06 Planetensystem, Teil 3

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
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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
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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
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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
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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

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Kapitel III: Das Planetensystem

Oberflächenstrukturen:
Einschlagskrater: Kollisionen
häufiger in früher Phase,
Hinweis auf alte Oberflächen
10
Oberflächen der terrestrischen
Planeten
Tektonik, vulkanische
Strukturen
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
Olympus mons
Ozeanischer Rücken
Vulkan auf Venus (Radardaten)
11
Merkur
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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:
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Kapitel III: Das Planetensystem

BepiColombo (Start ~2012) : 2 Orbiter (Kartierung,
chemische Zusammensetzung, Magnetfeld)
13
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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
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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)
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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
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Kapitel III: Das Planetensystem
Venus
Magellan Radar-Karte
17
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Kapitel III: Das Planetensystem
Venus
Vulkanische Landschaften
aus Radar-Daten
18
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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
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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
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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...
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Kapitel III: Das Planetensystem
Pathfinder Mission (1997): Marsmobil (Rover) Sojourner
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Rover Spirit & Opportunity (2004)
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Raumsonde Phoenix (2008)
22
Mars
•2 Marsmonde: Phobos und Deimos
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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
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Kapitel III: Das Planetensystem
Mars
Spuren von flüssigem Wasser (Mars Global Surveyor, 1998)
24
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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
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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
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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
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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
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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
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Kapitel III: Das Planetensystem
• ...zog Deutung als (meist böses) Omen nach sich
58
weitere Kleinkörper im Sonnensystem:
Kometen
• einige bekannte Kometen
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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
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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