Kőzetbolygók
Plachy Emese ELTE Csillagászati Tanszék
CSILLAGÁSZATI ALAPTANFOLYAM 2013
KATEGÓRIÁK (IAU 2006)
• 1. Bolygók csillagok körül keringenek, tömegük elég nagy ahhoz, hogy közel gömb alakúvá formálódhattak, fúziós energiatermelésük nincs tisztára söpörték a környezetüket: Merkúr, Vénusz, Föld, Mars, Jupiter, Szaturnusz, Uránusz, Neptunusz • 2. Törpebolygók csillagok körül keringenek, tömegük elég nagy ahhoz, hogy közel gömb alakúvá formálódhattak, nem söpörték tisztára az akkréciós korongot maguk körül → szomszédságukban lehetnek hozzájuk hasonló méretű égitestek: Plútó, Ceres, Eris, Makemake, Haumea • 3. Egyéb apró égitestek minden más bolygószerű objektum, amely egyik fenti kategóriába sem illeszkedik: pl. kisbolygók (aszteroidák), üstökösmagok, Kuiper-objektumok stb.
Titius-Bode szabály (1766) a = 0,4 + 0,3 x 2n bolygó
n
a
táv (AU)
Merkúr Vénusz Föld Mars Kisbolygók Jupiter Szaturnusz Uránusz Neptunusz
-∞
0,4
0,39
0
0,7
0,72
1
1
1
2
1,6
1,52
3
2,8
2,9
4
5,2
5,2
5
10
9,55
6
19,6
19,2
7
38,8
30
Bolygótípusok • belső bolygók v. kőzetbolygók – kis tömeg, – nagy sűrűség, nehéz elemek, – holdszegénység
• külső bolygók v. óriásbolygók – nagy tömeg – kis sűrűség, könnyű elemek – sok hold, gyűrűk
különbségek okai • különböző naptávolság → vegyi differenciálódás olvadáspont szerint – vas/szilikát Merkúrban a legnagyobb kifele csökken – hóhatár 4-5 AU (innen kifelé főleg jégből állnak), 30 AU-tól metánjég
• különböző méretek (nagyobbak légkört tudtak megtartani) • eltérő vulkáni aktivitás, lemeztektonika
Merkúr
a = 0,39 AU e = 0,2 i = 7° R = 2440 km M = MFöld/18 ρátlag = 5,4 g/cm3
• keringés 88 nap, forgás 58,7 nap → 3:2 rezonancia • tengelyferdeség 2,1° • perihélium precesszió – Newtoni gravitáció nem magyarázza – „Vulkán” (hipotetikus bolygó) – Einstein-féle általános relativitáselmélet magyarázat
Merkúr • • • •
viszonylag erős mágneses tér van magnetoszféra nagy vasmag (1800-2000 km sugarú) felszíni hőmérséklet −180 és 430 °C között változik • nincs légkör talajközeli exoszféra: H, He (napszélből befogott) Na, K (mikrometeorit becsapódás) O, H2O (üstökös) légköri eróziónak nincs nyoma
Merkúr ~ Hold: erősen kráterezett – – – – –
kráterközi síkságok kráterekkel telített terep idős kráterek és medencék (kidobott takaró körülötte) fiatalabb képződmények (pl. sugársávos kráterek) vetődések, redők – hűlő mag Caloris medence ( ~ 1500 km) ütközés átellenes oldalon barázdákkal borított terület (lökéshullám)
MESSENGER monokróm és 8-színű globális mozaikok
Jég a pólusokon • Sárga: földi radar mérések kráterekben erős visszaverődés • Piros: folyton árnyékos régiók • Lecsökkenő neutronfluxus a pólusokon – vízjég blokkolja
Kráterfenéki üregek • MESSENGER felvételeken • Keletkezésük még nem teljesen tisztázott • Sugárzás vagy napszél által elpárologtatott illók • Illók a kéregből vagy a becsapódó testből?
