DAS PLANETENSYSTEM. Astronomie für Nicht-Physiker: Fendt/Fohlmeister/Just

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1 DAS PLANETENSYSTEM 1

2 Partielle Mondfinsternis vom 25. April 2013 Uwe 2

3 VORLESUNGSPLAN Astronomie heute (Just, Fendt) Sonne, Erde, Mond (Fohlmeister) 2.5. Das Planetensytem (Fohlmeister) Teleskope, Bilder, Daten (Fendt) Geschichte der Astronomie (Just) 6.6. Sterne - Zustandsgrößen (Fendt) Sterne - Entwicklung (Fendt) Die Milchstraße (Just) Astrochemie und Leben (Fendt) 4.7.Galaxien (Just) Aktive Galaxien, Quasare und Schwarze Löcher (Fendt) Urknall und Expansion des Universums (Just) Weltmodelle (Just) 1.8. Besuch MPIA/LSW und HdA (Fendt) 3

4 INHALT Das Planetensystem Keplergesetze, Planetenbahnen Planeten: Definition & Entstehung Gesteinsplaneten: Merkur, Venus, Erde, Mars Gasplaneten: Jupiter bis Neptun Zwergplaneten, Asteroiden, Kometen 4

5 Maßstab: 1 cm 3000 km => Entfernungen der Planeten von der Sonne (Uniplatz): Merkur ~200m (Peterskirche) Venus ~400m (Neckar, Alte Brücke) Erde ~500m (Schloß Heidelberg) Mars ~800m (Philosophenweg) Jupiter ~3km (Heidelberg Hauptbahnhof) Saturn ~5 km (Bierhelder Hof) Uranus ~10 km (Schriesheim) Neptun ~16 km (Weinheim)

6 Johannes Kepler KEPLERGESETZE ( dt. Mathematiker, Naturphilosoph und Astronom Hofmathematiker in Prag, Assistent von Tycho Brahe, anhand dessen Beobachtungen er Gesetze der Planetenbewegung aufstellte sah heliozentrisches Weltbild als Tatsache 6

7 KEPLERGESETZE Gelten für alle Bahnen um die Sonne (Planeten, Kometen, Asteroiden..) und für Monde um Planeten 1. Kepler-Gesetz Die Planeten bewegen sich auf elliptischen Bahnen, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht. 2. Kepler-Gesetz Ein von der Sonne zum Planeten gezogener "Fahrstrahl" überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen. 3. Kepler-Gesetz Die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten verhalten sich wie die dritten Potenzen (Kuben) der großen Bahnhalbachsen (= mittlerer Abstand zur Sonne). 7

8 8

9 PLANETENBAHNEN Bewegungen am Himmel Innere Planeten überholen Erde in Konjunktion Erde überholt äußere Planeten in Opposition Schleifenbahn am Himmel siderische Umlaufzeit: Bezugssystem Sternenhimmel synodische Umlaufzeit: wiedererreichen gleicher Elongation (Opposition-Opposition oder Konjunktion-Konjunktion) innere Planeten: siderische > synodische Umlaufzeit äußere Planeten: siderische < synodische Umlaufzeit 9

10 LIBRATION DES MONDES Mond umkreist die Erde Abstand zur Erde km siderischer Umlauf = Rotationsdauer: 27 d 7 h 43 m 11.5 s oder ca. 27 ⅓ Tage synodischer Umlauf: Vollmond zu Vollmond: 29 d 12 h 44 m 2.8 s oder ca. 29 ½ Tage Mond umrundet Erde in 27,3 Tagen und rotiert 1x in gleicher Zeit (abgrebremst durch Rotationskräfte) wikimedia da elliptische Bahn (Umlaufgeschwindigkeit mal schneller, mal langsamer), Rotationsgeschwindigkeit aber konstant, mal mehr von Seiten sichtbar durch Schräge der Bahn zur Ekliptik, mal mehr nördlicher Bereich, mal mehr südlicher Bereich sichtbar 60% der Oberfläche sichtbar 10

