Entwicklung der Erde / terrestrischen Planeten I

STEOP: System Erde (LV 280001)
Unterstützendes Handoutmaterial zum Themenkomplex 9:
Das Sonnensystem und die
terrestrischen Planeten
Dieses Handoutmaterial ergänzt die Vorlesungsinhalte. Zur Prüfungsvorbereitung
wird weiters empfohlen Kapitel 9 „Die Entwicklung der terrestrischen Planeten “ des
Lehrbuchs „Press/Siever - Allgemeine Geologie“ (J. Grotzinger et al.), 5. Aufl.,
Springer Spektrum, 2008 (hier insbesondere die Kapitelzusammenfassung).
Bei Fragen bitte zu kontaktieren:
Prof. Lutz Nasdala, Institut für Mineralogie und Kristallographie der Universität Wien
UZA2 Raum 2A251 / Telefon 4277-53220 / e-mail: [email protected]
Sonnensystem
•
Entstehung aus einer runden, langsam rotierenden Gas- und Staubwolke
•
Kontraktion und Rotation formen eine flache Scheibe, welche schnell
rotiert (Konzentration der Masse im Zentrum; hier entsteht später die
Proto-Sonne)
•
Aus der äußeren Gas- und Staubscheibe entstehen durch Kondensation
und Kollision die Planetesimale
•
Terrestrische (innere) Planeten:
- Merkur, Venus, Erde, Mars
- durch gravitative Kollision und Akkretion von Planetesimale
- relativ klein und bestehen aus Gesteinsmaterial
•
Jovianische (äußere) Planeten:
- Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun
- Entstehung durch Akkretion von Gasen
- bestehen überwiegend aus Gasen, Kerne aus Gesteinsmaterial
- Pluto ist KEIN äußerer Planet im obigen Sinne, sondern ein „kosmischer Schneeball“ aus Methan, Wasser und Gesteinsmaterial
Terrestrische (= innere) Planeten
•
•
•
•
= Erdähnliche Planeten: Merkur, Venus, Erde, (Mond), Mars
Feste Oberflächen, bei einigen flüssiger Kern
Aufbau aus Gestein (Oxide von Al, Ca, Si, Mg, Fe)
Geringer Anteil an H, He
Radius
[Rerde]
Masse
Vescape
Magnetf.
mittlere
Dichte
[Merde]
[km/s]
Erde=1
[g/cm2]
Merkur
0.382
0.055
4.25
0.01
5.4
Venus
0.949
0.815
10.4
0
5.2
Erde
1
1
11.2
1
5.5
Mond
0.273
0.012
2.4
0
3.3
Mars
0.533
0.11
5.02
0.02
3.9
Jovianische (= äußere) Planeten
•
•
•
•
Zusammensetzung: 70% H, 30% He, 1% schwere Elemente
(Gasplaneten)
Aufbau von außen nach innen:
-Atmosphäre aus H2, He, CH4
-weiter innen metallischer Wasserstoff (Jupiter, Saturn) bzw. H2O, NH3
(Titan, Uranus)
- kleiner fester Kern aus Eisen, Silikate, Eise
Ring-Systeme: auf Keplerbahnen in der Äquator-Ebene umlaufende
Partikel, innerhalb der Roche-Grenze (starke Gezeitenkräfte)
Viele Monde
Radius
Masse
m.
Magnetf. Vescape
Dichte
[RErde]
[MErde]
[g/cm3]
Erde=1
[km/sec]
Jupiter
11.2
318
1.3
14
60
Saturn
9.5
95
0.7
0.6
34
Uranus
4.1
15
1.6
0.6
22
Neptun
3.8
17
1.6
0.4
22
Weitere Planeten / Kleinkörper
Kometen: Aufbau
• Kern
- „schmutziges“ Eis: H2O, CO, CO2, H2CO, CH3OH, organischer und
Silikat-Staub
- ca. 10 km
• Koma
- umgebende Atmosphare aus Gas und Staub
- ensteht durch Sonneneinstrahlung (Erhitzung)
- ca. 104 - 105 km
• Gasschweif (heller Teil des Schweifs)
- Ladungsaustausch Sonnenwind und Koma
- Sonnenmagnetfeld erzeugt Lorentz-Kraft
→Beschleunigung entgegen Sonnenrichtung
• Staubschweif (diffuser Teil des Schweifs)
- Beschleunigung von Staub durch Strahlungsdruck
(geringere Beschl. → Beugung des Schweifs)
Weitere Planeten / Kleinkörper
Kometen: Beispiel Halley‘s Komet
• Halley verwendete 1705 Newton‘s Gravitationstheorie und zeigte, dass die
Kometen aus den Jahren 1531, 1607 und 1682 identisch sind...