Merkúr kutatása • rossz megfigyelhetőség max. elongáció 28°
• 1974-75 Mariner-10 (NASA) – felszín 45 % feltérképezés – mágneses tér
• 2008 MESSENGER (NASA) – 2011 óta Merkúr körüli pályán
• 2019 BepiColombo (ESA/JAXA)
Vénusz
a = 0,72 AU e = 0,07 i = 3° R = 6051 km M = 0,81MFöld ρátlag = 5,3 g/cm3 • • • • • • • •
keringés: P = 224 nap retrográd lassú forgás: 243 nap két egymást követő delelés 117 nap tengelyferdeség 2,7° van vasmag nagyon gyenge mágneses tér nincs magnetoszféra belső felépítés ~ Földé
Vénusz légkör • • • •
• •
nagy albedójú (0.76) átlátszatlan légkör P = 94 bar T = 470 °C (üvegházhatás) Összetétel: látható/infravörös fényben 96 % CO2 ,3 % N2 néhány tized % H2O, nyomokban Ar, SO2,CO igen sűrű alsó légkör, légmozgás alig vastag felhőréteg ~ 50 km –
•
(napfény 1-2%-át engedik a felszínre)
– kénsavcseppek, kénkristályok – szélsebesség magassággal növekszik 40-100 m/s – a felhőzet 4-5 nap alatt körbejárja a bolygót (szuperrotáció) – villámok ionoszféra - napszél kölcsönhatás
UV, közeli képek sorozata (Venus Express)
Látható fényben – így látnánk szabad szemmel (Venus Express)
IR – alacsonyszintű felhők (Galileo)
UV (Mariner-10) UV (Pioneer Venus Orbiter)
Vénusz felszín • radar térképezés (Magellan) • kevés becsapódási kráter → fiatal felszín, néhány száz millió éves
főleg hullámzó síkságok (planitia)
• 3 nagyobb felföld – Aphrodite Terra (Egyenlítőn, Európa méretű) – Ishtar Terra (északon kb. Ausztrália méretű) – Lada Terra (déli sarkon, kisebb)
• több vulkáni hátság (regio) – eredet: pajzsvulkán • nincs lemeztektonika → csak egy földi lánchegységhez hasonló: Maxwell-hegység
Kráterek: Nincs 3 km-nél kisebb ● 50 m-nél kisebb test nem képez krátert a vastag légkör miatt (Földön 5-10 m) ●
●
●
Mona Lisa, 86 km Három közeli kráter, 37-65 km között
• Venyera-15 és -16 radar adatok • Északi pólus, Ishtar terra és a Maxwellhegység
Különös geológiai formációk „anemónák” „arachnoidák” „palacsinták” Mind vulkanikus eredetű, lágyabb kéreg miatt
Vulkanizmus • Egyre több bizonyíték jelenleg is aktív vulkanizmusra • Környezetnél forróbb hegyek • Kén-dioxid a felsőlégkörben csökkenést és növekedést is mértek • Vulkánkitörések vagy évtizedes folyamatok a felsőlégkörben?
Vénusz kutatása • Mariner program (Mariner-2,-5,-10) – 1962 Mariner-2: első megközelítés
• Venyera program (16) 1961-83 – leszállóegység – 1970 Venyera-7: landolt a bolygó felszínén
Feldolgozott képek Venyera-9
Venyera-13
Venyera-14
Venyera-13 Venyera-14
• 1978 Pioneer-Venus – légköri szondák – orbiter: légkör, felszín tanulmányozása 1992-ig
1985 VEGA (-1,-2 Halley-üstököshöz) – leszálló egységeket és ballonok • 1990-1994 Magellan űrszonda : – feltérképezés radar mérésekkel
• 2006- aktív: Venus Express (ESA) • 2010: Akacuki (JAXA) – Nem állt pályára talán 2015-ben
Vénusz története - feltevés • Föld év Vénusz hasonló CO2 és H2O készlettel indultak • Vénuszon – a víz zöme pára volt – Nap fényesedésével megszaladt az üvegházhatás – H2O oxidálja a forró felszíni kőzeteket → oxigén a kőzetekben megkötődik – H2 elszökik • Földön – ellenben a víz folyékony, – benne élet (kékalgák) → fotoszintézis CO2-ből a O2 felszabadul – C megkötődik a mészkőben • bizonyíték: D/H arány kb. százszor magasabb a földinél
