2. Planetensysteme

2.Planetensysteme
2.1ObjekteimSonnensystem
•  Sonne:99.9%derMassedesSonnensystems
•  8Planeten:
Merkur,Venus,Erde,Mars,Jupiter,Saturn,Uranus,Neptun
•  Monde,Satelliten:z.B.Erdmond,Io,Europa,Titan,...
•  Zwergplaneten:Ceres,Pluto,Eris,...
kugelförmig,aberBahnnichtvonanderenObjektenfreigeräumt
•  Asteroiden:Juno,Vesta,....>100’000Objekte
•  TransneptunischeObjekte(TNOs):Pluto,Eris...>1000Objekte
•  Kometen
•  InterplanetarerStaub
•  Meteoriten:kleineAsteroidendieaufdieErdefallen
•  Meteore:inderAtmosphäreverglühendeStaubteilchen
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2.2PlanetenimSonnensystem
NASA
2Typen:TerrestrischePlaneten:Merkur,Venus,Erde,Mars
hoheDichte:3-5g/cm3,Mg,Fe,Si,O,keinHe,H-Gas
Gasplaneten:Jupiter,Saturn,Uranus,Neptun
kleineDichte:0.7-1.8g/cm3,H,HeAtmosphäre
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2.3BedingungenfürLeben
•  festeOberflächeàterrestrischerKörper
•  günsfgeTemperaturàWasservorhanden
z.B.einemihlereTemperaturvonca.300Kdefiniertdie
bewohnbareZoneimPlanetensystem
• 
eineAtmosphärekönntewichfgsein,d.h.dieGasteilchensind
gravitafvgebunden
àMassedesObjektsdarfnichtzukleinsein
•  gleichbleibendeBedingungenàKreisbahn,
àkonstanteSternstrahlungwährend>109Jahren
•  gute“chemischeVoraussetzungen”àWasser
WoherkommtdasWasserderErde?
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2.4GleichgewichtstemperaturfürPlaneten
Annahme:esbestehteinGleichgewichtzwischen
SonneneinstrahlungundWärmeabstrahlungdesPlaneten
Ls:Sonnenleuchtkran,d:DistanzzurSonne,R:Radius,A:Albedo,
σ:Strahlungskonstante.
A:Albedoliegtzwischen0.1(Mond)und0.9(Venus)
àTeqwirdkleinermitwachsenderDistanzdzurSonne
àTeqistunabhängigvomRadiusdesObjekts
TeqisteineguteNäherungfürdieAtmosphärenschicht,vonderdie
Wärmestrahlungentweichenkann(Treibhauseffekt).Fürdie
OberflächentemperaturT0vonterr.PlanetenmitdickerAtmosphäre
istT0>Teq.
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-250o
0.3
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1.0
3.0
Distanz
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30.
Pluto
Neptun
Uranus
Mars
Erde/Mond
0o
Saturn/Titan
Temperatur oC
250o
Jupiter/Europa
Merkur
Venus
500o
Bewohnbare Zone
2.5BewohnbareZoneimSonnensystem
AE
5
2.6VerlustderAtmosphäre
GasteilchenkönnenvondenhöchstenAtmosphärenschichten
(Exosphäre)entweichen,fallsihreGesamtenergieEkin+Epotposifv
ist,d.h.fallsdieGeschwindigkeitvgrösseralsdie
EntweichgeschwindigkeitvEist:
m=Teilchenmasse,M,R:Masse,RadiusdesPlaneten.
DieTeilchengeschwindigkeitineinemGasmitTemperaturTwird
durchdieMaxwell-BoltzmannGeschwindigkeitsverteilung
beschrieben(k:Boltzmann-Konstante):
WahrscheinlichstevwundmihlereGeschwindigkeitv:
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Maxwell-BoltzmannGeschwindigkeitsverteilungfürzweiGastemperaturen:
•  diemeistenTeilchenhabeneineGeschwindigkeitimBereichvW,
•  vWistgrösserbeibeierhöhterTemperatur,
•  vWistgrösserfürleichteTeilchen,
•  dieHäufigkeitderTeilchenf(v)nimmtmitvexponenfellab.
Auchwennv>vEnurfüreinenextremkleinerAnteilderTeilchenzutriw,können
inMillionenvonJahrensehrvieleTeilchenentweichen.
•  DieErdatmosphäreverliertsodenWasserstoff,
•  derMondundallekleinenKörpermitniedrigervEverlierenalleGase.