11 Titius-Bode-Reihe PLANETENSYSTEM empirisch gefundene einfache Formel, aus der sich Abstände der Planeten näherungsweise herleiten lassen a=(3 2 n +4)/10 AE, n=-,0,1,2,3,... Planet n Abstand nach T-B Wirklicher Abstand Abweichung Merkur 0,4 0,39 + 2,56 % Venus 0 0,7 0,72 2,78 % Erde 1 1,0 1,00 0,00 % Mars 2 1,6 1,52 + 5,26 % (Ceres) 3 2,8 (2,77) (+ 1,08 %) Jupiter 4 5,2 5,20 0,00 % Saturn 5 10,0 9,54 + 4,82 % Uranus 6 19,6 19,19 + 2,14 % Neptun 30,06 (Pluto) 7 38,8 (39,48) ( 1,72 %) (Eris) 8 77,2 (67,7) (+ 14,0 %) Johann Daniel Titius ( ) Johann Elert Bode ( ) 11

12 INHALT Das Planetensystem Keplergesetze, Planetenbahnen Planeten: Definition & Entstehung Gesteinsplaneten: Merkur, Venus, Erde, Mars Gasplaneten: Jupiter bis Neptun Zwergplaneten, Asteroiden, Kometen 12

13 PLANET - ENTSTEHUNG Gemini Observatory/ AURA/ Lynette Cook Kommt es zum Kollaps einer präsolaren Gas/Staubwolke, bildet sich durch die Erhaltung des Drehimpulses eine protoplanetare Gas- und Staubscheibe, in der die Planeten entstehen. 13

14 PLANET - DEFINITION Ein Himmelskörper ist ein Planet, wenn 1) er sich auf einer Umlaufbahn um einen Zentralstern bewegt 2) die Masse groß genug ist, dass er sich im hydrostatischen Gleichgewicht befindet (Eigengravitation stark genug für annähernd runde Form) 3) er die Umgebung seiner Bahn durch sein Gravitationsfeld von weiteren Objekten bereinigt hat Internationale Astronomische Union (IAU), August 2006 Zwergplaneten: erfüllen 1) und 2), aber nicht 3) und sind keine Monde z.b. Ceres, Pluto, Haumea, Makemake, Eris Eris: massereichster bekannter Zwergplanet im Sonnensystem (1, kg) mit Mond Dysnomia (250km) (Hubble Aufnahme) 14

15 INHALT Das Planetensystem Keplergesetze, Planetenbahnen Planeten: Definition & Entstehung Gesteinsplaneten: Merkur, Venus, Erde, Mars Gasplaneten: Jupiter bis Neptun Zwergplaneten, Asteroiden, Kometen 15

16 MERKUR Große Halbachse 0,3871 AE (57,909 Mio. km) Perihel Aphel 0,307 0,467 AE Exzentrizität 0,2056 Neigung der Bahnebene 7,00 Siderische Umlaufzeit =Merkurjahr Synodische Umlaufzeit (Konjunktionen) Mittlere Orbitalgeschwindigkeit Kleinster größter Erdabstand 87,969 d 115,88 d 47,87 km/s 0,517 1,483 AE schnellser Planet größte Exzentrizität der Bahn Gelegentlich in der Morgen- oder Abenddämmerung sichtbar Bilder und Tabellen zu Planeten von Wikipedia 16

17 MERKUR Äquator- Poldurchmesser * Masse 4.879, ,4 km 3, kg Mittlere Dichte 5,427 g/cm 3 Fallbeschleunigung * 3,7 m/s 2 =0.38g Rotationsperiode 58 d 15 h 36 min Neigung der Rotationsachse 0,01 Geometrische Albedo 0,106 kleinster und sonnennächster Planet 3 Merkurtage = 2 Merkurjahre nächster Transit 9. Mai 2016 Max. scheinbare Helligkeit 1,9 m 17

