Planetenstelsels 6. Aard-achtige planeten

Planetenstelsels 6. Aard-achtige planeten

24 maart 2014

Docent: Dr. Michiel Hogerheijde, [email protected] Assistenten: Ricardo Herbonnet, [email protected] Jens Hoeijmakers, [email protected]

Overzicht van het college datum

onderwerp

details

10 februari Inleiding

Historie; overzicht van het zonnestelsel; oorsprong van planetenstelsels; exoplaneten.

17 februari Baandynamica

De wetten van Newton en Kepler; eigenschappen van ellipsen; baanbeschrijving; baanbepaling; voorbij het 2-lichamen probleem.

24 februari Exoplaneten

Historie; Drake vergelijking; detectiemethoden: direct imaging, transits, radial velocity; eigenschappen van exoplaneten; detectie van ‘exo-aardes’

3 maart

Kleine objecten in Definitie van 'planeet'; baanbeweging en resonanties; asteroiden; zodiacaal het zonnestelsel stof; meteorieten; de Kuiper gordel; kometen; manen; ringen.

17 maart

Reuzenplaneten

Baanbeweging en rotatie; interne structuur; atmosfeer; magnetische velden; satellieten.

24 maart

Aard-achtige planeten

Baanbeweging en rotatie; interne structuur; oppervlakte processen en tectoniek; atmosfeer en broeikaseffect; magnetische velden; leven.

31 maart

Vorming van planetenstelsels

Nebular hypothesis; standaard model van stervorming; waarnemingen van protoplanetaire schijven; van stof to planeten; chronologie van het zonnestelsel.

Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)

2

Herhaling vorige week: Reuzenplaneten •

Het zonnestelsel telt 4 gasreuzen: Jupiter, Saturnus, Uranus, en Neptunus

•

In tegenstelling to aard-achtige planeten hebben deze geen vast oppervlak, maar gaat hun materiaal bij grotere diepte zonder scherpe overgang over van gas-vormig naar vloeibaar, en voor Jupiter & Saturnus uiteidenlijk naar metallisch waterstof

•

Jupiter & Saturnus bestaan uit een kern van rots & ijs, omgeven door een mengsel van metallisch waterstof en helium, en uiteindelijk gasvorming H en He

•

Uranus en Neptunus hebben, relatief, een veel grotere kern van rots en ijs, omgeven door een mantel van waterstof en helium

•

De atmosferen van de 4 gasreuzen zijn gedefineerd als de laag boven een druk niveau van 1 bar, waar zich diverse wolkenlagen bevinden.

•

Alle gasreuzen hebben uitgebreide systemen van manen en ringen •

De getijdenwerking van Jupiter heeft een belangrijke invloed op de banen en de inwendige structuur van de 4 Galileïsche manen. Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)

3

overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting

6. Aard-achtige planeten •

Overzicht

•

Interne structuur

•

Oppervlak

•

Atmosfeer

•

Samenvatting


4


Overzicht


5


Vier aard-achtige planeten •

Het zonnestelsel kent vier aard-achtige planeten: Mercurius, Venus, aarde, Mars

m

a

P

Rgemiddeld

dichtheid

albedo

Patm

(1023 kg)

(AU)

(dagen)

(km)

(g cm-3)

Mercurius

3.3

0.39

88.96

2440

5.4

0.11

5x10-15

Venus

48.7

0.72

223.14

6052

5.2

0.65

92

Aarde

59.7

1.00

365.25

6371

5.5

0.37

1

Mars

6.4

1.52

684.46

3390

3.9

0.15

0.0056

(bar)


6


...en vergelijkbare manen •

...en een aantal manen die niet veel verschillen van de aard-achtige planeten (bijv. R>1000 km) m

rs

(1020 kg) (103 km)

P

Rgemiddeld dichtheid

(dagen)

(km)