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2.7AsteroidenundMeteoriten
ZwischenMarsundJupiterliegtderAsteroidengürtel.Asteroidenund
Meteoriten,(Asteroiden-BruchstückedieaufdieErdefallen)geben
AuskunnüberProzessederPlanetenentstehung:Wachstumdurch
Gravitafonanziehung,ZerstörungdurchKollisionen,Sedimentafonin
einenEisenkernundSilikatmantelbeigrossenAsteroidenetc.
DieZusammensetzungvonMeteoritenverrätihreHerkunnund
Geschichte:
•  Steinmeteorit:ausdemManteleines
grossenAsteroiden,
•  Eisenmeteorit:ausdemZentrumeines
grossenAsteroiden,
•  C-Chondrit:wenigveränderter
ursprünglicher“Baustein”.
Eisenmeteorit
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2.8Altersbesfmmung:radioakfvenZerfall
InterstellareMaterieenthältradioakfveMetalle,wiez.B.238U.Wird
nundiesesMaterialineinemObjektgebunden,zerfälltes,unddas
AlterdesObjektskannausdemVerhältniszwischenAusgangs-und
Endproduktbesfmmtwerden.
EinfachesBeispiel:Zerfallvon238Uin208Pb+84He
Annahme:N1(t)+N2(t)=N1(t0)
–  AmAnfanggibteskeinEndprodukt:N2(t0)=0
–  EsgibtnureinenProzess:AnfangsproduktN1zerfälltinEndproduktN2
Ausgangsprodukt:N1(t)=N1(t0)ˑ2-Δt/THalbwertszeitT=4.5ˑ109J
Endprodukt:N2(t)=N1(t0)(1–2-Δt/T)àAlter:Δt=
AltersbesfmmungenergebenfolgendeAlter:
Meteoriten:4.4-4.5MiaJ.ältesteMeteoriten:4.56MiaJ.
Mondgestein:3.1–4.4MiaJ.Erdgestein:<4.1MiaJ.
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2.9Kometen
KometensindeishalfgeObjekteausdemäusserenSonnensystem
(d>dNeptun),dievonihrerBahnabgelenktwurden,insinnere
SonnensystemgelangenunddortwegenderSonnenstrahlung
“verdampfen”(sublimieren).
TypischeEigenschanen:
•  Durchmesser≈1–10km
•  Zusammensetzung:EisundStaub
•  VerschiedeneBahntypen:kurzperiodischeKometenP≈10J
langperiodischeKometenP≈100J
quasi-parabolischeKometenP>1000J
Kometenschweif:
InderNähederSonnebildetsicheinKometenschweif,weilbei
ca.3AECO2-Eisundbei1.5AEH20-Eissublimiert.
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Kometenschweifesindimmervon
derSonneweggerichtetweildie
Teilchenbeschleunigtwerden.
EsgibtzweiSchweinypen:
àGeraderSchweif
Gasteilchenwerdenionisiertunddurch
diegeladenenTeilchen(Protonen)des
Sonnenwindes(v=400km/s)
beschleunigtundzumLeuchtenangeregt.
à GekrümmterSchweif
Staubteilchenwerdendurchden
StrahlungsdruckderSonnelangsam
beschleunigt.DerStaubstreutdasLicht
derSonne.
Komet West
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2.10InterplanetarerStaub
InterplanetarerStaub,entstehtdurchdieKollisionvonAsteroiden
unddie“Verdampfung”vonKometen.Eristbeobachtbarals:
•  ZodiakallichtodergestreutesSonnenlicht(Staubstreuung),
•  ThermischeStrahlungdesStaubesimIR-Bereich(λ=10μm)der
durchabsorbierteSonnenstrahlungaufgeheiztwird.
Zodiakallicht in der Dämmerung
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Thermische Staubstrahlung in galaktischen Koordinaten
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2.11Gas-undStaubscheibenumjungeSterne
JungeSternebesitzenScheiben:
•  zuerstAkkrefonsscheibendurchdieGasaufden
neugeborenenSternströmt,
•  ImAltervonca.1MioJahrenstopptdieAkkrefonundes
könnensichGasplanetenbilden,
•  Nachca.10MioJahrenistdasGasinderScheibeweg,weiles
z.B.aufdenSterngefallenist,durchdenSternwind
weggeblasenwurde,oderfürdiePlanetenbildung
aufgebrauchtwurde,
•  DanachentwickelnsichdiefestenKörper,z.B.Asteroidenund
terrestrischePlanetenweiter.DabeigibtesKollisionenundes
kannsicheineScheibeodereinRingmitvielStaubbilden.
Nachca.100Mio.J.istnurnochselteneineStaubscheibe
vorhanden.DiePlanetenentstehungistabgeschlossen.
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BeispielefürScheiben:
SAO206462mitGasscheibeFomalhautmitStaubring
Garufi et al. 2013
5.10.2016
Kalas et al. 2013
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