18 MERKURMISSIONEN größte Temperaturschwankungen aller Planeten von -170 bis 430 C Rosettenbahn durch gravitativen Einfluß der anderen Planeten keine Atmosphäre (dünner als Laborvakuum) hat großen Eisen-Nickel-Kern, Planet mit Magnetfeld (aber nur 1%) starke Ähnlichkeit mit Erdmond Mariner 10 (NASA, ) Messenger (NASA) ( ) 3 Merkurvorbeiflüge (2008,2009) Umlaufbahn um Merkur seit

19 19

20 VENUS Morgen- und Abendstern Hellstes, sternartiges Objekt am Himmel: 4,6 m Durchmesser, Masse vergleichbar mit Erde Venustag: 243 d 27 min Atmosphärendruck 92bar 96,5% CO 2 (Treibhauseffekt) Temperatur: 464 C (links: Radarkarte, oben: natürliche Farben) 20

21 VENUS Große Halbachse Perihel Aphel 0,723 AE (108,16 Mio. km) 0,718 0,728 AE Exzentrizität 0,0068 Neigung der Bahnebene 3,395 Siderische Umlaufzeit Synodische Umlaufzeit Mittlere Orbitalgeschwindigkeit Kleinster größter Erdabstand 224,701 d 583,92 d 35,02 km/s 0,256 1,744 AE nächster Nachbar der Erde (oben: Venusphasen ) geringste Exzentrizität sehr langsame, retrograde Rotation (1 Venustag= 117 Erdtage) (Zusammenstoß mit Asteroiden?) keine Jahreszeiten wegen geringer Neigung der Bahnachse 21

22 VENUSMISSIONEN Weiche Landungen: Venera 9 (1975) Venera 10 (1975) Venera 13 (1981) Venera 14 (1981) Korrigiertes Bild 22

23 VENUSMISSIONEN Radarkarte: Magellan ( ) Aufbau, Dichte, Größe ähnlich wie Erde, aber andere Oberflächenstruktur (Krater > 2km) und Atmosphäre (50mal dichter als Erde; hauptsächlich Kohlendioxid, Stickstoff, Schwefeldioxid) Druck am Boden entspricht 900m Meerestiefe Wolkendecke: hauptsächlich Tropfen aus Schwefelsäure (aus Vulkanen), rotiert mit 360km/h in 4(!) Tagen einmal um Planeten (durch Aufheizung von Sonne) Kern: Eisen-Nickel wie Erde, aber durch langsame Rotation kein Dynamo-Effekt, kein Magnetfeld 23

24 VENUSMISSIONEN Magellan Links: Schildvulkan (8km hoch, höchster Berg) Unten: Meteoritenkrater Infrarot-Aufnahme von 10 bis 16 km tiefen Wolkenschichten auf der Nachtseite der Venus durch die Sonde Galileo 24

25 VENUS Innerer Aufbau Kruste Mantel Kern Venus-Transite treten fast immer gepaart im Abstand von 8 Jahren ungefähr alle 120 Jahre auf: 8. Juni 2004 & 6. Juni & &

26 ERDE Einziger Planet mit (viel) Wasser Große Halbachse Perihel Aphel 1 AE (149,6 Mio. km) 0,983 1,017 AE Exzentrizität 0,0167 Neigung der Bahnebene 0 Siderische Umlaufzeit 365,256 d Mittlere Orbitalgeschwindigkeit 29,78 km/s Die Erde, aufgenommen von Apollo 17 am 7. Dez

27 Äquator ,32 Poldurchmesser * ,55 [2] km ERDE Masse 5, kg Mittlere Dichte 5,515 g/cm 3 Fallbeschleunigung * 9,80665 m/s 2 Fluchtgeschwindigkeit Rotationsperiode Neigung der Rotationsachse 11,186 km/s 23 h 56 min 4,1 s 23,44 Geometrische Albedo 0,367 Eigenschaften der Atmosphäre Druck * Temperatur * Min. Mittel Max. 1,014 [1] bar 184 K ( 89 C) 288 K (+15 C) 331 K (+58 C) 27

