Experimentelle Astrophysik

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1 Experimentelle Astrophysik Bachelor Freiwillige Veranstaltung Lehramt Wahlmodul Master in Kombination mit anderer 2 SWS Veranstaltung Experimentelle Astrophysik, 2 SWS, (4 Cr) 2. Vorlesung Montag 08. Mai 2017

2 Vorläufiger Plan der Vorlesung Kernphysik WS 2016/2017 Inhalt 1. Doppelstunde: Planeten: Rotation, Entfernungen, Zeiten 2. Doppelstunde: Feiertag 3. Doppelstunde Planeten: Entstehung, Atmosphäre, Zusammensetzung 4. Doppelstunde Doppelstunde Doppelstunde Doppelstunde Pfingsten 8. Doppelstunde Doppelstunde Doppelstunde Doppelstunde Doppelstunde Doppelstunde Doppelstunde

3 Movie Solar System

4 1. Die Tageslänge auf der Erde ändert sich. Was ist mit der Drehimpulserhaltung? (1 Pkt) 1. Geringfügige Drehimpulsänderungen widersprechen nicht dem Erhaltungsatz (Unschärfe) 0% 2. Der Drehimpuls der Erde wird auf den Mond übertragen 60% 3. Als Kompensation ändert sich die Umlaufgeschwindigkeit der Erde um die Sonne 40% 4. Erde und Sonne tauschen Drehimpuls aus. Die Sonne dreht sich dann schneller oder langsamer 0%

5 2. Seit wann ist die Erde für Menschen bewohnbar? ( 1 Pkt) 1. Seit Anbeginn, also seit 4,6 Milliarden Jahren 2. Seit der CO2 Gehalt niedrig genug ist (seit 350 Millionen Jahren) 3. Seit es Einzeller gibt (seit 4 Milliarden Jahren) 0% 68% 5% 4. Seit es genug Sauerstoff gibt (seit 500 Millionen Jahren) 27%

6 Trennung Licht/Materie Kosmos wird durchsichtig nach Jahren Zeitentwicklung des Universums heute Urknall vor 13 Milliarden Jahren erste Sterne und Galaxien nach 1 Milliarde Jahren Sauerstoff seit 0,5 Milliarden Jahren Fische Säugetiere Menschen seit 2 Millionen Jahren Entstehung der Erde vor 4,6 Milliarden Jahren Erstes Leben: Einzeller im Wasser Würmer im Wasser Pflanzen Dinosaurier

7 3. Was ist am wahrscheinlichsten falsch? (nach heutigem Wissen) (1 Pkt)? 1. Auf den Mars gab es früher Flüsse und auch heute noch gibt es dort Bäche. 0% 2. Etwa jede zweite Sonne in der kosmischen Nachbarschaft der Erde hat vermutlich Planeten. 17% 3. Wahrscheinlich gibt es viele blaue Wasserplaneten ähnlich der Erde, aber aller Wahrscheinlichkeit nach ohne Leben, denn die Entstehung von Leben ist extrem unwahrscheinlich. 26% 4. Ein Gesteinsplanet im richtigen Abstand von seiner Sonne verfügt wahrscheinlich über Gewässer und dort wird sich ähnlich wie auf der Erde innerhalb von einigen 100 Millionen Jahren einfaches Leben entwickeln. 57%

8 c Versteinertes Flussdelta auf dem Mars? Mars: Versteinertes Flussdelta (Länge ca. 13 km)

9 Saturnmond Enceladus c Mars: Versteinertes Flussdelta (Länge ca. 13 km) Science Visions 9

10 Movie New York Times

11 Movie Europa Report Min. 54:30min

12 4. Warum sind so viele Himmelkörper auf nahezu kreisförmigen Bahnen unterwegs (1 Pkt)? 1. Würden sich sonst ständig in die Quere kommen. 2. Impulserhaltung - auf Ellipsen schwankt die Bahngeschwindigkeit ständig. 27% 9% 3. Konsequenz der speziellen Relativitätstheorie, da sonst ständige Massenänderungen. 9% 4. Gezeitenkräfte bewirken eine langsame Umwandlung einer Ellipsenbahn in einer Kreisbahn. 55%

13 Ellipsenbahn (übertrieben) Bei eingefrorener Rotation/Revolution auf einer Ellipse muss sich die Rotation eines Mondes um sich selbst ständig ändern. Schnelle Rotation im Perihel, langsame im Aphel.

