System Erde-Sonne-Mond

Transkript

1 Astronomie im Chiemgau e.v. Vortragsreihe Einführung in die Astronomie zusammen mit den VHS Haag i. Obb., Traunreut und Waldkraiburg heutiges Thema: System Erde-Sonne-Mond

2 Erde Sonne Mond das sind die Darsteller des heutigen Abends Beginnen wir mit der ERDE: Die Erde ist der Planet auf dem wir leben.

3 1. Hauptdarsteller: die Erde Wichtige Daten: Masse 5,98 *1024 kg Umlaufzeit 365,2422 d Rotationsperiode 23h 56m 3s Achsneigung 23,5O Radius 6371 km Fallbeschleunigung 9,81 m/s2 Oberflächentemperatur +/- 50O C Alter 4,5 * 109 Jahre Trabanten Mond Dichte 5,15 kg/dm3 Bestandteile (Atmosphäre): Stickstoff: 78 % Sauerstoff: 20 % Rest: Spurengase: CO2, Edelgase, Methan,...

4 ERDE: Die Erde ist der Planet auf dem wir leben. Ohne die Sonne gäbe es jedoch hier kein Leben. Es wäre unwirtlich kalt und dunkel, weshalb wir uns der Sonne als 2. Hauptdarstellerin zuwenden wollen:

5 2. Hauptdarstellerin Sonne Sonne im H-Alpha Licht Wichtige Daten: Masse 1,9884 *1030 kg Entfernung 149,6 *106 km Radius km Fallbeschleunigung 274 m/s2 Oberflächentemperatur K Alter 4,6*109 Jahre Planeten 8 Spektralklasse G2V Bestandteile (Photosphäre): Wasserstoff: 92,1 % Helium: 7,8 % Sauerstoff: 500 ppm Kohlenstoff: 230 ppm Neon: 100 ppm Stickstoff: 70 ppm

6 SONNE - ERDE: Die Erde ist der Planet auf dem wir leben. Ohne die Sonne gäbe es jedoch auf ihm kein Leben. Es wäre unwirtlich kalt und dunkel, womit wir uns der Sonne zuwenden Es gäbe auch keine Jahreszeiten

7 Jahreszeiten

8 SONNE - ERDE: Die Erde ist der Planet auf dem wir leben. Ohne die Sonne gäbe es jedoch auf ihm kein Leben. Es wäre unwirtlich kalt und dunkel, womit wir uns der Sonne zuwenden Es gäbe auch keine Jahreszeiten Unser gesamtes Wettergeschehen, wozu insbesondere der Wasserhaushalt und die damit verbundene ständige Erzeugung von Süßwasser und dessen Verteilung auf der gesamten Erdoberfläche durch Verdunstung und Niederschläge gehört. All dies wird mit Hilfe der Sonnenenergie ermöglicht und das damit verbundene Klima eine der wichtigsten Grundlagen für das Leben auf der Erde. Nicht nur die Trinkwasserversorgung, das Pflanzenwachstum und damit die gesamte Nahrungskette, das ganze Leben auf der Erde hängt daran.

9 Der Wasserkreislauf

10 SONNE - ERDE Die Sonne hat aber, trotz ihrer Bedeutung für das Leben auf der Erde auch bedrohliche Eigenschaften, vor denen uns die Erde durch ihr Magnetfeld zum Glück weitgehend schützt:

11

12 ERDE - SONNE Gegen den Sonnenwind wirkt das irdische Magnetfeld als Schutzschild: Der Schirm, den es aufspannt, lenkt den Strom elektrisch geladener Teilchen aus denen der Sonnenwind besteht, zu den magnetischen Polen, wo sie dann die Aurora Borealis (Polarlichter) erzeugen. Das Feld wird durch die Rotation des äusseren, festen Erdkernes um den inneren, flüssigen Kern erzeugt, die beide aus Eisen bestehen. Der Mechanismus wird auch als Geodynamo bezeichnet.