(g cm-3)

planeet

albedo

maan

735

384

27.3

1738

3.34

aarde

0.12

Io

893

422

1.8

1821

3.53

Jupiter

0.61

Europa

480

671

3.6

1565

3.02

Jupiter

0.64

Ganymedes

1482

1070

7.2

2634

1.94

Jupiter

0.42

Callisto

1076

1882

16.7

2403

1.85

Jupiter

0.20

Titan

1346

1222

15.9

2575

1.89

Saturnus

0.21

Triton

215

355

5.9

1353

2.05

Neptunus

0.7

• • • •

500 km < R < 1000 km: Saturnus: Tethys, Dione, Rhea, Iapetus Uranus: Ariel, Umbriel, Titania, Oberon Pluto: Charon Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)

7


Interne structuur


8


Zelfde benadering als voor reuzenplaneten •

Construeer een model dat de beschikbare waarnemingen reproduceert

•

massa, straal → gemiddelde dichtheid

•

afplatting, g(r) → ρ(r)

➡

elementaire samenstelling

•

wel of geen magnetisch veld: zone waar dynamo opgewekt kan worden

➡

aan- of afwezigheid van vloeibaar materiaal in binnendelen

•

interne warmtebron

➡

seismische informatie (aarde, maan, Mars)

➡

deze aspecten wijken in belangrijke mate af van de reuzenplaneten


9


Elementaire samenstelling •

aard-achtige planeten zijn, in vergelijking met de zon, rijk aan zware elementen en arm aan lichte elementen

•

te verklaren uit vormingsgeschiedenis •

objecten zijn op een gegeven moment heet geweest •

•

•

door voortdurende inslagen van rotsfragmenten

lichte elementen zijn ontsnapt, zware achtergebleven

elementaire samenstelling moet op deze manier op plausibele manier verkregen kunnen worden •

d.w.z. verhoudingen van elementen moet overeenstemmen met wat je verwacht gegeven condensatietemperatuur diverse mineralen waarin die elementen zich kunnen bevinden.


10


Vloeibare binnendelen •

•

af te leiden uit sporen op het oppervlak •

vulkanen

•

platentektoniek

•

recente herbedekking van het oppervlak = weinig inslagkraters

zoals we zullen zien, hangt de aan- of afwezigheid van een vloeibaar gedeelte in de inwendige structuur samen met •

samenstelling van elementen en mineralen

•

interne warmtebron(nen)


11


Seismische informatie •

Uit de propagatiesnelheid en breking van verschillende soorten seismische golven kan de interne dichtheidsstructuur en de vloeibaarheid van het inwendige van een planeet worden gereconstrueerd.

P S

P- en S-golven: Verschillen in propagatie door inwendige aarde → structuur


12


Interne sturctuur van de aarde (1)

• •

d.w.z. atomen bevinden zich in diverse kristalstructuren Basalt, graniet, e.d.: “peridotite”: Fe-Mg-rijke mineralen rijk aan licht materiaal Trage stroming van vast (!) materiaal (~cm/jaar) mogelijk inzoals Si en Al 2900 km

feer

•

enos

asth

Korst: continenten km • Vaste25–90 binnen-kern: ijzer/nikkel (4%) legering Scheidslijn mantel/korst: oceaan 6–11 km Mohorovičić (“Moho”) • Vloeibare buiten-kern (ijzer+nikkel, met wat lichtere elementen zoals S, K, lithosfeer O) 70-150 km discontinuïteit Vaste • Vaste mantel mantel

asthenosfeer (“asthenes”=zwak) •

Lithosfeer is rigide (“lithos”=rotsachtig) Vloeibare

Korst

kern

•

• •

Fe-Mg-rijke mineralen buitenkern

Meer Si-kmen Al- rijkere mineralen: lichter in gewicht 5154 Binnenste Scheidslijn mantle/korst: Mohorovičić (“Moho”) kern: vast

Fe-Ni met lichtere elementen zoals S, K, O

6371 km

Fe met 4% Ni


13


Interne sturctuur van de aarde (2) •

Vaste binnen-kern: ijzer/nikkel (4%) legering

•

Vloeibare buiten-kern (Fe+Ni, met wat lichtere elementen zoals S, K, O)

