06 Planetensystem, Teil 3
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Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Kapitel III: Das Planetensystem 1 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Das Dreikörperproblem in der Himmelsmechanik Bewegung einer kleinen Masse unter der Wechselwirkung mit zwei größeren Himmelskörpern (m3 << m1, m2) Betrachtung im mitrotierenden Koordinatensystem der Körper m1,m2 y m1 S m2 y 2 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Roche Potential und Lagrange-Punkte m1 y1 = m2 y2 y m1 r1 m3 r y1 r x2 y2 r2 a m3 in der Rotationsebene von m1,m2 r1 x (y y1 ) 2 x y2 S r2 x (y y 2 ) 2 m2 2 2 3 Roche Potential und Lagrange-Punkte Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Beschleunigungen auf m3: Schwerebeschleunigung durch m1: G m1/r12 y m1 r1 m3 Zentrifugalbeschleunigung: w2r r y1 Für Kreisbahn gilt: w2 = 4p2/P2 = G(m1+m2)/a3 Beschreibung als Potential F: r2 a x y2 S m2 Schwerebeschleunigung durch m2: G m2/r22 m1 m2 m1 m2 2 F G r 3 2a r1 r2 Mit G=1 und a=1: F m1 m2 1 (m1 m2 )r 2 r1 r2 2 Roche-Potential 4 Roche Potential und Lagrange-Punkte Librationspunkte (Lagrangepunkte) für grad F= 0 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem r x r y ; mit x r y r m m 1 x 2 x (m1 m2 ) x x r13 r23 m1 m1 0 3 3 (m1 m2 ) x 0 x r1 r1 a) x=0: m1 m2 3 y y1 3 y y2 m1 m2 y 0 y r1 r2 Gl. 3. Grades für y: 3 Lösungen L1, L2, L3 L1 ca. 1.5 Mio km von der Erde entfernt. 5 Roche Potential und Lagrange-Punkte Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem m1 m2 b) 3 3 m1 m2 r1 r2 und 0 y Erfüllt für r1=r2=a Librationspunkte L4, L5 L1-L3 sind Sattelpunkte des Roche Potentials, L4,L5 Maxima Unter Berücksichtigung der Coriolisbeschleunigung bei bestimmten Massenverhältnissen stabile Bahnen um L4, L5 6 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Roche Potential und Lagrange-Punkte L1, L2 des Erde-Sonne Systems werden als Orbits für Satelliten benutzt (SOHO , WMAP) In L4 und L5 des JupiterSonne Systems findet man eine Häufung von Asteroiden („Trojaner“). 7 Eigenschaften der Planeten Innere Planeten: Merkur, Venus Äußere Planeten: Mars-Pluto Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem 8 Die terrestrischen 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 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem 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 9 Oberflächen der terrestrischen Planeten Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Oberflächenstrukturen: Einschlagskrater: Kollisionen häufiger in früher Phase, Hinweis auf alte Oberflächen 10 Oberflächen der terrestrischen Planeten Tektonik, vulkanische Strukturen Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Olympus mons Ozeanischer Rücken Vulkan auf Venus (Radardaten) 11 Merkur Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Mariner 10, 1974 Oberfläche ähnlich Mond: Krater, aber keine Maria. Alte Oberfläche, keine tektonische Aktivität, fester Mantel. Schwaches Magnetfeld => flüssiger, metallischer Kern Rotation gebunden, Resonanz zw. Bahn und Achse. dsid=2/3 aM (dsid~59d, aM~88d) Temperatur: -170oC - +430oC, wegen langer Tageslänge, Exzentrizität (0.206) Keine nennenswerte Atmosphäre (vesc=4.25 km/s) 12 Merkur Erste Raumsonde zum Merkur seit Mariner 10: Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem BepiColombo (Start ~2012) : 2 Orbiter (Kartierung, chemische Zusammensetzung, Magnetfeld) 13 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Venus •Sehr dichte Atmosphäre 100 bar, 97% CO2 •Wolkenschichten (Schwefelsäure H2SO4) •Temperaturen: -20oC Wolken, +460oC Oberfläche •Y-Form der Wolken durch Winde (scheinbare