2. Planeten & Sonnensystem

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1 2. Planeten & Sonnensystem Planeten, S. Daemgen 2

2 2.1 Objekte im Sonnensystem Sonne: 99.9% der Masse des Sonnensystems 8 Planeten: Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun Monde, Satelliten: z.b. Erdmond, Io, Europa, Titan,... Zwergplaneten: Ceres, Pluto, Eris,... kugelförmig, aber Bahn nicht von anderen Objekten freigeräumt Asteroiden: Ceres, Juno, Vesta,... > Objekte Transneptunische Objekte (TNOs): Pluto, Eris... > 1000 Objekte Kometen Interplanetarer Staub Meteoriten: kleine Asteroiden die auf die Erde fallen Meteore: in der Atmosphäre verglühende Staubteilchen Planeten, S. Daemgen 3

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4 2. Planeten & Sonnensystem Planeten, S. Daemgen 5 NASA/JPL-Caltech/SSI

5 Io, Europa, Ganymed

6 Eros Phobos/M (D=20 km) Mimas/S (D=400 km) Miranda/U Miranda/ U (D=470 km)

7 2.2 Planeten im Sonnensystem 2 Typen: Terrestrische Planeten: Merkur, Venus, Erde, Mars hohe Dichte: 3 5 g/cm 3, Mg,Fe,Si,O, kein He,H-Gas Gasplaneten: Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun kleine Dichte: g/cm 3, H, He Atmosphäre Planeten, S. Daemgen NASA 8

8 Planeten, S. Daemgen 9

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10 Mondoberfläche dunkle Tiefebenen (Mare) hellere Hochländer (Terrae) Krater

11 Krater: vertiefte Mulden erhöhter, ringförmiger Rand zentraler Kraterberg max. Höhenunterschiede bis 10 km Kraterhäufigkeit ist ein Mass für das Alter der Oberfläche

12 Planeten, S. Daemgen Credit: 13

13 2.3 Entweichen von Gasteilchen Gasteilchen können von den höchsten Atmosphärenschichten (Exosphäre) entweichen, falls ihre Gesamtenergie E kin + E pot positiv ist, oder falls seine Geschwindigkeit v grösser als die Entweichgeschwindigkeit v E ist: mv 2 2 GMm R > 0 v E = 2GM R Die typische Teilchengeschwindigkeit wird durch die Maxwell- Boltzmann Geschwindigkeitsverteilung beschrieben: dn v dv N = f v dv = 2 π m kt Τ 3 2 v 2 e Τ mv2 2kT dv Wahrscheinlichste Geschwindigkeit: v w = 2kT m Planeten, S. Daemgen 14

14 2.3 Bedingungen für Leben feste Oberfläche terrestrischer Körper günstige Temperatur Wasser vorhanden z.b. eine mittlere Temperatur von ca. 300 K definiert die bewohnbare Zone im Planetensystem eine Atmosphäre könnte wichtig sein, d.h. die Gasteilchen sind gravitativ gebunden Masse des Objekts darf nicht zu klein sein gleichbleibende Bedingungen Kreisbahn, konstante Sternstrahlung während > 10 9 Jahren gute chemische Voraussetzungen Wasser Woher kommt das Wasser der Erde? Planeten, S. Daemgen 15

15 2.4 Gleichgewichtstemperatur für Planeten Annahme: es besteht ein Gleichgewicht zwischen Sonneneinstrahlung und Wärmeabstrahlung des Planeten Planeten, S. Daemgen 16

16 Credit: NASA/JPL/Space Science Institute (Enceladus); ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/ UPM/DASP/IDA and Gordan Ugarkovich (Earth); Robert Vanderbei, Princeton University (Moon); ESA/Rosetta/NAVCAM (67P/C-G). Albedo Planeten, S. Daemgen 17

17 Schwarzer Körper Absorbiert jegliche einfallende Strahlung Idealer Wärmestrahler Gesamte abgestrahlte Leistung: P=AσT 4 Stefan-Boltzmann-Gesetz Planeten, S. Daemgen 18

18 2.5 Gleichgewichtstemperatur für Planeten Annahme: es besteht ein Gleichgewicht zwischen Sonneneinstrahlung und Wärmeabstrahlung des Planeten L S 4πd 2 πr2 1 A = 4πR 2 σt 4 T = L S(1 A) d 2 1/4 oder T~ 1 d L s : Sonnenleuchtkraft, d: Distanz zur Sonne, R: Radius, A: Albedo, σ: Strahlungskonstante. T eq wird kleiner mit wachsender Distanz d zur Sonne T eq ist unabhängig vom Radius des Objekts Planeten, S. Daemgen 19