•

Vaste mantel

•

•

d.w.z. atomen bevinden zich in diverse kristalstructuren

•

“peridotite”: Fe-Mg-rijke mineralen

•

Trage stroming van vast (!) materiaal (~cm/jaar) mogelijk in asthenosfeer (“asthenes”=zwak)

•

Lithosfeer is rigide (“lithos”=rotsachtig)

Korst •

Meer Si- en Al- rijkere mineralen: lichter in gewicht

•

Scheidslijn mantle/korst: Mohorovičić (“Moho”)

•

Let op! Korst vs mantel ≠ lithosfeer vs asthenosfeer. Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)

14


Interne sturctuur van Mercurius, Venus, Mars, maan •

Mars, Venus, en aarde hebben een vergelijkbare interne structuur

•

Mercurius heeft een, relatief, veel grotere kern •

•

Hogere temperatuur tijdens vorming Mercurius kan geleid hebben tot een verarming aan lichte elementen typisch voor de mantel

De maan heeft juist een heel kleine kern •

aarde maan <2 %

16%

~42%

Mercurius

~12%

~9 %

Venus

Mars

Voornamelijk mantel


15


Is de maan ontstaan na een enorme inslag? •

De maan heeft juist een heel kleine kern •

Voornamelijk mantel materiaal

•

Gevormd uit materiaal aardmantel na enorme inslag in vroege geschiedenis zonnestelsel?

•

~100 Myr na vorming aarde


16


Interne sturctuur van Mercurius, Venus, Mars, maan •

Venus en de aarde hebben een vergelijkbaar dunne lithosfeer •

•

Mars heeft een iets dikker lithosfeer •

•

Verwacht platentektoniek in beide gevallen Venus: lithosfeer 50– 100 km

aarde: lithosfeer 100-150 km (continenten) 70-80 km (oceanen)

maan: lithosfeer 1000 km

Verwacht minder platentektoniek

de maan heeft een heel dikke lithosfeer •

hoe minder interne warmte het object nog heeft, des te dikker de lithosfeer

Mercurius

Mars: lithosfeer 200 km

korst lithosfeer asthenosfeer kern


17


Differentiatie: warmtebronnen (1) •

Materiaal binnen de planeten is gedifferentieerd: zwaardere elementen zijn naar centrum gezakt •

•

Dit vereist dat het materiaal vloeibaar is

Welke warmtebronnen zijn in staat het materiaal in de planeet vloeibaar te houden? •

•

Restwarmte van vorming •

Verwarming door inslagen tijdens en na vorming

•

Differentiatie van de nikkel/ijzer kern

Getijdenwerking •

Aarde: ~1 m in aardkorst

•

Verwaarloosbare bijdrage aan opwarming voor aarde

•

Dominate bijdrage voor Io, Europa Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)

-δg

δg

18


Getijden in het aarde-maan systeem (1) •

Gevolgen: eb & vloed

Intermezzo

•

•

•

δg t.g.v maan ≈ 2x δg t.g.v. zon

•

t.g.v. getijdenwerking maan & zon → springvloed

‘kneden’ van binnenste van de planeet •

ook vloeibaar (en vast) gesteente beweegt o.i.v. getijdenwerking


19


Getijden in het aarde-maan systeem (2) •

“kneden” van binnenste planeet (+ wrijving eb/vloed) •

kost energie

•

waar komt deze vandaan?