28 MARS Große Halbachse Perihel Aphel 1,524 AE (227,99 Mio. km) 1,381 1,666 AE Exzentrizität 0,0935 Neigung der Bahnebene Siderische Umlaufzeit 1, ,980 d Synodische Umlaufzeit Mittlere Orbitalgeschwindigkeit Kleinster größter Erdabstand 779,94 d 24,13 km/s 0,372 2,683 AE (natürliche Farben) Roter Planet wegen Eisenoxid-Staub Marsjahr ~ 2 Erdjahre 4 Asteroiden Mars-Trojaner teilen sich Umlaufbahn (Eureka 2km) 28

29 Physikalische Eigenschaften [1] Äquator- Poldurchmesser * 6.792, ,4 km Masse 6, kg Mittlere Dichte 3,933 g/cm 3 Fallbeschleunigung * 3,69 m/s 2 MARS Fluchtgeschwindigkeit Rotationsperiode Neigung der Rotationsachse 5,03 km/s 24 h 37 min 22 s 25,19 Geometrische Albedo 0,15 Max. scheinbare Helligkeit 2,91 m Eigenschaften der Atmosphäre Druck * Temperatur * Min. Mittel Max bar 140 K ( 133 C) 218 K ( 55 C) 300 K (+27 C) [ etwa halb so groß wie Erde, doppelte Größe Erdmond Marstag ~ Erdtag wegen Neigung auch Jahreszeiten sehr dünne Atmosphäre aus 95% Kohlendioxid (schlechter Wärmespeicher), ursprüngliche Atmosphäre vermutlich von Sonnenwind fortgerissen niedriger Druck: Wasser nur in fester Form 29

30 MARS Marsgesicht (Viking, 1976) Mars Express, Stereokamera, ESA, 2006 Schildvulkan Olympus Mons, 21 km hoch, 600 km Ø, größter im Sonnensystem 30

31 MARS Valles Marineris: größter Canyon im Sonnensystem, 4000km lang, 700 km breit, 7km tief, tektonischer, Milliarden Jahre alter Bruch Täler, Viking Orbiter 31

32 MARS Polkappen bestehen aus Kohlendioxideis und Wassereis Jahreszeiten sind in der südlichen Hemisphäre viel deutlicher ausgeprägt sind als in der nördlichen wegen höherer Bahnexzentrizität (Mars näher an der Sonne im Südsommer) Südpol <->Nordpol 32

33 Google Mars 33

34 MARSMONDE zwei kleine Monde, 1877 von Asaph Hall entdeckt Phobos (Durchmesser 26,8 22,4 18,4 km) und Deimos (Durchmesser 15,0 12,2 10,4 km) sind zwei unregelmäßig geformte Felsbrocken Namen griechisch für Furcht und Schrecken wahrscheinlich eingefangene Asteroiden Deimos Phobos 34

35 MARSMISSIONEN Opportunity: Landung 7. Juli 2003, arbeitet wieder Spirit: Landung Jan 4, 2004, keine Antwort seit Nachrichten: shtml Weg des Mars Rover Spirit Weg des Mars Rover Opportunity 35

36 SONNENUNTERGANG AM GUSEVKRATER (SPIRIT) 36

37 MARSMISSIONEN Wassereis gefunden (Grundlage für Leben?) 37

38 38

39 MARSMISSIONEN Mars:2020:Springtime 39

40 INHALT Das Planetensystem Keplergesetze, Planetenbahnen Planeten: Definition & Entstehung Gesteinsplaneten: Merkur, Venus, Erde, Mars Gasplaneten: Jupiter bis Neptun Zwergplaneten, Asteroiden, Kometen 40

41 DAS PLANETENSYSTEM 41

42 42

43 JUPITER Große Halbachse Perihel Aphel 5,203 AE (778,36 Mio. km) 4,95 5,46 AE Exzentrizität 0,0484 Neigung der Bahnebene Siderische Umlaufzeit Synodische Umlaufzeit Mittlere Orbitalgeschwindigkeit Kleinster größter Erdabstand 1,305 11,86 Jahre 398,88 Tage 13,07 km/s 3,934 6,471 AE Jupiter in natürlichen Farben mit Schatten des Mondes Europa, aus Fotos der Telekamera der Raumsonde Cassini vom 7. Dezember 2000 wegen geringer Bahnneigung keine Jahreszeiten 43

