수 있다는 것을 보여주었다.판구조학이 일시적인 과정이 아닌 지속적 과정이기 위해서는 상부 경계층(맨틀-라이토스피어 인터페이스)의 마찰계수가 임계치 미만이어야 한다. 반면 일부 모델은 상부 경계층 온도 상승(및 점도의 감소)을 통해 매우 낮은 마찰계수에 도달한다.(2010)은 높은 모공 유체 함량이 마찰 계수를 임계치 이하로 낮출 [6]수 있음을 보여줍니다.

외계행성의 지구역학적 법칙의 의미

정체된 뚜껑 상태에 있는 행성은 표면 재활용이 활발한 행성에 비해 거주가능성이 훨씬 낮다.맨틀에서 유래한 탄소와 유황의 배출은 태양 복사와 [11]바람으로부터 행성을 보호하는 대기의 생성과 유지에 매우 중요하다.또한 동일한 대기는 표면 온도를 조절하여 생물학적 활동을 위한 온화한 조건을 제공합니다.이러한 이유로 외계행성은 인간이 살기에 더 좋은 후보들이기 때문에 주로 판구조 지질역학적 구조를 가진 행성을 찾는 쪽으로 방향을 잡을 것이다.

레퍼런스

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