Intermezzo

•

•

uit rotatie van de aarde: aarde gaat steeds langzamer roteren(*) •

350 Myr geleden: 1 jaar = 400 dagen

•

nu: vertraging meetbaar met atoomklokken

zelfde effect ook voor maan, maar dan sterker •

rotatie van de maan is al volledig vertraagd

•

1 rotatieperiode = 1 omloopperiode •

geen vervorming meer van maan → geen energieverlies meer

(*) Behoud van hoekmoment: hoekmoment aardrotatie neemt af → hoekmoment maanbaan neemt toe: maan beweegt langzaam van de aarde af Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)

20


Getijden in het aarde-maan systeem (3) Maar: maan kan alleen exact dezeflde kant naar de aarde gericht houden als de baan een perfecte cirkel zou zijn

•

In werkelijkheid is de baan licht elliptisch

Intermezzo

•

•

Oriëntatie maan niet helemaal perfect naar de aarde: libratie

•

Getijdenwerking duwt & trekt aan de maan tijdens afwijking van perfecte orientatie •

•

Resultaat: baan van de maan wordt langzamerhand steeds meer cirkelvormig

Eindsituatie: rotatieperiode aarde = rotatieperiode maan = baanpreiode baan •

en daarna begint getijdenwerking van de zon er voor te zorgen dat de rotatieperiode van de aarde gelijk gaat worden aan de baanperiode van de aarde...


21


Differentiatie: warmtebronnen (2) •

Zelfs als we verhitting door de getijden meenemen, zou een planeet als de aarde zijn oorspronkelijke interne hitte in 20–40 Myr kwijtraken

•

Er moet dus nog een belangrijke bron van warmte zijn: •

Verval van radioactive elementen •

•

•

Belangrijkste elementen: Uranium-238 (halfwaarde tijd ~ 4.5 Gyr) en Thorium-232 (hlafwaarde tijd ~ 14 Gyr)

Vooral aanwezig in de aardkorst! •

Veel minder in de mantel

•

Nagenoeg afwezig in de kern

•

Vergelijkbaar met oorspronkelijke warmte over van vorming

Andere planeten: ook van belang voor Venus, Mars, niet voor Mercurius (veel grotere kern) Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)

22


Transport van warmte (1) •

•

Geleiding •

Domineert in de vaste korst

•

Niet erg efficiënt!

Convectie: belangrijk in de asthenosfeer continentale korst

subductie zone

spreidingszone

oceaan korst

oceaan korst

lithosfeer

n ma tel

asthenosfeer

rn

ke Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)

23


Transport van warmte (2) •

Advectie •

•

=transport van gesmolten materiaal (magma) naar oppervlak

Platentektoniek: ~50–100 mm/jaar •

Subductie: koud materiaal uit lithosfeer terug naar asthenosfeer

•

Spreidingszone: warm materiaal asthenosfeer naar oppervlak spreidingszone

litho

subductie zone

r sfee

litho s

feer

kern Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24asthenosfeer maart 2014)

24


Interne structuur Io en Europa •

Verwarming door getijdenwerking Jupiter •

Vloeibare oceaan onder dikke ijslaag op Europa

•

Nagenoeg gesmolten asthenosfeer in Io •

kneden door getijden 100x belangrijker dan radioactief verval

Io

dunne, vloeibare laag magma?

Europa

dunne lithosfeer ijslaag; asthenosfeer met vloeibaar? sterke convectie, bijna gesmolten? mantel: silicaten vaste lagere mantel

mantel: silicaten

gesmolten? kern (rijk aan Fe en Si) 1821 km

gesmolten? kern (rijk aan Fe)


ijskorst 150 km

965 km

1565 km

25


Oppervlakte


26

definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting

Waarom is een planeet rond? (1)

Uit college 4, Kleine Objecten

•

Hydrostatisch evenwicht: zwaartekracht & opwaartse druk houden elkaar in evenwicht Fg +

dP δr = 0 dr

waarbij

Fg =

P (r + δr)

δr G M (r) δm G M (r) Aρ δr = r2 r2

Fg

P (r)

met dichtheid ρ(r) en ingesloten massa ! r M (r) ≡ ρ(r! ) 4πr!2 dr! 0

•

Hieruit volgt

dP GM (r) ρ(r) =− dr r2

Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (27 februari 2012)