44 JUPITER geringe Dichte (1,39 g/cm 3 ) Gestein-Metall-Kern vermutet, 20x stärkeres Magnetfeld als Erde dreht sich in nur 10h differentiell um eigene Achse, Planet mit schnellster Rotation -> Abflachung an Polen keine sichtbare feste Oberfläche Gaskugel Zusammensetzung wie Sonne Masse 2 x kg 300 ME 1/1000 MSUN 2,5 fache Masse aller anderen Planeten gemeinsamer Schwerpunkt außerhalb der Sonne (1,068 RSUN) wichtige Funktion im Sonnensystem, stabilisiert Asteroidengürtel 44

45 JUPITER Atmosphäre riesige Wirbelstürme nicht klar begrenzt, Gashülle geht in flüssigen Zustand über 90% Wasserstoff, 10% Helium (Methan, Amoniak) Großer Roter Fleck bereits vor mehr als 300 Jahren beobachtet riesiger Wirbelsturm mit zweifachem Erddurchmesser 45

46 JUPITERMONDE Galileische Monde: Io, Europa, Ganymed, Kallisto (von links) 4 große (klassische) Monde Io: vulkanisch aktiv, dünne Atmosphäre aus Schwefeldioxid Europa: Ozean aus Wasser 100km tief, ca. 15 km Eiskruste Ganymed: größter Mond im Sonnensystem, mit Eisenkern und Magnetfeld Kallisto: Eiskruste, im Inneren flüss. Wasser Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen (Leben?) 46

47 JUPITERMONDE 4 weitere kleine Monde Schwaches Ringsystem Hauptring, 1996 von Galileosonde fotografiert Staubpartikel (Rauch), die durch auf Monde fallende Meteoriten freigesetzt wurden 47

48 SATURN Große Halbachse Perihel Aphel 9,582 AE (1.433,4 Mio. km) 9,021 10,054 AE Exzentrizität 0,05415 Neigung der Bahnebene 2,484 Siderische Umlaufzeit 29,457 a Synodische Umlaufzeit Mittlere Orbitalgeschwindigkeit Kleinster größter Erdabstand 378,09 d 9,69 km/s 7,991 11,086 AE äußerster, mit bloßem Auge sichtbarer Planet ähnlicher Aufbau wie Jupiter, nur kleiner Ringsystem 1620 von Galileo entdeckt 48

49 SATURN Auffälliges Ringsystem, nur wenige 100m dick, jeder Brocken rotiert eigenständig zerbrochener Mond? Kollision mit Komet/Asteroid? zusammen mit Saturn entstanden? 49

50 SATURNRINGE Ringsystem Sichtbarkeit Struktur mit Speichen mehr als einzelne Ringe Lücken durch Monde 50

51 SATURNMONDE 4 Saturnmonde: Titan (hinten), mit 5000km Durchmesser größter Mond Dione (vor Titan) Prometheus (Mitte unter den Ringen) Telesto (oben) 62 Monde bekannt Enceladus (links, ~500km): höchste Albedo im Sonnensystem, Fontänen aus Wassereis 51

52 SATURNMISSIONEN Saturn im Gegenlicht Erde Cassini-Huygens Cassini erreichte Saturn 2004 und sendet seitdem Ergebnisse zur Erde Landungssonde Huygens ist am 14. Januar 2005 auf dem Mond Titan gelandet 52

53 URANUS Große Halbachse Perihel Aphel 19,201 AE (2.872,4 Mio. km) 18,324 20,078 AE Exzentrizität 0,0472 Himmelsgott, 1781 von Herschel entdeckt 4x größer als Erde Uranustag 17h, Rotation rückläufig (wie Venus und Pluto) starke Neigung, wälzt sich in Bahnebene Neigung der Bahnebene 0,770 Siderische Umlaufzeit 84,011 a Synodische Umlaufzeit 369,66 d Mittlere Orbitalgeschwindigkeit 6,81 km/s Kleinster größter Erdabstand 17,259 21,105 AE 53