13 ERDE - SONNE Da die Prozesse, die den Geo-Dynamo antreiben, dynamischer Natur sind, ist das Feld auch nicht statisch sondern dynamisch und ändert gelegentlich seine Orientierung. Die folgende Animation zeigt eine Polumkehr in einen Ausschnitt von etwa 2000 Jahren aus einem Computermodell zur Simulation des Dynamoprozesses. Die Laufzeit der gesamten Simulation betrug etwa 1 Mio. Jahre. Das Magnetfeld fluktuiert dabei auf Zeitskalen von 100 Jahren, so wie es auch heute beobachtet wird (Säkularvariation). Gezeigt wird der "magnetische Fluss" an der Erdoberfläche, wobei rote Farbtöne einen Fluss in die Erde hinein (S), blaue einen Fluss aus der Erde heraus (N) darstellen. Die Magnetpole befinden sich (ungefähr) in den roten bzw. blauen Zentren.

14 ERDE - Magnetfeld

15 ERDE - Magnetfeld Wie man sieht, ist das Magnetfeld während einer Polumkehr starken Schwankungen unterworfen. Es ist dann insgesamt schwächer als normalerweise und es gibt zeitweise mehr als zwei magnetische Pole, die gelegentlich auch mal nahe am Äquator liegen. Die letzte Polumkehr des Erdmagnetfeldes fand vor ca Jahren statt. Aus der Magnetisierung von Gesteinen, die sich zu dieser Zeit gebildet haben, lassen sich mit Hilfe der Paläontologie die Eigenschaften des Erdmagnetfeldes indirekt erschließen. Die Ergebnisse der Simulation stimmen mit diesen "paläomagnetischen" Daten gut überein M AX - P L ANC K - G E S E L L S C H A F T

16 SONNE - ERDE Neben den bekannten jahreszeitlichen Schwankungen des irdischen Klimas wird dieses noch von folgenden Faktoren beeinflußt: Schwankungen bei der Energieproduktion Sonnenaktivität Änderungen der Exzentrizität der Erdbahn Schwankungen des Neigungswinkels der Erdachse (Obliquität) Präzession der Erdachse Die drei letzten Parameter sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Da die erwähnten Parameter untereinander wechselwirken aber die jeweilige Stärke der Änderung nicht konstant ist, lassen sich schwer Vorhersagen treffen wie stark sich die Schwankungen jeweils konkret auswirken. Immerhin konnten Paläontologen Klimaschwankungen verschiedener Stärken in den angegebenen Rhythmen identifizieren (Eiszeiten, Zwischeneiszeiten).

17 SONNE - ERDE

18 3.Hauptdarsteller: Der Mond Wichtige Daten: Masse Entfernung Radius Fallbeschleunigung Exzentrizität Umlaufdauer Dichte Keine Atmosphäre 7,34 *1022 kg *103 km km 1,64 m/s2 0,549 27,3 d 3,341 kg/dm3

19 Mond: Der Mond ist nach der Sonne die auffälligste Erscheinung am Himmel. Viele Dinge die ihm zugeschrieben werden sind der menschlichen Phantasie entsprungen (Werwolf o.ä.). Daß ihn Wölfe anbellen, liegt wohl eher daran, daß diese nachtaktiven Tiere ihre Aktivitäten und die dazu gehörige Verständigung untereinander eben in Mondhellen Nächten verstärken. Als Trabant der Erde ist der Mond aber auch hauptverantwortlich für Ebbe und Flut und damit auch für die allmähliche Abbremsung der Erdrotation. Im Jahrhundert sind es ca. 0,002s um die ein Tag länger wird, nichts dramatisches also, aber mit Hilfe alter Aufzeichnungen von Sonnenfinsternissen gut belegbar. Wir kommen darauf zurück. Ähnlich gut belegbar ist spätestens seit den Mondlandungen, daß der Wechsel zwischen Ebbe und Flut dazu beiträgt, daß die potentielle Energie des Mondes zunimmt, was durch wachsenden Abstand zum Ausdruck kommt. Der Zuwachs beträgt jährlich etwa 3,8cm. Ihn ca. 550 Mio. Jahren wird man auf Erden keine totale Sonnenfinsternis mehr beobachten können, weil der Kernschatten des Mondes nicht mehr bis zur Erde reicht.