Rotation in 4d) •tatsächlich P=243d (>Venus-Jahr 225d) •Retrograd! •Kein Magnetfeld vermutlich wg. langsamer Rotation 14 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Venus •Hohe Temperatur auf der Oberfläche bedingt durch extremen Treibhauseffekt (GGTemperatur 260 K) •Entwicklung der Venus-Atmosphäre: - Anfangs dichte CO2 Atmosphäre und flüssige Ozeane - Feuchter Treibhauseffekt (CO2, H2O) - Dann runaway Treibhauseffekt durch Verddampfen der Ozeane. - Verlust des Wasser durch Photdissoziation und Entweichen von Wasserstoff. - Vulkanismus entlässt sämtliches CO2 in Atm. - Kein flüssiges Wasser, um CO2 zu sedimentieren 15 Venus •Oberfläche durch Radar erkundet (Magellan 1990-1994) Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem •12 km hohe Gebirge •Wenige Krater, junge Oberfläche durch Vulkanismus geprägt. •Vulkane sind hoch, wahrscheinlich hot spot Vulkane (wie Hawaii), keine Anzeichen von heutiger Plattentektonik Venera 9 Lander 16 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Venus Magellan Radar-Karte 17 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Venus Vulkanische Landschaften aus Radar-Daten 18 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Mars • Rotation 24.6h, Achsneigung gegen Bahnachse 25o => Jahreszeiten ähnlich der Erde, jedoch länger und asymmetrisch wegen e=0.09 • Sonnenumlaufzeit T=669 d • Polkappen: aus CO2 und H2O: Nordpol ganzjährig, Südpol nur im Winter (> ausgedehnte Zirruswolken) • Dünne Atmosphäre 0.006 bar, 95% CO2, 3% N2, Ar • Nur 0.03% H2O, jedoch Wasser in Polkappen und möglicherweise als Eis unter der Oberfläche. • Temperaturen: Äquator: -50...00C, Pole -100...-50oC ~=GG-Temperatur, kaum Treibhauseffekt. • Geringes (fossiles) Magnetfeld => kein flüssiger Kern 19 Mars Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem •Oberfläche von Erde beobachtbar. Zahlreiche Raumsonden (Orbiter und Lander) •Südhalbkugel: Hochländer mit Kratern (ähnlich MondTerrae) •Nordhalbkugel: Tiefländer, Lavaflächen ähnlich Maria), Vulkane •Tektonische Strukturen (Faltungen, Grabenbrüche) •Erosionsstrukturen: Flussbetten (Frühere Wasservorkommen, Sandünen) •Gesteine: viel Fe2O3 (rot) 20 Mars Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem •Viking missionen (70er Jahre): 2 Orbiter und 2 Lander •u.a. biologische Experimente •Kein Nachweis von Leben Viking Lander 1976 Viking orbiter 1976 21 Mars • einige weitere Mars (Lande-)Missionen... Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Pathfinder Mission (1997): Marsmobil (Rover) Sojourner QuickTime™ and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture. Rover Spirit & Opportunity (2004) QuickTime™ and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture. Raumsonde Phoenix (2008) 22 Mars •2 Marsmonde: Phobos und Deimos Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem •Phobos: •27x21x19 km •a=2.8 Marsradien, P=7.7 h •wird in 30 Mio wg. Gezeitenreibung auf Mars stürzen Phobos •Deimos: •15x12x11 km •a=7 Marsradien, P=30 h Material ungleich Marsoberfläche, vermutlich eingefangene Asteroiden Deimos23 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Mars Spuren von flüssigem Wasser (Mars Global Surveyor, 1998) 24 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Asteroiden •= Planetoiden = Kleinplaneten •Feste Körper, Gesteinsbrocken, •Am häufigsten im Asteroidengürtel zw. Mars und Jupiterbahn •Verhinderter Planet? Ceres, D=1000 km Pallas, D=523 km Vesta, D=500 km Heute zehntausende bekannt, Entdeckung meist durch Strichspuren auf Himmelsaufnahmen Hauptinteresse heute auf Erdbahnkreuzer => potenzielle Gefahr Gesamtmasse bis 0.5 MErde 25 