27



Waarom is een planeet rond? (2) •

We benaderen ρ(r) ≈ ρ¯

•

d.w.z., de dichtheid varieert niet veel: onsamendrukbaar materiaal •

•

ok tot factor ~3 voor de aarde

We krijgen dan

dP GM (r) ρ¯ =− dr r2 •

met M (r) =

4 3 πr ρ¯ 3

•

Hieruit volgt

dP 4 = − πG ρ¯2 r dr 3

•

met de randvoorwaarde dat de druk op het oppervlak 0 is, P (Rp ) = 0 2 volgt als oplossing P (r) = πG ρ¯2 (Rp2 − r2 ) 3

•

Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (27 februari 2012)

28



Waarom is een planeet rond? (3) •

In het centrum van de aarde vinden we dan (Rp=R⊕, ρ=5000 kg m-3) 2 2 P (0) = πG ρ¯2 R⊕ = 1.7 × 1011 N m−2 3

•

Rots wordt vloeibaar bij een druk van ~109 Nm-2 •

d.w.z. op een diepte van ~25 km voor Rp=R⊕

•

(exact: ~50-100 km, de dikte van de aardkorst)

•

→ een planeet zoals de aarde is gevuld met vloeibaar gesteente, dat de vorm aanneemt van de laagste potentiële energie. Voor een ronde vorm, bevindt het materiaal zich het dichst bij het cetrum → daarom zijn planeten rond

•

De kritische waarde van ~109 Nm-2 wordt bereikt voor objecten vanaf ~500 km in straal als we een gemiddelde dichtheid van 5000 kg m-3 aannamen. Ceres heeft een straal van 475 km. Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (27 februari 2012)

29


Maximaal verticaal reliëf •

Met dezelfde redenering kunnen we ook de maximale hoogte van een berg afleiden • •

De druk op de bodem t.g.v. een berg met hoogte h moet minder zijn dan de kritische waarde waarbij rots gaat stromen. Druk = kracht / oppervlak GMp ρAh GMp mberg = • Kracht Fg = 2 Rp Rp2 •

Fg GMp ρh = Druk P = A Rp2

•

Gelijkstellen aan kritische druk geeft hmax =

•

Aarde: ~25 km. Mauna Loa ~ 10 km.

•

Mars: ~100 km. Olympus Mons ~ 25 km.

ρ

h A Mp

Rp

Pcrit Rp2 GMp ρ


30


Platentektoniek •

Het oppervlak van de aarde is jong •

Continentale korst is iets lichter dan oceaankorst, en drijft hoger

•

Oceaankorst is het jongst, 200 Myr jaar

•

(Delen van) continenten zijn ouder, tot 3.7 Gyr


31


Vulkanisme (1) •

Platentektoniek en vulkanisme zijn allebei gevolgen van gebrekkig warmtetransport in de lithosfeer t.o.v. de asthenosfeer.

•

Verschillende soorten vulkanisme op aarde: spreidingszone Mid-atlantische spreidingszone

IJsland: Surtsey Mount Kilimanjaro: Oostafrikaanse rift


32


Vulkanisme (2) •

Verschillende soorten vulkanisme op aarde: subductiezone

Licancabur: Chileense Andes


33


Vulkanisme (3) •

Verschillende soorten vulkanisme op aarde: ‘hot spots’ Hawai`i Mauna Kea

Mauna Loa


34


Factoren die vulkanisme beïnvloeden •

Zwaartekracht •

Hoe sterker de zwaartekracht, hoe sneller magma naar de oppervlakte stijgt: wet van Archimedes

•

Hoe sterker de zwaartekracht, hoe verder magma kan uitstromen

•

Dichtheid van de atmosfeer •

•

Hoe lager de dichtheid, hoe hoger de vulkanische as- en rookpluim

Temperatuur van het oppervlak en de atmosfeer •

Hoe hoger de temperatuur, hoe langzamer lava afkoelt (en hoe verder het dus kan stromen