20 Wie entstand der Mond? Wegen seiner bedeutsamen Rolle, die der Mond besonders im binären System Erde Mond spielt, ist die Frage berechtigt, wie die Erde zum Mond gekommen ist. Es gibt hierzu eine ganze Reihe verschiedener mehr oder weniger spekulativer Theorien. Im Folgenden sollen die drei gängigsten vorgestellt werden. Die anderen sind oft nur Variationen davon, zumindest aber weniger relevant. Es sind dies die Abspaltungstheorie Einfangtheorie Kollisionstheorie Sie sollen im folgenden kurz vorgestellt werden

21 Entstehung - Abspaltungstheorie Die Abspaltungstheorie wurde bereits 1878 entwickelt. Demnach rotierte die Erde in ihrer Frühphase so stark, dass sich durch Instabilitäten ein Teil ablöste und den Mond bildete. Solch eine Herauslösung aus dem extremen Äquatorwulst erklärt recht gut die Größe des Mondes. Auch seine geringere mittlere Dichte ist damit vereinbar, denn sie entspricht der Dichte des Erdmantels. Angesichts der Gezeitenreibung muss die Erde früher auch schneller rotiert haben, es gibt aber keine sinnvolle Erklärung für die hohen Rotationsgeschwindigkeiten (Tageslänge von etwa 2,5 h), die für den heutigen Gesamtdrehimpuls des Erde-Mond-Systems nötig gewesen wären. Die Bahnebene des Mondes ist zudem für diesen Tatbestand viel zu stark gegen die Äquatorebene der Erde geneigt.

22 Entstehung - Einfangtheorie Die Einfangtheorie besagt, dass sich der Mond an einem anderen Ort im Sonnensystem gebildet hat und bei einer engen Begegnung mit der Erde eingefangen wurde. Sie kann den hohen Drehimpuls des Systems sowie den Unterschied der Dichte von Erde und Mond sehr elegant erklären. Sie erfordert jedoch eine sehr spezielle Einfangbahn, die einen großen Zufall bedeutet. Zudem müsste der Mond einen kurzen Eintritt in die Roche-Grenze überstanden haben, was bislang nicht erklärt werden kann. Auch macht diese Theorie keinerlei Aussage darüber, warum der Mond sowohl bei leichtflüchtigen Elementen als auch bei Eisen ein Defizit gegenüber der Erde hat. Bei der Ähnlichkeit der isotopischen Zusammensetzung scheitert die Theorie völlig.

23 Entstehung - Kollisionstheorie: Der Erdmond entstand der momentan wohl gängigsten Theorie zufolge, einst nach einem heftigen Zusammenstoß der Protoerde mit einem unglücklich ihre Bahn kreuzenden, etwa Mars-großen Himmelskörper namens Theia Als sich der Staub nach diesem Crash gelegt hatte, umkreisten sich ein zu mehr als 80% aus TheiaMaterial bestehender Mond und die Erde, wie Modellrechnungen und Simulationen der vor rund 4,5 Mrd. Jahren möglichen Ereignisse nahelegen.

24 Eigenrotation des Mondes Infolge der Gezeiten, welche die Gravitation der Erde im nach seiner Entstehung noch flüssigen Mond bewirkte, wurde seine Rotation nach und nach durch Abbremsung an ihre Umlaufzeit angepasst (gebundene Rotation): Das heißt, bei einem Umlauf um die Erde dreht er sich im gleichen Drehsinn genau einmal um die eigene Achse. Daher kehrt der Mond abgesehen von kleineren Abweichungen, den Librationsbewegungen der Erde immer dieselbe Seite zu.

25 Ebbe und Flut Ebbe und Flut sind an den Grenzen zwischen den Meer und Festland dem Menschen seit altersher wohlbekannte Erscheinungen und oft in ihrem Ablauf von den Eigentümlichkeiten der Küste geprägt. Schon bald erkannten die Menschen, dass es einen Zusammenhang zwischen Mond und Gezeiten gibt. Allerdings war es lange unklar, warum die Gezeiten zweimal am Tage auftreten, während die Erde in der selben Zeit nur eine Umdrehung macht. Der Zusammenhang ist im Folgenden dargestellt.