14 Der Mond

15 Der Mond Scheinbare Größe des Mondes: 31 (Winkelminuten=0.51 o ) Etwa ebenso groß wie die Sonne. Entfernung Erde-Mond durch Triangulation: Zwei Orte auf der Erde, Mond gleichzeitig anpeilen, Winkeldifferenz bestimmen (ergibt Dreieck). Radius der Erde: 6378km, Winkel zum Mond bei diesem Abstand (äquatoriale Horizontalparallaxe) =0.95 o Dreieck: sin 0,95 o =6378 km / Abstand Abstand = km. Durchmesser des Mondes: km*sin (31 )= 3476 km

16 Maßstabsgetreuer Abstand Erde - Mond

17 Bewegungen des Mondes Rotation = Umlauf um sich selbst (Spin) Revolution = Umlauf in einer Bahn um ein Zentrum Mond: Rotation = Revolution immer die gleiche Seite uns zugewandt Ursache: Gezeitenwechselwirkung (s.u.) Aber: es wackelt doch etwas. Librationen: - wegen Neigung der Mondbahn zur Ekliptik - Rotation gleichförmig, Revolution ungleichförmig wg. e - Während Drehung der Erde etwas andere Sicht... - es sind insgesamt 59% der Mondsoberfläche zu sehen

18 Libration

19 Sonnenfinsternis aus dem All beobachtet

20 Bewegungen der Planeten: Beispiel Mars

21 Auch der Mars dreht sich...

22 Bahnelemente einiger Planeten Name Umlf. Halba Exzen. i Bahngeschw. Jahre AE e grad km/s Merkur Venus Erde Mars Ceres Jupiter Saturn Uranus Neptun Pluto

23 5. Unser Nachbarplanet Venus ist etwas näher an der Sonne (Abstand 0,72 AE). Wie hoch ist seine globale mittlere Temperatur(1 Pkt)? Grad Celsius wegen Treibhauseffekt 2. 1,38 mal wärmer (in Kelvin). 3. 1,38 x 1,38 mal wärmer (in Kelvin). 86% 5% 5% 4. Nur 52 Grad wärmer, da die Albedo sehr hoch ist (Erde 30 Prozent, Venus 77 Prozent). 5%

24 Übersicht Planeten des Sonnensystems ERD-ÄHNLICH Planeten innerhalb Planetoidenring: < 1 Erdenmasse M E Dichte 3,9 5.5 t/m 3 Festkörper (Silikate, Fe/Ni) Atmosphären O 2, CO 2, H 2 O, N 2 GASRIESEN: Planeten außerhalb Planetoidenring: Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun Masse >> M e Dichte 0,7 1,6 t/m 3

25 Tabelle Parameter erdähnliche Planeten: Venus, Erde, Mars Venus: o C 93 Bar CO 2 Mars: - 60 o C 6 mbar CO 2

26 6. Die Gesteinsplaneten haben einen Eisen-Nickel-Kern. Warum? (1 Pkt)? 1. Die beiden Metalle sind besonders schwer. 2. Die beiden Metalle sind besonders häufig, da sie das Endprodukt der Fusionsprozesse in Sonnen sind. 3. Das magnetische Feld dieser Metalle ist notwendig für die Planetenentstehung. 4. Eisen und Nickel sind Endprodukte vieler radioaktiver Zerfallsketten und relativ häufig im interstellaren Gas. 23% 50% 5% 23%

27 Innenleben der Planeten Vermessung über Erdbebenwellen: longitudinale und transversale. Flüssig: keine transversalen... Erde: Kruste Dicke 10-40km: Gestein Mantel bis 2900km Tiefe aus Silikaten Kern: Ni/Fe+Schwefel. Ähnlich Meteoriten Äußerer Kern flüssig. Temperatur 5000K aus rad. Zerfällen Mond: mittlere Dichte wie Kruste Erde kleiner metallischer Kern Radius km

28 7. Bis vor etwa 35 Millionen Jahren waren die Pole der Erde eisfrei und es war überall tropisch warm. Warum? (2 Pkt)? 1. Die Antarktis lag nicht isoliert genau am Südpol. 2. Treibhauseffekt durch höhere CO2 Konzentration 3. Die Sonne war wärmer 4. Es gab mehr radioaktive Zerfälle aus langlebigen Radionukliden wie z.b. Uran. 9% 68% 5% 18%

29 Plattentektonik Erde im Innern heiß durch radiaktive Zerfälle: J/a. = 0.06 Watt/m 2 = 10-4 S (entspricht Kraftwerken mit 1GW Leistung) Wärmetransport nach Außen durch Konvektion auch im Erdmantel Folgen: sea floor spreading, Kontinentaldrift. USA-Europa entfernen sich mit einigen Zentimetern pro Jahr. Auffaltung neuer Gebirge, Tiefseegräben. Energiebilanz: 1/100 der J/a reichen. 1/1000 für Erdbeben benötigt. Mond, Merkur, Mars keine tektonische oder magmatische Aktivität. (kleiner und abgekühlt) Venus: trotz Erd-Ähnlichkeit keine Plattentektonik. Abkühlung durch Vulkanismus. Tektonische Spannungen in ca. 100km breiten Grenzzonen zwischen stabilen Blöcken. Godwana Animation

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