35


Vulkanisme op andere planeten (1) •

Mercurius •

•

•

Verspreide aanwijzingen voor vulkanisme in het verleden

Mogelijke uitgedoofde vulkaan op Mercurius

Venus •

Vulkanen aanwezig maar mogelijk uitgedoofd

•

Oppervlak ~500 Myr oud: hele oppervlak vernieuwd

•

Geen platentektoniek

Aarde •

70% oppervlak bedekt met basalt <200 Myr oud (oceanen)

•

veel actieve vulkanen

•

enige planeet met (actieve) platentektoniek

Lavastromen op Venus


36



Mars •

Olympus Mons: grootste vulkaan in het zonnestelsel (100x volume Mauna Loa)

•

Laatste vulkanisme 1 Gyr - paar honderd Myr geleden (onzeker)

Hawai’i op dezelfde schaal

Olympus Mons Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)

37



maan •

•

Mare bassins: basalt 3.8-3.2 Gyr oud, sommige 0.8-1.0 Gyr

Io •

Meest vulcanisch actieve object in zonnestelsel

•

Surface heat flow ~30x aarde! Bedekken 5% oppervlak van Io

•

Advectie is voornaamste transport mechanism: geen tectoniek


38


Cryovulkanisme •

Op sommige manen komt het analoge proces voor met “ijs” i.p.v. “rots” •

Bijvoorbeeld: •

Tektoniek van ijsplaten op Europa

•

Cryovulkanen op Enceladus en Triton •

en aanwijzingen daarvan op Ariel en Miranda Enceladus


39


Inslagkraters (1) •

Inslagen van meteorieten dragen in belangrijke mate bij aan de (ver-) vorming van het oppervlak van planeten •

Ogenschijnlijk kleine invloed op aarde: erosie, vulkanisme, en platentektoniek hebben veel sporen uitgewist


40


Inslagkraters (2) •

micrometeorieten: verpulveren langzaam oppervlak van objecten zonder atmosfeer

•

objecten tot ~10–20 m worden door de aardatmosfeer volledig afgeremd en belanden via een vrije val op oppervlak, met snelheden van een paar honderd m s-1 •

•

objecten groter dan 20 m komen met snelheden van enkele tot tientallen km s-1 neer •

•

vorming van slechts kleine inslagkrater

vorming van een grote inslagkrater

op planeten zonder of met slechts een dunne atmosfeer (Mars) slaan alle meteorieten in met hoge snelheid


41


Kraters als chronometers (1) •

Hoe ouder een oppervlak, hoe meer kraters •

Pas sinds jaren 1960 is onomstotelijk bewezen dat inslagkraters het gevolg zijn van meteorieten en niet van bijv. vulkanisme •

•

Vereiste laboratorium proeven van inslagen op materiaal met hoge snelheid

Hoe jonger een oppervlak hoe minder inslagkraters


42


Kraters als chronometers •

Aantal inslagen neemt af sinds de vorming van het zonnestelsel •

want er zijn steeds minder meteorieten

•

‘late heavy bombradement’, ~3.9 Gyr geleden •

•

vorming van mare basins op de maan

Calibreer aantal inslagen als functie van tijd via datering van oppervlakte maan •

Gebruik deze nu om oppervlakte Mars, Mercurius, e.d. te dateren

•

Kan alleen bij benadering: frequentie van inslagen verschillend voor de verschillende planeten in het zonnestelsel


43


Andere oppervlakte processen •

“Fluviale” processen •

D.w.z. erosie en modificatie door stroming van materiaal •

•

bijv. (tijdelijke) rivieren op Mars na smelten van ondergronds ijs

“Aeolische” processen •

D.w.z. erosie en modificatie door bewegingen in de atmosfeer •

bijv. duinen op Mars


44


Atmosfeer


45


Samenstelling

Geoxideerde atmosferen

•

Samenstelling van de atmosferen van de planeten Venus, aarde, Mars; en de maan Titan

N2 O2 CO2 CH4 H2O Ar H2

Venus 0.035 0–20 ppm 0.965 50 ppm 70 ppm ?