26 Ebbe und Flut Zweikörpersystem Die betrachteten Körper bewegen sich beide um den gemeinsamen Schwerpunkt (+). Bei dem größeren wirkt sich neben der Anziehungskraft des kleineren auch die durch die Exzentrizität bewirkte Fliehkraft aus: Während eines Umlaufes dreht sich die Erde ca 29 mal. Während einer Drehung der Erde muß sie sich deshalb täglich etwa zweimal unter den Wasserbergen hindurchdrehen

27 x Die Wassermassen auf der Erdoberfläche spüren die von Gravitation (Mond/Sonne) und der Fliehkraft erzeugten Potentiale und fließen in die jeweilige Richtung. Die Erde dreht sich unter diesen Wasserbergen hindurch und verhindert durch ihre Oberfläche den direkten Rückfluß. Das führt zu einer Reihe von Nebeneffekten:

28 Gezeiten Nebeneffekte I Spring- und Nipp-Tide Die Gezeitenkräfte der Sonne betragen etwa 46 % derjenigen des Mondes. Bei Voll- und Neumond, also wenn Erde, Mond und Sonne auf einer Geraden liegen, addieren sich die Gezeitenkräfte von Sonne und Mond zu einer besonders großen Tide, der Springtide, bei Halbmond dagegen, Sonne und Mond bilden jetzt bezüglich der Erde einen rechten Winkel, ergibt sich eine besonders kleine Tide, die Nipptide. Besonders große Gezeitenkräfte und damit Springtiden ergeben sich, wenn sich zusätzlich der Mond im erdnahen Bereich seiner Umlaufbahn befindet.

29 Gezeiten Nebeneffekte I Mondphase Neumond - Springtide

30 Gezeiten Nebeneffekte I Mondphase Halbmond - Nipptide

31 Gezeiten Nebeneffekte I Mondphase Vollmond - Springtide

32 Gezeiten Nebeneffekte I Mondphase Halbmond - Nipptide

33 Gezeiten Nebeneffekte II Beschleunigung des Mondes: Ein interessantes Phänomen ist auch die Beschleunigung des Mondes durch die Wechselwirkung mit den Flutbergen. Durch den Widerstand, den das Wasser der Drehung entgegensetzt, befinden sich die jeweiligen Flutberge nicht direkt unter dem Mond was dazu führt, daß der Mond jedes mal ein wenig in Bewegungsrichtung beschleunigt wird. Diese Energie wird in potentielle Energie umgesetzt, d.h. der Abstand Erde Mond erhöht sich quasi kontinuierlich.

34 Gezeiten Nebeneffekte II + III x

35 Gezeiten Nebeneffekte II Beschleunigung des Mondes: Im Rahmen der Apollo Missionen wurden auf dem Mond zu Messzwecken Prismen als Reflektoren zurückgelassen die es ermöglichen den Abstand Erde Mond regelmäßig zu kontrollieren. Dabei wurde der oben genannte Effekt sehr präzise bestätigt. Der Mond entfernt sich so von der Erde jährlich um 3,8 cm. Für uns ist das nicht dramatisch aber in etwa 550 Mio. Jahren wird der Kernschatten des Mondes nicht mehr bis zur Erde reichen, mit der Folge dass wir keine totale Sonnenfinsternis mehr beobachten können.

36 Gezeiten Nebeneffekte III Abbremsung der Erde: Dadurch, daß sich die Erde unter dem Wasserberg der Flut hindurchdrehen, muß sie die Strömungswiderstände welche Ihre Oberfläche dem Wasser entgegen setzt überwinden, wobei sie Rotations-Energie verliert. In einem Jahrhundert nimmt daher die Tageslänge so um ca. 0,002 s zu Dass wir diesen scheinbar so minimalen Wert recht genau kennen, obwohl wir erst seit kurzer Zeit astronomische Beobachtungen mit der notwendigen Präzession machen können liegt an der guten Dokumentierung von Sonnenfinsternissen durch die Astronomen in Babylon. Dazu mehr im Zusammenhang mit der Sonnenfinsternis