Mars • • • • •
a = 1,52 AU e = 0,09 i = 2° R = 3394 km M = MFöld/10 ρátlag = 3.95 g/cm3
P = 687 nap forgás ~ Föld csillagnap 24h37m tengelyferdeség 24° évszakok ~ kétszer olyan hosszúak, mint a Földön • részleges magnetoszféra (remanens mágnesesség)
belül kis vasmag (15% sugár) vagy valamivel nagyobb FeS mag (25%)
Mars légköre • p = 6 -11 mbar évszakfüggő • T= −140 °C - +20 °C • Összetétel: – 95,3% CO2, 2,7% N2 – 1,6% Ar, 0,13% O2 – 0,07% CO, 0,03% H2O
• • • •
felhők erős szelek (néhány 10 km/h) ritka légkör (zenitben nappal is látni a csillagokat) porviharok: a legnagyobbak a déli féltekén kezdődnek nyáron szinte az egész bolygót elboríthatják
Mars légköre
Opportunity rover, a felszínről
Viking-1 orbiter
Mars Express VMC
Mars felszíne • sarki sapkák (téli félteken akár 40° szélességi fokig) • vörös és sötétebb területek időben változnak
→ gyakori anyagátrendeződés • változatos felszíni formák – – – – – –
kráterek szakadékok, csuszamlások lineáris képződmények csatornák vulkánok szél által kialakított formák
Sarki jégsapkák Észak: 1100 km széles, permanens vízjég 3 km vastagságig
É
●
telente ~1 m szárazjég hullik
D
●
Dél: permanens szárazjég is (~8 m), ~400 km
●
●
Légköri CO2 25-30%-a kifagy -> tavasszal hatalmas szelek, porviharok
● ● ●
Észak, télen
Észak, nyáron
Áradás nyomai (Mars Express) Folyóvölgyek és kráterek (Viking-1) Gleccserszerű képződmény (ME)
Dűnék – MRO/HiRISE
Dűnék – MRO/HiRISE
Dűnék és kőzetrétegek – MRO/HiRISE
Víz(?)mosás – MRO/HiRISE
Porördögök • •
•
10-20 km-re is felérhetnek Forró talajtól feláramló levegőoszlop Roverek napelemeit tisztítják MRO
Opportunity
Mars felszíne • kráterezettség → 3 fő rétegtani egység 3 korszak: Noachis (4,6 - 3,7 md): erősen kráterezett déli felföldek Hesperia (3,7 - 3,0 md): vulkáni hátságok Amazonis (3,0 md -): üledékek, erózió a víz, jég és szél hatására
Déli felföldek erózió (szél, víz, jég) → kráterek lepusztultabbak, mint a Holdon ősi becsapódási medencék: pl.: Argyre, Hellas
Vulkáni hátságok • Tharsis-hátság 3,8 md éves
• pajzsvulkánok kialakulása – vastag kéreg (250 km litoszféra) – nincs lemeztektonika → egy nagy stabil vulkán jön létre legnagyobb: Olympus Mons az ismert világ legmagasabb hegye, 26 ezer méter
• néhány millió évente ma is van aktivitás (kráterszámlálások, marsi meteoritok alapján)
Tharsis hátság: Ascraeus Mons
Pavonis Mons
Arsia Mons
Valles Marineris Tharsis Montes
Noctis Labyrinthus; Ius Chasma;
Melas Chasma;
Coprates Ch. Chyse Planitia
Valles Marineris • Hatalmas hasadékrendszer – >4000 km hosszú és 7 km mély
• Keletkezés: – Tharsis vulkánok miatt vastagodó kéreg – Súly hatására összetöredezés (Noctis L.), repedésekbe lesüllyedő rétegek – Tágulás: leomló völgyfalak, keleti felén a folyóvíz is szerepet kaphatott
Remanens mágneses tér Noachis korban működött a dinamó, volt magnetoszféra csíkszerű mintázat a mágneses térben → egy ideig lemeztektonika is működött? (~földi óceánaljzat)
Marsfelszíni ásványok • Marskőzetek: vulkáni és átalakult (metamorf) kőzetek, üledékek a víz hatására sokféle – hidratált szilikátok (agyagásványok ~ földi, Al helyett Fe) – vasoxid → vörös szín – eltakarja a szürkés bazaltot – karbonátok
