Planetenstelsels

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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
4
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
Overzicht
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
5
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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)
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
6
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
...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
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
Interne structuur
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
8
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
9
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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.
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
10
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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)
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
11
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
12
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
13
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
15
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
16
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
17
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
19
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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...
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
21
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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)
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
ijskorst
150 km
965 km
1565 km
25
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
Oppervlakte
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
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
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Uit college 4, Kleine Objecten
Waarom is een planeet rond? (2)
•
We benaderen ρ(r) ≈ ρ̄
•
d.w.z., de dichtheid varieert niet veel: onsamendrukbaar materiaal
•
•
ok tot factor ~3 voor de aarde
We krijgen dan
dP
GM (r)
ρ̄
=−
dr
r2
•
met M (r) =
4 3
πr ρ̄
3
•
Hieruit volgt
dP
4
= − πG ρ̄2 r
dr
3
•
met de randvoorwaarde dat de druk op het oppervlak 0 is, P (Rp ) = 0
2
volgt als oplossing P (r) = πG ρ̄2 (Rp2 − r2 )
3
•
Planetenstelsels – 4. Kleine objecten (27 februari 2012)
28
definitie | banen | niet-graviationele krachten | planetoiden, KBOs, kometen | meteorieten | samenvatting
Uit college 4, Kleine Objecten
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 ρ̄2 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
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
30
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
31
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
32
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
Vulkanisme (2)
•
Verschillende soorten vulkanisme op aarde: subductiezone
Licancabur: Chileense Andes
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
33
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
Vulkanisme (3)
•
Verschillende soorten vulkanisme op aarde: ‘hot spots’
Hawai`i
Mauna Kea
Mauna Loa
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
34
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
35
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
36
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
Vulkanisme op andere planeten (2)
•
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
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
Vulkanisme op andere planeten (3)
•
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
38
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
39
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
40
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
41
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
42
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
43
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
44
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
Atmosfeer
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
45
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
47
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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.
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
48
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
49
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
Afbraak O3
O3+ O → 2O2
Koolfluorwaterstoffen werken
als katalysator bij deze
reactie.
50
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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!
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
51
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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.
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
52
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
54
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
55
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
56
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
Aurorae
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
57
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
Samenvatting
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
58
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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.
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
59
overzicht | interne structuur | oppervlak | atmosfeer | samenvatting
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?
Planetenstelsels – 6. Aard-achtige planeten (24 maart 2014)
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