aarde 0.78 0.21 354 ppm 3 ppm <0.03* 0.009 0.5 ppm

Mars 0.027 0.13 ppm 0.953 <100 ppm* 0.016 10 ppm

Titan 0.90-0.97 10 ppb 0.005–0.04 0.4 ppb 0–0.06? 0.002

•

*=variabel

•

Mercurius, maan, Europa, Callisto, Ganymedes: alleen een exosfeer t.g.v. inslagen micrometeorieten en interactie met zonnewind

•

Io: heel dunne atmosfeer van voornamelijk SO2 t.g.v. vulkanisme en sublimatie

•

Pluto, Triton: heel dunne atmosfeer t.g.v. sublimerend ijs en geisers (voornamelijk N2) Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)

46


Oorsprong •

De atmosfeer van de reuzenplaneten is afkomstig uit hetzelfe gas waaruit de planeet zelf is gevormd •

•

Voornamelijk H2 en He

De aard-achtige planeten zijn te licht om de overeenkomstige hoeveelheid waterstof + helium atmosfeer vast te houden •

Huidige atmosferen zijn afkomstig van uitgassing van vulkanen

•

Met een mogelijke bijdrage van materiaal afkomstig van inslagen van kometen


47


Behoud •

Bij een gegeven temperatuur volgen de deeltjes een zg. Maxwell-verdeling met snelheden ! " 2 m #3/2 2 − mv2 v e 2kT • fractie deeltjes met snelheid v: f (v) = π kT •

•

(dit is de definitie van ‘kinetische’ temperatuur!)

In zo’n verdeling zal altijd een kleine fractie van de deeltjes een snelheid groter dan de ontsnappingsnelheid hebben, v>vesc " # 2 m $3/2 2 − mv2 v e 2kT dv p(> vesc ) = π kT vesc !

∞

vesc =

!

2GMp Rp

•

Hangt af van de massa van de deeltjes

•

Vandaar dat de aardachtige planeten hun H+He atmosfeer kwijt zijn.


48


Vertikale structuur •

Verwarming op h=0 door absorptie van zonlicht door het vaste oppervlak + een bijdrage van de interne warmte •

•

Ter vergelijking: bij reuzenplaneten domineert de interne warmte

Verwarming in thermosfeer door dissociatie/ionisatie moleculen door ultraviolet zonlicht

Venus

aarde thermosfeer

Mars mesosfeer

stratosfeer

troposfeer


49


Stratosfeer en O3 •

•

ozon, O3

•

Chapman reactie-schema •

•

O2 + foton → O+O

O2 + O + M → O3

absorptie van UV door ozon verwarmt de stratosfeer

uniek voor de aarde

Vorming O3

Extra term verwarming in aardatmosfeer

O3+ foton → O2+O


Afbraak O3

O3+ O → 2O2

Koolfluorwaterstoffen werken als katalysator bij deze reactie.

50


Broeikas effect (1) •

•

•

Vergelijk de verwachte evenwichtstemperaturen ! L 1 − A "1/4 ! Te = Teff = 2 a 16πσ Venus

aarde

Mars

A=0.65

A=0.37

A=0.15

254 K

250 K

218 K

met de waargenomen oppervlaktetemperaturen Venus

aarde

Mars

733 K

288 K

215 K

(Transport van) interne warmte onvoldoende om verschil te verklaren •

Broeikas effect!


51


Broeikas effect (2) •

CO2 en H2O hebben sterke absorptie op golflengtes tussen 5 en 50 µm

•

Blackbody met een effectieve temperatuur van 288 K heeft een piek bij λmax=2900 µm/T=10 µm (wet van Wien)

•

→ oppervlak en lage atmosfeer kunnen niet goed afkoelen.