Asteroiden Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Himmelsmechanisch interessant: „Trojaner“ in stabilen Orbits um die Lagrangepunkte L4, L5 des Sonne-Jupiter Systems. Asteroid Eros beim Rendevous mit der Sonde NEAR, 2000 26 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Jovianische Planeten Radius Masse m. Dichte Magnetf. Vescape [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 Pluto spielt eine Sonderrolle 27 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Jovianische Planeten • Zusammensetzung: 70% H, 30% He, 1% schwere Elemente • 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 ÄquatorEbene umlaufende Partikel, innerhalb der RocheGrenze (starke Gezeitenkräfte) • Viele Monde 28 Jovianische Planeten Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem • Ring-Systeme: auf Keplerbahnen in der ÄquatorEbene umlaufende Partikel, innerhalb der RocheGrenze (starke Gezeitenkräfte) 29 Jupiter •Parallele Wolkenbänder Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem •Großer Roter Fleck: seit Jahrhunderten stabiler Zyklon •Abplattung 7% (bedingt durch schnelle Rotation von 9h) •Sonnenumlaufzeit T=12y •Temperatur d. Wolkenobergrenze: 130 K •Abstrahlung (vor allem IR) = 2x Sonneneinstrahlung, Energiequelle ist Gravitations-Kontraktion. •Starke Magnetosphäre: Radiostrahlung und Aurorae 30 Jupiter Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem •Bisher 63 Monde bekannt (Stand 2004) •Die 4 größten: (Galileische Monde) •Io: r=1816 km, a=6rJup, rotiert gebunden, vulkanisch sehr aktiv, wird durch starke Gezeitenreibung geheizt, starkes B-Feld •Europa: r=1563 km, a=9.5rJup weiss, eisbedeckt, möglicherweise Ozean aus flüssigem Wasser. •Ganymed: r=2638km, a=15.1 rJup, größter Mond des Sonnesystems > Merkur, ebenfalls eisbedeckt. •Callisto: r=2410km, alte Oberfläche mit Kratern. 31 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Jupiter Ringsystem (infrarot Aufnahme, APOD 970205) 32 Voyager Missionen (gestartet 1977) Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Voyager 1: Jupiter, Io, Kallisto Saturn + Monde Voyager 2: Jupter, Europa, Ganymed Saturn, Uranus, Neptun Besuch aller 4 Gasplaneten durch eine Sonde erst wieder in 200 Jahren möglich! Voyager: Sounds of Earth 33 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Voyager: Jupiter Jupiter-Ring 34 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Voyager: Jupiter Großer roter Fleck 35 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Voyager: Io Vulkane 36 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Saturn • Auffälligstes Merkmal: Ausgeprägtes Ringsystem sehr dünn 10...100 m, in der Äquatorebene Umlaufende Eisklumpen cm bis m, Keplerbahnen mit P=6h ... 15 h Feine Unterteilung durch schmale Lücken (z.B CassiniTeilung), bedingt durch Resonanzen mit Monden • Wolkenstruktur ähnlich Jupiter, aber weniger Kontrastreich • ca. 30 Monde: Titan ebenfalls > Merkur • Rotation P=10h32m, T=29y • Abplattung 11% 37 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Voyager: Saturn 38 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Voyager: Saturn 39 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Voyager: Saturn Saturnmond Titan mit Atmosphäre 40 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Uranus • Erforscht von Voyager 2, 1986 • Fast strukturlose Wolkenschicht • Rotation mit P=17h, T=84y • Inklination 98o => „rollt“ auf seiner Bahn • Magnetfeld 60o gegen Rotationsachse geneigt • Aufbau: Silikatkern H2O und NH3 (leitend) H, He, Methan • Ringsystem aus sehr dunklem Material • 5 grössere Monde + 10 weitere von Voyager entdeckt 41 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Voyager: Uranus 42 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Voyager: Uranus Uranus – Ringsystem 43 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Voyager: Uranus Von Voyager 2 entdeckte Uranus-Monde 44 Neptun Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem • Erkundung durch Voyager 2, August 1989 • Entdeckung von Galle 1846 nach Berechnung der Position (1o genau) durch Le Verrier aufgrund von Bahnstörungen des Uranus • P=19h, T=163y • Einige Wolkenstrukturen erkennbar • Schmale Ringe ähnlich Uranus • Magnetfeld 50o geneigt. 