19 Erde/Mond Mars Uranus Neptun Pluto Temperatur o C Jupiter/Europa Saturn/Titan Merkur Venus Bewohnbare Zone 2.6 Bewohnbare Zone im Sonnensystem 500 o 250 o 0 o -250 o Distanz AE Planeten, S. Daemgen 20

20 2.7 Wasser Planeten, S. Daemgen 21

21 In Class Activity Planeten, S. Daemgen 24

22 Vesta (Dawn )

23 Galileo-Beobachtung: Ida (59 x 25 x 19 km) und Dactyl (1.5 km)

24 2.7 Asteroiden und Meteoriten Zwischen Mars und Jupiter liegt der Asteroidengürtel. Asteroiden und Meteoriten, (Asteroiden-Bruchstücke die auf die Erde fallen) geben Auskunft über Prozesse der Planetenentstehung: Wachstum durch Gravitationanziehung, Zerstörung durch Kollisionen, Sedimentation in einen Eisenkern und Silikatmantel bei grossen Asteroiden etc. Die Zusammensetzung von Meteoriten verrät ihre Herkunft und Geschichte: Steinmeteorit: aus dem Mantel eines grossen Asteroiden, Eisenmeteorit: aus dem Zentrum eines grossen Asteroiden, C-Chondrit: wenig veränderter ursprünglicher Baustein. Eisenmeteorit Planeten, S. Daemgen 27

25 2.7 Altersbestimmung: radioaktiven Zerfall Interstellare Materie enthält radioaktive Metalle, wie z.b. 238 U. Wird nun dieses Material in einem Objekt gebunden, zerfällt es, und das Alter des Objekts kann aus dem Verhältnis zwischen Ausgangs- und Endprodukt bestimmt werden. Einfaches Beispiel: Zerfall von 238 U in 208 Pb He Annahme: N 1 (t) + N 2 (t) = N 1 (t 0 ) Am Anfang gibt es kein Endprodukt: N 2 (t 0 )=0 Es gibt nur einen Prozess: Anfangsprodukt N 1 zerfällt in Endprodukt N 2 Ausgangsprodukt: N 1 (t) = N 1 (t 0 ) ˑ 2 -Δt/T Halbwertszeit T = 4.5 ˑ10 9 J Endprodukt: N 2 (t)= N 1 (t 0 ) (1 2 -Δt/T ) Alter: Δt = Altersbestimmungen ergeben folgende Alter: T log N 2(t) + 1 log2 N 1 (t) Meteoriten: Mia J. älteste Meteoriten: 4.56 Mia J. Mondgestein: Mia J. Erdgestein: < 4.1 Mia J Planeten, S. Daemgen 28

26 TNOs

27 2.8 Kometen Kometen sind eishaltige Objekte aus dem äusseren Sonnensystem (d> d Neptun ), die von ihrer Bahn abgelenkt wurden, ins innere Sonnensystem gelangen und dort wegen der Sonnenstrahlung verdampfen (sublimieren). Typische Eigenschaften: Durchmesser 1 10 km Zusammensetzung: Eis und Staub Verschiedene Bahntypen: kurzperiodische Kometen P 10 J Kometenschweif: langperiodische Kometen P 100 J quasi-parabolische Kometen P > 1000 J In der Nähe der Sonne bildet sich ein Kometenschweif, weil bei ca. 3 AE CO 2 -Eis und bei 1.5 AE H 2 0-Eis sublimiert Planeten, S. Daemgen 31

28 Kometenschweife sind immer von der Sonne weggerichtet weil die Teilchen beschleunigt werden. Es gibt zwei Schweiftypen: Gerader Schweif Gasteilchen werden ionisiert und durch die geladenen Teilchen (Protonen) des Sonnenwindes (v = 400 km/s) beschleunigt und zum Leuchten angeregt. Gekrümmter Schweif Staubteilchen werden durch den Strahlungsdruck der Sonne langsam beschleunigt. Der Staub streut das Licht der Sonne. Komet West Planeten, S. Daemgen 32

29 2.9 Interplanetarer Staub Interplanetarer Staub, entsteht durch die Kollision von Asteroiden und die Verdampfung von Kometen. Er ist beobachtbar als: Zodiakallicht oder gestreutes Sonnenlicht (Staubstreuung), Thermische Strahlung des Staubes im IR-Bereich (λ=10μm) der durch absorbierte Sonnenstrahlung aufgeheizt wird. Zodiakallicht in der Dämmerung Thermische Staubstrahlung in galaktischen Koordinaten Planetensysteme, H.M. Schmid 34