54 URANUS Uranus und Neptun sind Eisriesen. Sie haben einen größeren festen Kern als Jupiter und Saturn berechnete Bahnstörungen des Uranus führten 1846 zur Entdeckung des Neptun Schwaches Ringsystem und 27 Monde 54

55 NEPTUN Große Halbachse Perihel Aphel 30,047 AE (4.495 Mio. km) 29,709 30,385 AE Exzentrizität 0,0113 Neigung der Bahnebene 1,769 Siderische Umlaufzeit Synodische Umlaufzeit Mittlere Orbitalgeschwindigkeit Kleinster größter Erdabstand 164,79 a 367,49 d 5,43 km/s 28,783 31,333 AE 2 Scheibe am Himmel etwas kleiner, aber schwerer als Uranus Jahreszeiten 13 Monde > 2500km Gashülle vorwiegend Wasserstoff, Methangas absorbiert roten Anteil des Sonnenlichtes, Blaufärbung 55

56 NEPTUN 13 Monde bekannt Triton 17 Tage nach Entdeckung des Neptun gefunden Schwaches Ringsystem Äußerer Adamsring 56

57 57

58 INHALT Das Planetensystem Keplergesetze, Planetenbahnen Planeten: Definition & Entstehung Gesteinsplaneten: Merkur, Venus, Erde, Mars Gasplaneten: Jupiter bis Neptun Zwergplaneten, Asteroiden, Kometen 58

59 PLUTO Große Halbachse Perihel Aphel 39,482 AE (5.906,4 Mio. km) 29,658 49,305 AE Exzentrizität 0, entdeckt kleiner als Erdmond bekommt von Neptun 2:3 Bahnresonanz aufgezwungen, d.h. Neptun 3 Umrundungen wie Pluto in gleicher Zeit 2 um Sonne vollführt Neigung der Bahnebene Siderische Umlaufzeit 17,16 247,68 a Rotiert in 6 Tagen rückläufig dünne Stickstoffatmosphäre Synodische Umlaufzeit 366,73 d Mittlere Orbitalgeschwindigkeit Kleinster größter Erdabstand 4,72 km/s 28,702 50,357 AE 59

60 PLUTO Kein Planet - Zwergplanet Bahn exzentrisch und stark geneigt Kuipergürtelobjekte in gleichem Abstand zur Sonne Doppelobjekt: Pluto und Charon (Massen 8:1) Plutomission New Horizon 63 Start 2006, Ankunft

61 KLEINKÖRPER Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter (Ceres) besitzt nur ca. 5% der Mondmasse Größer als 100 km: 200 Größer als 1 km: ca. 1 Million 1993 Flyby der Galilei-Sonde an 293 Ida Ida: 58 x 23 km Dactyl: 1.2 x 1.4 x 1.6 km Abstand: ca. 90 km 61

62 KLEINKÖRPER Kuipergürtel (außerhalb Neptunbahn) und Oortwolke (bis AE Abstand) Reservoir an Felsbrocken/schmutzigen Schneebällen in den Außenbereichen des Sonnensystems Kometen Durch Bahnstörungen ins innere Planetensystem abgelenkte Objekte Stark exzentrische Bahnen Ausgasung durch Aufheizung in Sonnennähe 62

63 63

64 EXOPLANETEN April 2013: 884 Künstlerische Darstellung Photo credit: David A Hardy, astroart.org Copyright: STFC 64

65 VORLESUNGSPLAN Astronomie heute (Just, Fendt) Sonne, Erde, Mond (Fohlmeister) 2.5. Das Planetensytem (Fohlmeister) Teleskope, Bilder, Daten (Fendt) Geschichte der Astronomie (Just) 6.6. Sterne - Zustandsgrößen (Fendt) Sterne - Entwicklung (Fendt) Die Milchstraße (Just) Astrochemie und Leben (Fendt) 4.7.Galaxien (Just) Aktive Galaxien, Quasare und Schwarze Löcher (Fendt) Urknall und Expansion des Universums (Just) Weltmodelle (Just) 1.8. Besuch MPIA/LSW und HdA (Fendt) 65

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