37 Finsternisse Vorbemerkungen: Damit wir eine Mond- oder Sonnenfinsternis beobachten können, müssen Sonne, Erde und Mond auf einer Linie liegen. Befindet sich die Erde zwischen Sonne und Mond, kommt es zu einer Mondfinsternis, in dem Falle, dass der Mond zwischen Erde und Sonne steht handelt es sich um eine Sonnenfinsternis. Daraus folgt, dass es Mondfinsternisse nur bei Vollmond, Sonnenfinsternisse nur bei Neumond geben kann. Wegen der Bahnneigung der Umlaufbahn des Mondes gegen die Ekliptik und der verschiedenen Umlaufzeiten von Erde-Sonne und Erde - Mond, finden die Finsternisse nicht in regelmäßigen Abständen statt, aber in etwa gleich häufig.

38

39 Vorbemerkungen: Finsternisse Damit wir eine Mond- oder Sonnenfinsternis beobachten können, müssen Sonne, Erde und Mond auf einer Linie liegen. Befindet sich die Erde zwischen Sonne und Mond, kommt es zu einer Mondfinsternis, in dem Falle, dass der Mond zwischen Erde und Sonne steht handelt es sich um eine Sonnenfinsternis. Daraus folgt, dass es Mondfinsternisse nur bei Vollmond, Sonnenfinsternisse nur bei Neumond geben kann. Wegen der Bahnneigung der Umlaufbahn des Mondes gegen die Ekliptik und der verschiedenen Umlaufzeiten von Erde-Sonne und Erde - Mond, finden die Finsternisse nicht in regelmäßigen Abständen statt, aber in etwa gleich häufig. Weil der Durchmesser des Schattens der Erde, dort wo der Mond ihn durchwandert, größer als der des Mondes ist, sind Mondfinsternisse immer auf der gesamten dunklen Seite der Erde zu sehen. Die Scheibe des Mondschattens, die auf die Erde trifft ist hingegen sehr viel schmaler (ca. 180km breit). Zudem sind sie oft nur über unbesiedeltem Gebiet (Wasserflächen der Ozeane) sichtbar, weshalb der Eindruck entsteht, sie kämen weniger oft vor als Mondfinsternisse.

40 Mond-Finsternis

41 Vorhersagen von Mondfinsternissen Der Saros-Zyklus, Saros-Periode oder chaldäische Periode ist ein durch die Rückwärtsbewegung der Mondknoten bedingter Zyklus von 18 Jahren und 11,3 Tagen (entsprechend 6585 Tagen und 8 Stunden bzw. 242 drakonitischen Monaten bzw. 223 synodischen Monaten). Nach dieser Periode nimmt der Mond wieder dieselbe Position zu Sonne, Erde und Knotenlinie ein, weshalb sich Sonnen- und Mondfinsternisse mit dieser Periode wiederholen. Der Rest ist Beobachtungsarbeit. Voraussagen über zukünftige Mondfinsternisse lassen sich so mit einiger Genauigkeit machen.

42 Kolumbus und die Mondfinsternis Kolumbus nutzte 1504 seine Kenntnis einer bevorstehenden Mondfinsternis um sich die Eingeborenen Jamaicas, die ihm Hilfe bei notwendigen Schiffsreparaturen verweigerten, gefügig zu machen Anmerkung: Kolumbus hatte seine Kenntnis von einer von Regiomontanus gefertigten Übersicht der Mondfinsternisse basierend auf dem Saros-Zyklus

43 Sonnenfinsternis

44 Abbremsung der Erde: Neben den sehr regelmäßigen Änderungen der Rotationsperiode durch die Gezeiten kommen aber auch noch unregelmäßige Einflüsse durch Masseverlagerungen durch Eisbildung und Änderungen etwa durch Gebirgsbildung hinzu. Die Auswirkungen sind in den folgenden Totalitätsstreifen zu erkennen. Quelle Kippenhahns Sternstunden erschienen 2006 im Kosmos Verlag

45 Sonnenfinsternis vom 11. August 1999

46 Der Verein Astronomie im Chiemgau e.v. dankt für Ihre Aufmerksamkeit Die Sternwarte ist bei geeignetem Wetter immer Freitagabend geöffnet; Näheres erfährt man am Infotelefon: Internet: