RV1_WS09_10_Kührt_Tornow
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Ringvorlesung HGF-Allianz, 15.10.2009 "Planetary Evolution and Life" Asteroiden und Kometen als Impaktoren Ekkehard Kührt, Carmen Tornow Folie 1 Vortrag > Autor > Dokumentname > Datum Gliederung 1. Themen 2. Kometen und Asteroiden - ein Steckbrief 3. Reservoirs 4. Untersuchungsmethoden 5. Physikalische Eigenschaften 6. Chemische Eigenschaften 7. Kleine Körper und Entwicklung des Planetensystems 8. Kleine Körper und Entstehung des Lebens 9. Asteroiden und Kometen als Impaktoren 10. Kometen und Geschichte(n) 11. Schlussfolgerungen Asteroid Itokawa Folie 2 Ringvorlesung 15.10.2009 1. Themen Was sind Kometen und Asteroiden? Woher beziehen wir unser Wissen über diese kleinen Körper? Welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede gibt es zwischen Asteroiden und Kometen? Welches sind ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften? Wo halten sie sich auf? Welche Bedeutung haben sie für die Entwicklung des Planetensystems? Welche Rolle spielen sie bei der Entstehung des Lebens? Folie 3 Ringvorlesung 15.10.2009 2. Kometen und Asteroiden - ein Steckbrief Kometen Asteroiden Bahnen stark elliptisch schwach elliptisch Zusammensetzung Eise, Silikate, organische Verbindungen Minerale (zum Teil wasserhaltig), Metalle, organische Verbindungen Reservoirs jenseits der snow line Innerhalb der snow line, (Jupiter) im Kuiper-Gürtel vorwiegend zwischen Mars und der Oortschen Wolke und Jupiter (Hauptgürtel), aber auch in Erdnähe Gesamtzahl >1012 > 106, fast 500000 bekannt Gesamtmasse ~2x1026 kg (30 Erdmassen) ~2x1021 kg (1/3000 Erdmassen) Folie 4 Ringvorlesung 15.10.2009 3. Reservoirs Kometen TNOs (Transneptunian objects) Kuipergütel a = 42…48 AE kleine e und i scheibenförmig Scattered disk großes e Oortsche Wolke 2000….100000 AE kugelförmig z.B. Hale Bopp äußerer Asteroiden-Hauptgürtel Folie 5 Ringvorlesung 15.10.2009 3. Reservoirs Asteroiden Hauptgürtel (90%) zwischen Mars und Jupiter Wegen Jupiter keine Planetenbildung Objekte innerhalb Marsorbit aus Hauptgürtel gestreut Amors Apollos Atens Erdnahe Objekte (NEOs) p < 1,3 AE 1000 NEOs > 1 km Folie 6 Ringvorlesung 15.10.2009 3. Reservoirs Folie 7 Ringvorlesung 15.10.2009 4. Untersuchungsmethoden Beobachtungen von der Erde (Teleskope vom UV bis in de Radiobereich, passive und aktive Verfahren) Kometen-Beobachtungen aus der Erdumlaufbahn (HST, Spitzer) Messungen mit Raumsonden vor Ort (8 Asteroiden, 4 Kometen) Modellrechnungen Folie 8 Ringvorlesung 15.10.2009 5. Physikalische Eigenschaften Kometenkern Größe: einige 100 m bis einige 100 km, unregelmäßige Form Dichte: gering, halb so groß wie Wasser Bestandteile: Eise (H2O, CO2, CO), Staub (Silikate, CHON) Aktivität: Erwärmung des Kometenkerns durch die Sonne, Verdampfung der Eise, Mitreißen von Staubkörnern, jets Produktion: bis 300 t/s Gas und 1000 t/s Staub Bahnen: stark elliptisch, alle Neigungen zur Ekliptik Kräfte: Gravitation Erde und Planeten, nicht gravitative Kräfte durch Gasfluss Folie 9 Ringvorlesung 15.10.2009 5. Physikalische Eigenschaften Koma (”Atmosphäre”): Zusammensetzung: verdampfte Elternmoleküle und Tochtermoleküle (ca. 130) Ausdehnung: 10000...1000000 km Gasdichte: ~ 1 Millionstel der Erdatmosphäre, gutes Vakuum Form: Staubkörner: Gashülle nahezu kugelsymmetrisch 0.1 µm...1 m Folie 10 Ringvorlesung 15.10.2009 5. Physikalische Eigenschaften Kometenschweif Staubschweif - Beschleunigung des Staubes durch Strahlungsdruck der Sonne - Länge: bis 50 Mill. Km Gasschweif - Gasmoleküle aus der Koma werden - durch UV- Strahlung der Sonne und - andere Mechanismen ionisiert - der elektrisch geladene Sonnenwind - bläst die Ionen weg - Länge: bis 250 Mill. km Folie 11 Ringvorlesung 15.10.2009 5. Physikalische Eigenschaften Stardust: Comet Wild-2 • • • • • NASA Mission 1999: Start 2004: Vorbeiflug Komet (240 km) 2006: Landung Probenkapsel auf Erde Auflösung Kamera: ~ 10 m Folie 12 Ringvorlesung 15.10.2009 5. Physikalische Eigenschaften Ergebnisse Stardust Sehr raue Oberfläche lokalisierte Aktivität (jets) sehr dunkel (Albedo: 0.03) nichts sphärischer Kern (1.65 x 2.00 x 2.75 km3) Einige Minerale im Staub haben hohe Temperaturen erfahren (T ~ 2000 K) Folie 13 Ringvorlesung 15.10.2009 5. Physikalische Eigenschaften Deep Impact: Comet Tempel-1 • • • • • NASA Mission 1/2005: Start 7/2005: Vorbeiflug Komet (500 km) und Einschlag Impaktor (370 kg, 10 km/s), ca.4 t TNT Auflösung Kamera: ~ einige m Folie 14 Ringvorlesung 15.10.2009 5. Physikalische Eigenschaften Ergebnisse Deep Impact raue und glatte Oberflächengebiete geringe Dichte: 400...600 kg/m3 7,6 × 4,9 km Festigkeit:??? 20000 t Material bei Impakt verloren lokalisierte Aktivität vielfältige Landschaftsformen (Täler, Berge, Krater, Spalten, Abhänge,...) nur wenig Eis direkt auf der Oberfläche Oberfläche relativ warm (270 bis 340 K) 1/100000 der Oberfläche ist Wassereis Folie 15 Ringvorlesung 15.10.2009 5. Physikalische Eigenschaften Asteroiden Asteroid Ida Größe: einige 100 m bis 1000 km, unregelmäßige Form Dichte: etwa doppelt so hoch wie Wasser thermische Trägheit: gering Zusammensetzung: Metalle, Minerale, Mineralwasser, organics Bahnen: schwach elliptisch, geringe Neigung zur Ekliptik Kräfte: Gravitation Sonne und Planeten, Yarkovski-Effekt physikalische Eigenschaften wichtig für Abwehrmaßnahmen Folie 16 Ringvorlesung 15.10.2009 Ju pit er’ so rbi t Hier sind wir! Hauptgürtel Sun NEOs ter i p Ju Folie 17 Ringvorlesung 15.10.2009 5. Physikalische Eigenschaften Hayabusa: Asteroid Itokawa (NEO) • • • • • JAXA Mission 2003: Start 2005: Annäherung Asteroid (10 - 20 km), Probenantnahme durch touch down 2010 Probenrückführung Auflösung Kamera: einige dm Folie 18 Ringvorlesung 15.10.2009 5. Physikalische Eigenschaften Ergebnisse Hayabusa 535 × 294 × 209 m geringe Dichte: 1900 kg/m3 Albedo : 0,53 rubble pile? (keine Krater, geringe Dichte) S-type (Silikate) nur wenige Krater Folie 19 Ringvorlesung 15.10.2009 6. Chemische Eigenschaften Wie bestimmt man die chemische Eigenschaften von Kometen / Asteroiden? • Im Labor → mit den Methoden der analytischen Chemie (Titration, Gravimetrie, Chromatographie, Massenspektrometrie, .. ) • Geringste Entfernung: 63 000 km → 2. März 2009: Objekt 2009 DD45 (~30 m), Explosion → einige 100 kT (1 kT ≈ 4,2×1012 J) → evtl. in unterer Stratosphäre Möglichkeiten chem. Analyse von Meteoriten Beobachtungen mit Teleskopen Rendez-vous Missionen Folie 20 Ringvorlesung 15.10.2009 6.1 Erkundung der Chemischen Eigenschaften Rendez-vous Missionen: Stardust (81P/Wild 2), Deep Impact (9P/Temple 1), Dawn (4 Vesta, 1 Ceres), Rosetta (67P/Churyumov-Gerasimenko) Analyse von Meteoriten: felsiges und/oder eisenhaltiges Material, Proben → Methoden der analytischen Chemie Meteorit Hoba, Nordwestnamibia, ~ 60 Tonnen Fe: 82.3%, Ni: 16.4%, Co: 0.8% Einschlag vor < 80.000 Jahren → Messung der 59Ni Aktivität Bestrahlungsalter: 400×106 Jahre → 36Cl/36Ar-Verhältnis Folie 21 Ringvorlesung 15.10.2009 6.2 Chemischen Eigenschaften der Meteoriten Eisenmeteorit (1,3 kg) Stein-Eisenmeteorit (3 kg) Steinmeteorit: 2.1-3.8 g/cm3 (58%) Steinmeteorit (0.45 kg) Chondrite: Undifferenziertes Material Stein-Eisen-Meteorit: 4.2-4.8 g/cm3 (13%) Eisenmeteoriten: 7-8 g/cm3 (13%) Achondrite: Differenziertes Material → radioaktive Isotope → Gravitation Folie 22 Ringvorlesung 15.10.2009 6.2 Chemischen Eigenschaften der Meteoriten Primitiver Achondrite Achondrite: keine Chondrule, wenig Metall (Fe, Ni) wenig FeS (Troilite) Ureilite Chondrite: Chondrule, Metall (Fe, Ni) FeS (Troilite) Folie 23 Ringvorlesung 15.10.2009 6.2 Chemischen Eigenschaften der Meteoriten (Chondrite) Si, Mg, Fe, O Chondren: amorphe und kristalline sub-mm bis mm große kugelförmige Silikate Olivine - Mg2SiO4 , (Fosterite) ↔ Fe2SiO4 (Fayalite) Pyroxene: MgSiO3 (Enstatit) Siliziumdioxid: SiO2 (Quarz, Kieselerde) Alle Chondrite, außer CI (urtümlichster C Chondrit) Folie 24 Ringvorlesung 15.10.2009 6.2 Chemischen Eigenschaften der Meteoriten (Chondrite) Al, Ca, Si, Mg, O Ca-Al-Einschlüsse: mm bis cm große Aggregate (amorphe/kristalline ) Hibonite: CaAl12O19 Plagioklase: CaAl2Si2O8 (Anorthit) Spinel: MgAl2O4 Alle kohligen Chondrite, außer CI Folie 25 Ringvorlesung 15.10.2009 6.3 Beziehungen zwischen Meteoriten und Asteroiden Asteroiden Klassifikation S-Typ: Fe,Mg-Silikate + metallisches Fe-Ni, wenige flüchtige Verbindungen, innerer Asteroiden Gürtel E-Typ: Ähnlich, näher an der Sonne M-Typ: metallisches Fe-Ni, innerer Asteroiden Gürtel C-Typ: Kohliges Material, flüchtige Verbindungen, äußerer Asteroiden Gürtel Folie 26 Ringvorlesung 15.10.2009 6.4 Chemische Eigenschaften der Kometen Radio observations of 30 comets, black: Jupiter-family comets (scattered disk → inward directed interaction) red: long-period comets (Oort cloud → outward directed interaction) Halley-type comets (scattered disk → not quite clear) Folie 27 Ringvorlesung 15.10.2009 7. Beziehung zur Bildung des Planetensystems molekulare Dunkelwolke T Tauri Stern und dünne Scheibe gravitativer Kollaps Protostern und Akkretionsscheibe Sonnensystem Folie 28 Ringvorlesung 15.10.2009 7.1 Chronologie der Entstehung des Sonnensystems mm große Chondren → 4564.7±0.6 Myr cm große CAIs → 4567.11±0.16 Myr Altersbestimmung unter Verwendung von 26A/27Al, 207Pb/206Pb und 17O/16O, 18O/16O Allende Meteorit, 1969 in Mexico, nur 4% der gefundenen Meteoriten sind kohlige Chondrite Matrix Material mit 50 μm großen pre-solaren Staubkörnern Folie 29 Ringvorlesung 15.10.2009 7.2 Bedeutung für die Entstehung der Erde flüchtig Element Mantel Kruste hitzebeständig Kern Element Mantel Kruste Kern H 0.010 0.060 Fe 6.26 85.0 C 0.012 0.200 Si 21.0 6.0 N 0.0002 0.0075 Mg 22.9 0.0 O 44.0 0.0 Ni 0.196 5.2 S 0.025 1.9 Ca 2.53 0.0 P 0.009 0.35 Al 2.35 0.0 Elementanteile Folie 30 Ringvorlesung 15.10.2009 7.3 Auffinden von Ähnlichkeiten zur Chemie der Erde Sauerstoff-Isotopen Verhältnis Folie 31 Ringvorlesung 15.10.2009 8. Bedeutung für die Entstehung des Lebens ? Water ? Organic matter ? Energy Protocell: LUCA ? Folie 32 Ringvorlesung 15.10.2009 8.1 Transport Organischer Materie und Wasser zur Erde Quantitative amounts of volatiles: 1. UV photolysis: 108 – 109 kg/yr 2. Lightning 107 – 108 kg/yr 2. Hydrothermal vents 108 – 109 kg/yr 3. Interplanetary dust particles 108 – 109 kg/yr 4. Comets and asteroids 109 -1010 kg/yr Folie 33 Ringvorlesung 15.10.2009 8.2 Elementzusammensetzung von Zellen und Eis Organic matter Water Volatile Compounds (C,H,O,N,S) Element composition in % Folie 34 Ringvorlesung 15.10.2009 8.3 Komplexe Moleküle im Eis Wo und wie bilden sich diese Moleküle? Hot corino Folie 35 Ringvorlesung 15.10.2009 8.4 D/H zur Identifikation der Quellen von H2O Modellierung des Solaren Nebels und seiner Chemie CC = carbonaceous chondrites, LL3-IW and -PS = interstellar and protostellar water in Semarkona (LL3 meteorite) Folie 36 Ringvorlesung 15.10.2009 8.5 15N/14N zur Identifikation der Quellen von N2 Modellierung des Solaren Nebels und seiner Chemie Folie 37 Ringvorlesung 15.10.2009 9. Asteroiden und Kometen als Impaktoren Kollisionen gravitative und nicht gravitative Störungen können auf Kollisionskurs untereinander, mit der Sonne, den Planeten und ihren Monden führen Mond Mond (Rückseite) (Rückseite) Saturnmond Saturnmond Phoebe Phoebe Folie 38 Ringvorlesung 15.10.2009 9. Asteroiden und Kometen als Impaktoren The late heavy bombardement Nice-Modell Koeberl, 2006 Jupiter und Saturn haben sich nach WW mit kleinen Körpern in 1:2 Resonanz bewegt und dann chaotische Verhältnisse im PS ausgelöst (LHB) Folie 39 Ringvorlesung 15.10.2009 9. Asteroiden und Kometen als Impaktoren Folie 40 Ringvorlesung 15.10.2009 Sizes and Impact Frequencies of NEOs 9. Asteroiden und Kometen als Impaktoren Mountain 500,000 yr Peekskill meteorite M Bui ill l d en in ni g um m 15 k K-T mass extinctor, 65 Myr ago Myr 100 Huge, extremely rare d n o B o We c uld ek Se er D us t Smallest, most frequent Leonid Leonid meteor meteor shower shower SL9 hits Jupiter 1994 Tunguska, 1908 Folie 41 Ringvorlesung 15.10.2009 9. Asteroiden und Kometen als Impaktoren Konsequenzen von Impakts Oberflächenformung (Altersbestimmung) Atmosphärenveränderungen Eintrag von Wasser und organischen Molekülen Energieeintrag (Vernichtung der Biosphäre) Triggern von Leben Artensterben Abwehrmaßnahmen möglich! Folie 42 Ringvorlesung 15.10.2009 10. Kometen und Geschichte(n) Kometen haben die menschliche Geschichte beeinflusst Kometen galten lange Zeit als Götterboten Ermordung von Julius Cäsar (44 v.u.Z.) Schlacht bei Hastings 1066 (Komet Halley) vermeintliches Kriegsglück für Napoleon (Russlandfeldzug 1811) Panikreaktionen der Bevölkerung noch 1910 (Halley) mit Selbstmorden Folie 43 Ringvorlesung 15.10.2009 11. Zusammenfassung Asteroiden und Kometen sind Überbleibsel der Entstehung des Planetensystems bilden die Klasse der kleinen Körper (100 m bis 1000 km) im Sonnensystem und haben sich daher nur wenig verändert sind daher wissenschaftlich von hohem Interesse wechselwirken auch heute noch mit Planeten und Monden haben einen direkten Zusammenhang mit dem Leben auf der Erde sind faszinierende und mystische Objekte sind Ziel von Raummissionen (bisher 13 Missionen, davon 4 auf Oberfläche) Folie 44 Ringvorlesung 15.10.2009
