V. Die Planeten und ihre Monde

V. Die Planeten und ihre Monde
Merkur - Saturn bereits seit Antike bekannt
Uranus:1781 von Herschel entdeckt
Neptun:1846 von Galle entdeckt, nach Vorhersagen von Adams und LeVerrier
Direkte Beobachtungsgrößen
Radius R: direkt, mikrometrisch; Winkeldurchmesser
Masse M: dynamisch, aus 3. Kepler-Gesetz
Rotation: a) Verfolgung von Oberflächenphänomenen
b) Dopplereffekt: Linienverbreiterung des Echos eines Radarimpulses
Existenz einer Atmosphäre:
Spektrum = reflektiertes
Sonnenspektrum
& atmosphärische Linien
Beispiel: IR-Spektrum des
Saturnmondes Titan (Cassini)
Physikalische Eigenschaften
r = retrograd
ε = Neigung des Äquators gegen Bahnebene (→ „Jahreszeiten“)
Festkörperplaneten:
Gasplaneten:
Merkur - Mars („terrestrische Planeten“)
Jupiter - Neptun
Innerer Aufbau der Planeten
Hydrostatische Schichtung: Gleichgewicht zwischen Gravitation und Auftrieb
bestimmt inneren Aufbau der Planeten; auch gültig für die meisten Sterne
und Sternatmosphären; siehe auch Planetenatmosphären (unten)
• Allgemeiner Fall:
- Zustandsgleichung muss bekannt sein: p(ρ,T,chem.Zusammensetzung), d.h.
p-Schichtung nur zusammen mit T-Schichtung bestimmbar (Energietransport)
- Zustandsgleichung meist nur aus theoretischen Überlegungen, da Drücke im
Innern größer als im Labor herstellbar.
Innerer Aufbau lässt sich nur über theoretische Modellrechnungen erschließen
terrestrische Planeten & Erdmond
Gasplaneten
Aufbau Planetenatmosphären
i.A. H
const, da T = T(h) und
= (h)
Dissoziation, Ionisation
Typische Skalenhöhen: Erde N2 ( =28)
Venus CO2( =44)
Mars CO2( =44)
H = 8 km
H = 16 km
H = 13 km
Globaler Energiehaushalt der Planeten
• Solarkonstante
S = 1,37 kW/m2
Zustrahlung von der Sonne bei 1 AU
geometrische Verdünnung: S(r) = S (r/1AU)-2
Planet absorbiert πR2(1-A)S(r)
A = mittlere Albedo (Reflexionsvermögen), Erde: A ≈ 0,3
• Abstrahlung
4πR2σTeff4
(vgl. Stefan-Boltzmann-Gesetz)
Teff = Effektivtemperatur = Temperatur, die ein schwarzer Körper
haben muss, um die gleiche Energiemenge abzustrahlen
• Gleichgewicht
πR2(1-A)S(r) + 4πR2Q = 4πR2σTeff4
Q = innere Energiequellen
Erde: Q=0,06 W/m2 = 10-4 S, vernachlässigbar, Radioaktivität (U,Th)
Gasplaneten: Q/S = 2 … 3,5 Quelle: Gravitationskontraktion
Temperaturschichtung der Planetenatmosphären
T
Teff z.B. Erde: Teff = -18ºC, Ursache: Treibhauseffekt, Tag-Nacht-Ausgleich
Erde, Mars, Venus (hohe Albedo)
rot: Effektivtemperatur
Jupiter und Saturn
Stabilität von Planetenatmosphären
Entscheidend: M, R, T
Moleküle entweichen, wenn
Ekin > Epot
oder
v2 > ve2 = 2GM/R
wahrscheinliche Geschwindigkeit des Moleküls:
v = (2RT/µ)1/2 µ = Molekulargewicht
R = Gaskonstante
Anordnung gemäß Stabilität:
Stabilität gegenüber
Gezeitenkräften
Magnetfelder
Erde:
• Dipolfeld, verformt durch geladene Teilchen des Sonnenwindes
• Van Allen-Gürtel: „magnetische Flasche“ für Sonnenwindteilchen,
1958 durch Explorer 1 entdeckt
• Nordlichter
Erkundung des Sonnensystems (Meilensteine)
(Details und Ergebnisse Kapitel V)
Venus:
1962, 1967: Vorbeiflüge von Mariner-Sonden (USA)
1967-1969: 3 harte Landungen mit Venera-Sonden (UdSSR)