• sagte Auftauchen in 1758 vorher
• Periodizität von 76 Jahren
→ nächstes Erscheinen 2061
Weitere Planeten / Kleinkörper
Meteoriten:
• Meteorit = aus dem Kosmos stammender fester Körper, welcher nach
Durchquerung der Erdatmosphäre die Erdoberfläche erreicht hat
• Gegensatz Meteorid = ursprünglicher, noch im Weltall befindlicher Körper
• Klassifikation I:
- undifferenzierte M. (Chondrite)
- differenzierte M.
• Klassifikation II:
- Steinmeteorite (Chondrite und Achondrite)
- Eisenmeteorite
Widmanstättensche Figuren (exakter: Widmanstätten-Textur), durch
Epitaxie von Kamacit (α-Fe, Ni-arm) und Taenit (γ-Fe, Ni-reicher).
Beobachtet bei sog. Oktaedriten nach Anätzen (Taenit ist etwas
stabiler).
- Übergangsform: Stein-Eisen-Meteorite
Erde-Mond-System
• Vor ca. 4,5 Millarden Jahren (bezüglich der Akkretion der Erde mittlere bis
späte Phase) schlug ein Himmelskörper von der Größe des heutigen
Mars uf der Erde auf.
• Es entstand eine große Menge an mechanisch freiem Material („Schutt“,
welcher sowohl von der Erde selbst als auch dem aufschlagenden
Asteroiden stammte). Dieses Material wurde unmittelbar nach dem
Aufschlag in den Weltraum hinausgeschleudert.
• Durch den Aufprall des Asteroiden erhöhte sich die Rotationsgeschwindigkeit der Erde, die Rotationsachse wurde gekippt (23° gegen die
Senkrechte zur Erdumlaufbahn).
• Aus der Erde wurde ein Planetenkörper, dessen äußerer Bereich aus
einem Magmaozean bestand.
• Aus dem herausgeschleuderten Schuttmaterial wurde der Mond
akkrediert (Bestätigung dieser Impakt-Hypothese durch U–Pb
Datierung: Mondalter 4,47 Ga).
Entwicklung der Erde / terrestrischen Planeten I
• Nach Asteroiden-Impakt und Mondentstehung war die Erde ein
Planetenkörper, dessen äußerer Bereich aus einem Magmaozean
bestand.
• Während der folgenden Differentiation sank das schwere Eisen in den
zentralen Bereich ab; leichtes Material stieg an die Oberfläche und
bildete die Kruste.
• Als Folge weist die heutige Erde einen schalenförmigen Bau auf:
- Erdkruste
fest
0–40 km
- oberer Erdmantel
i.W. fest, plastisch
40–660 km
- unterer Erdmantel
i.W. fest, plastisch
660–2900 km
- äußerer Kern
flüssig
2900–5150 km
- innerer Kern
fest
5150–6370 km
• Entwicklung der Erd-Kontinente durch Plattentektonik.
(Gegensatz Venus: Schuppentektonik wegen stärkerer Konvektion)
Entwicklung der Erde / terrestrischen Planeten II
• 4560 Ma: Entstehung der Erde (und anderer Planeten) durch Akkretion
• 4510 Ma: Entstehung des Erdmondes durch Impakt-Ereignis
• 4470 Ma: älteste Mondgesteine
• 4400 Ma: älteste Minerale der Erde (Zirkon, ZrSiO4, Westaustralien)
Metakonglomerat W74 („the discovery site“) in den Jack Hills, zentrales Westaustralien. In diesem Gestein
wurden die ältesten Minerale der Erde gefunden: bis 4,4 Milliarden Jahre alte Zirkonkristalle.
Fotos privat.
Entwicklung der Erde / terrestrischen Planeten III
• ca. 4400 Ma: Kern-Mantel –Differentiation abgeschlossen
• ca. 4000 Ma: Entstehung der Erdozeane; Wasser auf dem Mars
• 3900 Ma: jüngerer Meteoritenschauer (Erde); Entstehung der
Kraterlandschaften auf dem Mars
• 4000–3200 Ma: Entstehung der basaltischen Gesteine in den MondMaria
• ca. 3800 Ma: erste Hinweise auf Leben auf der Erde (durch Isotope)
• ca. 3500 Ma: erste Hinweise auf Leben auf der Erde (durch Fossilien)
• ca. 3500 Ma: ungefähres Ende des Vorkommens größerer
Wassermengen auf dem Mars; vermutlich Ende der Bildung von
Sedimentgesteinen auf dem Mars
• ca. 500 Ma: Alter der ältesten heute an der Venusoberfläche
existierenden Gesteine
• 200–100 Ma: Alter der jüngsten magmatischen Gesteine auf dem Mars
(Lavaflüsse des Vulkans Olympus Mons)