• Marspor: szél, víz, becsapódások okozta erózió miatt
Víz a Marson • légkör víztartalma kicsi, de közel a telítettségi állapothoz → felszínnel vízcsere • felszínen szilárd állapotban (sarki sapkákban) közvetlen bizonyíték (2008 Phoenix) • feltételezett felszín alatti vízkészlet elmélet: késő Noachis / kora Hesperia időszakban az északi síkságot valószínűleg óceán borította bizonyítékok – ősi partvonal ma is látható – D/H a Marson ötszöröse a földinek → sok víz elszökött a légkörből → valaha több tized bar nyomású légkör volt, így lehetett folyékony víz
3.0-1.5 milliárd éve: • légköri gázokat pótló vulkanizmus csökken • kis g, napszél disszociálja a vizet → légkör egy része lassan elszökik más részét a felszíni kőzetanyag megköti • légkör lassan ritkul, hűl, a víz zöme megfagy: talajjég, (mára nagyon vastag 5–10 km — “krioszféra”), alatta talajvíz • időnkénti olvadások, vulkanizmus, becsapódások okozta alkalmi nagy áradások – friss vízfolyásnyomok
Élet a Marson? feltétel: folyékony víz, UV sugárzás elleni védelem és kémiai ellenállás 1996 Antarktiszon talált marsi meteoritban 4 md éves nanofosszíliák? okozhatják más folyamatok is
Dark Dune Spot - Mars Surface Organism (sötét dűnefolt - marsfelszíni organizmusok) hipotézis
Mars holdjai befogott aszteroidák kötött keringés • Phobosz (22 km), gyorsabban kering a Mars tengelyforgásánál, be fog csapódni
• Deimosz (12 km) pályája nő vastag porréteg
Mars kutatás • legtöbbet vizsgált bolygó • 60-as, 70-es évek: Mariner és Marsz programok: – 1965 Mariner-4, első elrepülés → kráterek – Marsz-3 leszállt, 20 másodpercig működött
• „marsi átok”: legnagyobb hibaszázalék '80-90-es években is vesztek oda: Fobosz-1, -2, Mars Observer, Polar Lander, Climate Orbiter...
• 1976 – első sikeres landolás: Viking-1 és -2
• 1997 Mars Pathfinder
• 2004 Mars Exploration Rover: Spirit, Opportunity
2008: Phoenix vízjég
Opportunity rover Mars körüli pályáról
• számos aktív űrszonda és rover: – Mars Express (első európai) – 2001 Mars Odyssey – Mars Reconnaissance Orbiter: nagy felbontású képek – Mars Exploration Rover: Opportunity (Spirit 2010-ig) – Curiosity (Mars Science Laboratory küldetés) • Nem sikerült: Fobosz-Grunt, Yinghuo-1 (2011)
• 2013: MAVEN (orbiter, NASA) – Légkör összetétele, anyagvesztés
• 2013: Mangalyaan (orbiter, India) – Technikai demonstráció, légkör, fotózás
• 2016: InSight (lander, NASA) – Szeizmométer; fúrás 5 m-ig, szenzorokkal
• ExoMars Mission (ESA/Oroszo./NASA) Exobology on Mars 2016: Trace Gas Orbiter – Metán és más gázok eredete
• 2018: ExoMars rover – Élet keresése – Emberes misszió közegben rejlő kockázata
• 2020: (MSL 2.0) (rover, NASA) – Nagy rover, talán mintatároló is a későbbi mintahozatalhoz
Mintahozatal • Minták robotokkal csak korlátozottan vizsgálhatóak • Mintahozatal bonyolult, sok hardvert igényel 2020-30-as évek
• Három-küldetéses terv: – Nagy mintagyűjtő és tároló rover – Kis rakodó rover, kis marsi rakéta levitele – Randevú a Mars körül a visszatérő szondával, leszállás a Földön
Felszíni képek
Viking
Pathfinder Opportunity
Spirit
Curiosity
Opportunity
Földszerű exobolygók • Gliese 581 bolygói • Gliese 667 Cc • HD85512b • Corot 7b • Kepler 10b