52


Waarom zijn aarde, Venus, en Mars zo verschillend? •

Aarde • Kleine hoeveelheden CO2 en H2O in atmosfeer • Meeste water in oceanen • Meeste CO2 opgeslagen in kalksteen als CaCO3 of CaMg(CO3)2

•

Venus • Net te warm voor oceanen: nooit H2O gehad, of • H2O bleef in atmosfeer • en ontsnapte vervolgens of dissocieerde • CO2 blijft in atmosfeer • → runaway broeikas effect

•

Mars • Veel kleinere massa • Meeste van de atmosfeer (en vroegere oceanen!) ontsnapt • Nagenoeg geen broeikaseffect over Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)

53


Bewegingen in de atmosfeer (1) •

Verticale convectie in de atmosfeer en warmtetransport van de evenaar naar de polen zorgen geven samen aanleiding tot zg. Hadley cellen •

•

~3 per halfrond op aarde

De Coriolis kracht geeft de Hadley cellen een spiraalvorm •

jet stream


54


Bewegingen in de atmosfeer (2) •

Venus: veel langzamere rotatie → heel ander patroon, deels onverklaard

•

Mars: vergelijkbaar partoon als aarde, maar dunnere atmosfeer zorgt voor een minder efficient warmtetransport van evenaar naar pool → grotere temperatuursverschillen tussen dag & nacht (~50 K verschil) en tussen evenaar en pool (resp. 240 en 150 K = 90 K verschil)

Mars: poolkap van CO2 verdampt op halfrond waar het zomer is, en condenseert uit waar het winter is

zonlicht

condensatie


55


Ionosfeer en magnetosfeer Wel magneetvelden: Mercurius, aarde, Io?, Europa, Callisto, Ganymedes

•

Zwakke, fossiele magneetvelden: Mars, maan

•

Geen magneetvelden: Venus

•

Magnetosfeer aarde

•

•

Van Allen gordels

•

Aurorae

se

pau

neto mag

boe

gsc hok

•

Van Allen gordels

zonnewind

Bovenste laag aardatmosfeer •

Ionen: ionosfeer

•

Weerkaatst deel radiospectrum: korte golf radio zenders •

Storende invloed voor radiotelescopen


56


Aurorae


57


Samenvatting


58


Samenvatting •

Aardachtige planeten hebben een interne structuur bestaande uit een vaste binnenkern, een vloeibare buitenkern, een mantel waarin langzame stroming mogelijk is (asthenosfeer) en een rigide buitenlaag (lithosfeer), en uiteindelijk een vaste korst.

•

Radioactief verval, vormingswarmte, en getijdenwerking kunnen belangrijke bronnen van interne warmte zijn.

•

De aarde is uniek met een actieve platentektoniek en vulkanisme, maar ook andere aardachtige planeten vertonen (sporen van) vulkanische activiteit.

•

Aardachtige planeten hebben over het algemeen een geoxideerde atmosfeer, waarin alleen de zwaardere moleculen vastgehouden kunnen blijven.

•

Het broeikaseffect en de aan- of afwezigheid van een oceaan heeft een radicaal verschillende atmosfeer opgeleverd voor resp. Venus, aarde, en Mars.


59


Vragen •

Schets de interne structuur van de aarde, en vergelijk deze met die van Venus en Mars.

•

Wat is/zijn de dominante bron(nen) van interne warmte voor de aarde?

•

Ondanks het feit dat de oorspronkelijke atmosferische samenstelling en de massa van de aarde en Venus vergelijkbaar zijn, is de atmosfeer van Venus veel dichter en het broeikaseffect veel sterker. Verklaar.

•

Welke atmosferische laag is uniek voor de aarde? Leg uit.

•

Vergelijk het vulkanisme op aarde met dat op de maan Io. Bespreek hierbij de bron van de interne warmte en de verdeling van de vulkanen over het oppervlak.

•

Vergelijk de dichtheid en interne structuur van de aarde en de maan. Wat is de mogelijke verklaring voor de verschillen en de overeenkomsten?


60

Volgende week (maandag 31 maart): 7. Vorming van planetenstelsels Vanmiddag, 15:45-17:30 Werkcollege in de computerzalen 3e+4e verdieping Huygens Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)

61

Planetenstelsels 6. Aard-achtige planeten

Recommend Documents