45 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Neptun Neptun , Voyager 2 46 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Neptun Voyager 2: Neptun-Ringe 47 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Neptun Voyager 2: Neptun-Ringe 48 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Neptun Voyager 2: „großer dunkler Fleck“ 49 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Neptun Voyager 2: Neptun und Triton 50 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Pluto • Radius 1150 km • Masse: 0.0022 Erdmassen • Mittlere Dichte: 2.1 g/cm3 • Keine Atmosphäre • Oberfläche gefrorenes Methan, Albedo fast 1 • Mond Charon: 1978 entdeckt, Radius 750 km => Doppelplanet. • Eigenrotation: 6.39 Tage • Sonnenumlaufzeit T= 248y • Gebundene Rotation von Pluto und Charon = einzigartig im Sonnensystem •Keine Naherkundung in absehbarer Zeit 51 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Pluto HST Aufnahme von Pluto und Charon 52 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Pluto HST Aufnahme von Pluto und Charon und zwei weiteren (möglichen) Monden von Pluto, Mitte 2005 53 Planet X Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem • eine ganze Reihe möglicher Kandidaten für Planet 10: 2000: 2000 EB173 2002: Quaoar 2003: 2003 UB313 (bisher namenslos?!) 2004: Sedna 54 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem Planet X W.M. Keck Observatory, Sept. 2005 hat 2003 UB313 sogar einen Mond? 55 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem weitere Kleinkörper im Sonnensystem: Kometen • unregelmässig geformte Körper • Mischung aus „Körnchen“ (Staub, kleinere Brocken von Eisen und Silikat) und gefrorenem Gas • Hauptmasse im Kern vereinigt (ca. 1 bis 100 km Durchmesser) • extrem elliptische (aber trotzdem gebundene!) Bahnen • Ursprung: Kuiper‘s Gürtel o ca. 30-50AU entfernt o Scheibenform o Perioden < 200 Jahren Oort‘s Wolke o ca. 50000AU entfernt o sphärische Verteilung o Perioden > 200 Jahren http://herschel.jpl.nasa.gov/56 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem weitere Kleinkörper im Sonnensystem: Kometen • spektakuläres Auftreten... 57 weitere Kleinkörper im Sonnensystem: Kometen Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem • ...zog Deutung als (meist böses) Omen nach sich 58 weitere Kleinkörper im Sonnensystem: Kometen • einige bekannte Kometen Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem • Halley‘s Komet Halley’s Comet - Halley verwendete 1705 Newton‘s Gravitationstheorie und zeigte, daß die Kometen aus den Jahren 1531, 1607 und 168 identisch sind... > sagte Auftauchen in 1758 vorher - Periodizität von 76 Jahren > naechstes Erscheinen 2061 • Hale-Bopp - sichtbar in den Jahren 1995-2000 - Rückkehr erst in ca. 2500 Jahren 59 weitere Kleinkörper im Sonnensystem: Kometen • Aufbau von Kometen Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Kapitel III: Das Planetensystem • Kern - „schmutziges“ Eis: H2O, CO, CO2, H2CO, CH3OH, organischer und Silikat-Staub - ca. 10 km • Koma - Atmosphare aus Gas und Staub, die Kern umgibt - 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 60