1970: Venera 7 (UdSSR) erste weiche Landung
1978: Radarkartierung durch Pioneer-Venus (USA)
1989: Radarkartierung durch Magellan (USA)
2006: Venus Express (ESA) Orbiter (derzeit laufend)
2010: Akatsuki (Japan) Orbiter; Ankunft 2016
Mars:
1964-1969: Vorbeiflüge von Mariner-Sonden (USA)
1976: Viking 1 und 2 (weiche Landungen und Orbiter, USA)
1997 Mars Pathfinder (USA), erster Rover
Seitdem zahlreiche Missionen, laufende Missionen:
seit 2001 Mars Odyssey (Orbiter, USA)
seit 2004 Mars Express (Orbiter, ESA)
seit 2004 Rover Spirit und Opportunity (USA)
seit 2006 Mars Reconnaissance Orbiter (USA)
Erkundung des Sonnensystems (Meilensteine)
Merkur: Erst 2 Missionen; 1974/1975: Mariner 10 (Vorbeiflug,
Kartierung).
2004 gestartet: Messenger (USA), Orbiter, Ankunft März 2011
(Kartierung), davor drei Vorbeiflüge absolviert (2007, 2008, 2009)
Große Planeten Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun:
Pioneer 10 und 11 (USA), Vorbeiflug an Jupiter (1974) und Saturn (1979)
Voyager 1 und 2 (USA), Start 1977, „Grand Tour“, Vorbeiflüge an Jupiter
(1979) und Saturn (1981). Voyager 2: Vorbeiflug an Uranus (1986) und
Neptun (1989)
Galileo (Ankunft 1996, USA): Jupiter-Orbiter und Sonde in
Jupiteratmosphäre
Cassini/Huygens (Ankunft 2004, NASA/ESA): Saturn-Orbiter (derzeit
aktiv) und weiche Landung auf Saturnmond Titan
„Grand Tour“ von Voyager 1 und 2
Funkverbindung besteht noch heute, Batterien
reichen noch bis ca. 2025
Messung hochenergetischer Protonen: Voyagers erreichen vermutlich gerade
den „Rand“ des Sonnensystems; dringen nun in das interstellare Medium vor.
Voyagers 1 and 2 have flown on different trajectories past the outer planets of the Solar System, and Voyager 1
may1 — or may not2 — have reached the termination shock, at 85 au from the Sun. The termination shock occurs
where the supersonic plasma of the solar wind begins to slow down as it encounters the interstellar medium at the
bounds of the Solar System. The solar wind and the interstellar medium do not merge easily, so further out,
beyond the termination shock, there is the true boundary between the solar wind and the interstellar medium —
the heliopause. Further out still, if the Solar System is itself moving supersonically relative to the interstellar
medium, there may be a large bow shock.
Erkundung des Sonnensystems (Meilensteine)
Kometen:
1985 International Comet Explorer (USA), Vorbeiflug an Giacobini-Zinner
1986 Giotto (ESA) und weitere 4 Sonden anderer Länder, Vorbeiflug an Halley
2001 Deep Space 1, Komet Borrelly
2005 Deep Impact (USA) Vorbeiflug und Aufschlagssonde, Komet Tempel 1
2006 Stardust bringt Staub der Koma des Kometen Wild 2 zur Erde
2014 Rosetta (ESA), Umkreisung und Landung auf Komet ChuryumovGerasimenko (unterwegs seit 2004)
Asteroiden, Kleinplaneten:
2001-2002, NEAR (USA), Umkreisung von Eros, weiche Landung
2003, Hayabusa (Japan) Asteroid Itokawa, Landung, Rückstart zur Erde 2007,
Ankunft Erde 2010, mit Spuren von Bodenproben
2007 DAWN (USA), unterwegs, Umkreisung von Vesta (ab Juli 2011) und Ceres
(ab 2015)
2006 New Horizons (USA), unterwegs zu Pluto, Ankunft 2015