ASTRONOMIE UND ASTROPHYSIK Eine Einführung
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INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Physics Textbook Mathias Scholz ASTRONOMIE UND ASTROPHYSIK Eine Einführung INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE INHALTSVERZEICHNIS TEIL 1: Die Erde als Beobachtungsort Die scheinbare Himmelskugel .................................................................................................................... Tägliche Bewegung, scheinbare Sonnenbahn, Zeitsysteme, Kalender...................................................... Geographische Koordinaten ...................................................................................................................... Mond und scheinbare Mondbahn ............................................................................................................. Mondphasen .............................................................................................................................................. Libration ..................................................................................................................................................... Sonnen- und Mondfinsternisse.................................................................................................................. Scheinbare Planetenbahnen ...................................................................................................................... TEIL 2: Sphärische- und Positionsastronomie Einführung in die Sphärische Trigonometrie ............................................................................................. Astronomische Koordinatensysteme ......................................................................................................... Koordinatentransformationen ................................................................................................................... Auf- und Untergangszeiten ........................................................................................................................ Astronomische Ortsbestimmung ............................................................................................................... Die zeitliche Veränderung von Gestirnskoordinaten ................................................................................. Aberration des Lichts ................................................................................................................................. Refraktion................................................................................................................................................... Horizontalparallaxe .................................................................................................................................... Jährliche Parallaxe...................................................................................................................................... Die Eigenbewegung von Sternen ............................................................................................................... Local Standard of Rest ............................................................................................................................... Statistische Parallaxen ............................................................................................................................... Sternstromparallaxen ................................................................................................................................ Fundamentalsysteme und Fundamentalastronomie ................................................................................ Sternkataloge und Sternatlanten............................................................................................................... Sternbilder ................................................................................................................................................. Verzeichnis der Sternbilder ........................................................................................................................ INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE TEIL 3: Himmelsmechanik Kurze Geschichte der Himmelsmechanik .................................................................................................. Meilensteine der Himmelsmechanik ......................................................................................................... Physikalische Grundlagen .......................................................................................................................... Bewegungsgesetze .................................................................................................................................... Erhaltungssätze.......................................................................................................................................... Bewegung im Gravitationsfeld .................................................................................................................. Zweikörperproblem ................................................................................................................................... Bahnelemente ........................................................................................................................................... Die Kepler-Gleichung ................................................................................................................................. Bahnbestimmung....................................................................................................................................... Ephemeriden ............................................................................................................................................. Planetarisches N-Körperproblem .............................................................................................................. Bahnstörungen .......................................................................................................................................... Resonanzen................................................................................................................................................ Drei- und N-Körperprobleme..................................................................................................................... Eingeschränktes Dreikörperproblem ......................................................................................................... Deterministisches Chaos............................................................................................................................ Roche-Grenze ............................................................................................................................................ Virialsatz..................................................................................................................................................... TEIL 4: Astronomische Beobachtungen, Teleskope, Detektoren, Techniken Astronomie im optischen und infraroten Spektralbereich........................................................................ Teleskope ................................................................................................................................................... Refraktoren ................................................................................................................................................ Spiegelteleskope ........................................................................................................................................ Weltraumteleskope ................................................................................................................................... Observatorien und Riesenteleskope ......................................................................................................... Liste der größten Teleskope der Welt (D>8 m) ......................................................................................... Kompensation mechanischer und optischer Unzulänglichkeiten des Teleskops ...................................... Kompensation des Einflusses der Erdatmosphäre auf die Bildqualität ..................................................... Strahlungsdetektoren ................................................................................................................................ Fotografie................................................................................................................................................... CCD (charge coupled devices) ................................................................................................................... INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Sekundärelektronenvervielfacher ............................................................................................................. Bolometer .................................................................................................................................................. Geräte zur Analyse optischer Strahlung .................................................................................................... Optische Filter ............................................................................................................................................ Polarimeter und Polarimetrie .................................................................................................................... Spektrographen und Spektroskopie .......................................................................................................... Optische Interferometrie ........................................................................................................................... Astronomie im kurzwelligen Spektralbereich ............................................................................................ UV-Astronomie .......................................................................................................................................... Röntgenastronomie ................................................................................................................................... Gammaastronomie .................................................................................................................................... Direkter Nachweis von Gammastrahlung .................................................................................................. Indirekter Nachweis von Gammastrahlung ............................................................................................... Radioastronomie ........................................................................................................................................ Radioteleskope .......................................................................................................................................... Radiointerferometrie ................................................................................................................................. Very-Long-Baseline- Interferometrie ......................................................................................................... Millimeter- und Submillimeterastronomie ................................................................................................ Teleskope für den Millimeter- und Submillimeterbereich ........................................................................ Beobachtungsgeräte und Methoden der Sonnenforschung ..................................................................... Sonnenteleskope ....................................................................................................................................... Optisches Design und Montierung ............................................................................................................ Koronographen .......................................................................................................................................... Sonnenbeobachtung in Spektralbereichen außerhalb des sichtbaren Lichtes.......................................... Spektrographen und Spektroheliographen ............................................................................................... Beobachtung von solaren Magnetfeldern ................................................................................................. Neutrinoastronomie .................................................................................................................................. Neutrinoteleskope ..................................................................................................................................... Gravitationswellenastronomie .................................................................................................................. INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE TEIL 5: Planetologie Was ist ein Planet?..................................................................................................................................... Innerer Aufbau und Oberflächen planetarer Körper ................................................................................. Das Innere planetarer Körper .................................................................................................................... Endogene Energiequellen und Wärmetransport....................................................................................... Wärmetransport in Gesteinsplaneten ....................................................................................................... Seismische Wellen und ihre Nutzung zur Erforschung des Inneren von Gesteinsplaneten...................... Petrologie von Gesteinsplaneten, Planetoiden und Monden ................................................................... Die kosmische Elementehäufigkeit............................................................................................................ Gesteinsbildende Minerale........................................................................................................................ Gesteine ..................................................................................................................................................... Gesteinsschmelzen (Magmen) .................................................................................................................. Gesteine auf anderen Planeten ................................................................................................................. Planetenoberflächen ................................................................................................................................. Impakte ...................................................................................................................................................... Tektonische Prozesse und Vulkanismus .................................................................................................... Atmosphären ............................................................................................................................................. Planetare Magnetfelder............................................................................................................................. Entstehung planetarer Magnetfelder ........................................................................................................ TEIL 6: Sonnensystem Die Planeten unseres Sonnensystems ....................................................................................................... Erdartige Planeten ..................................................................................................................................... Merkur ....................................................................................................................................................... Venus ......................................................................................................................................................... Erde ............................................................................................................................................................ INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE AUSFÜHRLICHES INHALTSVERZEICHNIS TEIL 1: Die Erde als Beobachtungsort Die scheinbare Himmelskugel .................................................................................................................... Nachweis der Erdrotation Geozentrische Weltsicht Messung von Sternparallaxen Info: Was ist eigentlich ein Heliometer? Himmelskugel Himmelspole Zenit und Nadir Himmelsäquator Meridian Untere und obere Kulmination Tägliche Bewegung, scheinbare Sonnenbahn, Zeitsysteme, Kalender...................................................... Scheinbare Rotation der Himmelskugel Sonnen- und Sterntag Zeitgleichung Zeitzonen Zeitsysteme Tag- und Nachtbogen Sonnenwende Scheinbare Sonnenbahn, Ekliptik Kalendersysteme Gregorianischer Kalender Julianisches Datum Info: Wie rechnet man ein bürgerliches Datum in ein Julianisches Datum um und umgekehrt? Sonnen- und Mondfinsternisse Tierkreis Kapitelzusammenfassung Geographische Koordinaten ...................................................................................................................... Geographische Länge und Breite Geoid Referenzellipsoide Gauß-Krüger-Koordinaten Info: Was sind Geoundulationen? Topozentrische und geozentrische Koordinaten Mond und scheinbare Mondbahn ............................................................................................................. Siderischer Monat Synodischer Monat Drakonitischer Monat Anomalistischer Monat INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Große Ungleichheit Variation Jährliche Ungleichheit Lunare Ungleichheit Säkulare Änderungen der Mondbewegung Sternbedeckungen durch den Mond Mondphasen .............................................................................................................................................. Libration ..................................................................................................................................................... Libration in Länge Libration in Breite Tägliche Libration und physische Libration Sonnen- und Mondfinsternisse ................................................................................................................. Sonnenfinsternisse Mondfinsternisse Info: Sarosperiode Kapitelzusammenfassung Scheinbare Planetenbahnen ...................................................................................................................... Geozentrisches Weltsystem Epizykeltheorie Info: Hipparch von Nikaia und die wahre Erdbahn Scheinbare Planetenbewegungen am Himmel Planetenphasen Exkurs: Geozentrische Planetentheorie Kapitelzusammenfassung TEIL 2: Sphärische- und Positionsastronomie Einführung in die Sphärische Trigonometrie ............................................................................................. Sphärische Dreiecke Halbwinkelsätze Halbseitensätze Gauß-Delambrische Gleichungen Napiersche Gleichungen Spezialfall rechtwinkliges sphärisches Dreieck Astronomische Koordinatensysteme ........................................................................................................ Astrometrie Horizontsystem Äquatorialsystem Präzession der Erdachse Platonisches Jahr Milankovic-Zyklen Andere astronomische Bezugssysteme Info: Entstehung der Luni-Solarpräzession Koordinatentransformationen................................................................................................................... Äquatorialsystem – Horizontalsystem Äquatorialsystem – Ekliptikalsystem Äquatorialsystem – Galaktisches System INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Auf- und Untergangszeiten ........................................................................................................................ Tagbogen Astronomische Ortsbestimmung ............................................................................................................... Standlinienverfahren Global Positioning System (GPS) Exkurs: Wie funktioniert das Global Positioning System (GPS)? Kapitelzusammenfassung Die zeitliche Veränderung von Gestirnskoordinaten ................................................................................. Schiefe der Ekliptik Info: Der Frühlingspunkt als Koordinatenursprung der Äquatorialsysteme Präzession Nutation -Drehung der Mondbahnebene in 18.6 Jahren -Weitere Nutationsperioden -Nutationsmodelle Aberration des Lichts ................................................................................................................................. Astronomische Aberration Apex der Erdbewegung Geozentrische – heliozentrische Positionen Refraktion................................................................................................................................................... Brechungsgesetz Info: Abplattung der Sonnenscheibe beim Sonnenuntergang Horizontalparallaxe .................................................................................................................................... Tägliche Parallaxe Jährliche Parallaxe...................................................................................................................................... Entfernungsmessung von Sternen Trigonometrische Parallaxe Parsek als astronomische Entfernungseinheit Die Eigenbewegung von Sternen ............................................................................................................... Fixsterne Statistische Parallaxen Radialgeschwindigkeit, Dopplereffekt Pekuliarbewegung Local Standard of Rest ............................................................................................................................... Apex und Antiapex der Sonnenbewegung Apexgeschwindigkeit Statistische Parallaxen ............................................................................................................................... Komponenten der Eigenbewegung Rotationsparallaxen Sternstromparallaxen ................................................................................................................................ Vortex Sternstrom Info: Die Hyaden und die kosmische Entfernungsskala INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Fundamentalsysteme und Fundamentalastronomie ................................................................................ Inertialsystem Fundamentalastronomie Definition eines Fundamentalsystems Praktische Realisierung Fundamentalkataloge Arten von Bezugsrahmen Sternkataloge und Sternatlanten .............................................................................................................. Info: Hipparcos- und TYCHO-Katalog Sternbilder ................................................................................................................................................. Herkunft der Sternbild- und Sterneigennamen Benennung veränderlicher Sterne Astronomisches Recherchesystem SIMBAD Verzeichnis der Sternbilder ....................................................................................................................... Kapitelzusammenfassung TEIL 3: Himmelsmechanik Kurze Geschichte der Himmelsmechanik .................................................................................................. Exkurs: Das heliozentrische Weltsystem des Nicolaus Copernicus Meilensteine der Himmelsmechanik ......................................................................................................... Von Kepler über Lagrange, Poincare, Einstein bis zum KAM-Theorem und dem Projekt „Long-Stop“ Physikalische Grundlagen .......................................................................................................................... Die Newton’schen „Grundsätze oder Gesetze der Bewegung“ im Originalwortlaut Bewegungsgesetze .................................................................................................................................... Trägheitsgesetz Dynamische Grundgleichung Gegenwirkungsgesetz Newton’sches Gravitationsgesetz Zentralkraftfelder Poisson-Gleichung Trägheitskräfte Info: Wie fand Isaak Newton das Gravitationsgesetz? Erhaltungssätze.......................................................................................................................................... Impulserhaltung Drehimpulserhaltung Energieerhaltung Erhaltung des Schwerpunktes Bewegung im Gravitationsfeld .................................................................................................................. Schwarzschild-Metrik Apsidendrehung der Planetenbahnen Zweikörperproblem ................................................................................................................................... Kepler-Problem Bewegungsgleichungen Drehimpulserhaltung INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Zweites Keplersches Gesetz Bahnform Runge-Lenz-Vektor Erstes Keplersches Gesetz Exkurs: Kegelschnitte Bahngeschwindigkeiten Ellipsenbahn Hyperbelbahn Parabelbahn Drittes Keplersches Gesetz Lösung des Zweikörperproblems Exkurs: Kepler und die Planetengesetze Keplers Planetengesetze in Originalfassung (Harmonices mundi, 1619) Bahnelemente ............................................................................................................................................ Bahnneigung i, Länge des aufsteigenden Knotens Ω Laplace-Vektor Perihelabstand ߱ Gauß’sche Vektoren Große Halbachse a und Exzentrizität e Perihelzeit ߬ Exkurs: Die Erdbahn Die Kepler-Gleichung ................................................................................................................................. Exzentrische, wahre und mittlere Anomalie Iterative Lösung der Keplergleichung Bahnbestimmung ....................................................................................................................................... Methode Laplace-Problem Geschichte der Bahnbestimmung Moderne Methoden zur Bahnbestimmung Ephemeriden.............................................................................................................................................. Ephemeridenrechnung Lösung der Kepler-Gleichung Info: Wo stand Saturn am 1. März 2008 am Himmel? Exkurs: Der Flug zur Venus – Hohmann-Bahnen Kapitelzusammenfassung Planetarisches N-Körperproblem............................................................................................................... Bahnstörungen........................................................................................................................................... Störungstheorie Periodische und säkulare Störungen Allgemeine und spezielle Störungen Oskulierende Elemente Tisserand-Kriterium Info: Milankovic-Zyklen, Erdbahnparameter und die Entwicklung des Klimas Resonanzen ................................................................................................................................................ Resonanzverhältnis Laplace-Resonanzen Kommensurabilitätslücken Spin-Bahn-Kopplung INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Drei- und N-Körperprobleme..................................................................................................................... Bewegungsgleichungen Integrale des Drei- bzw. N-Körperproblems Schwerpunkterhaltung Baryzentrisches Bezugssystem Drehimpulserhaltung Energieerhaltung und Virialsatz Eingeschränktes Dreikörperproblem ......................................................................................................... Euler’s Lösung Die Lagrange-Lösung und die Librationspunkte Stabilität von Bahnen um die Librationspunkte Dynamische Stabilität und Jacobi-Integral Kolineare Lagrange-Punkte sind instabil Dreieckspunkte sind stabil Librationsbahnen Horizontale und vertikale Lyapunov-Orbits Halobahnen Tadpole- und Horseshoe-Orbits Info: Halobahnen und Bumerang-Effekt: Die Flugbahn der Raumsonde Genesis Trojaner Staubmonde Hill-Sphäre Info: Janus und Epimetheus Deterministisches Chaos............................................................................................................................ Deterministisches Chaos Chaotisches Verhalten Hamilton-Formalismus und Phasenraum Attraktoren KAM-Theorem Langzeitstabilität des Sonnensystems Dynamische Entwicklung von Planetensystemen Roche-Grenze ............................................................................................................................................ Gezeitenkräfte Virialsatz..................................................................................................................................................... Kapitelzusammenfassung TEIL 4: Astronomische Beobachtungen, Teleskope, Detektoren, Techniken Essay – Astronomische und astrophysikalische Forschung ....................................................................... Astronomie im optischen und infraroten Spektralbereich........................................................................ Elektromagnetisches Spektrum Teleskope ................................................................................................................................................... Optische Parameter Abbildungsmaßstab Auflösungsvermögen Rayleigh-Kriterium INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Refraktoren ................................................................................................................................................ Erfindung des Fernrohrs Vergrößerung Bedeutung Verwendung Spiegelteleskope ........................................................................................................................................ Kugel- und Parabolspiegel Sphärische Aberration, Koma Ritchey-Chretien-Teleskope Schmidt-Spiegel Maksutov-Teleskope Spiegel aus Spiegelsegmenten Flüssigspiegelteleskope Teleskopmontierungen Weltraumteleskope ................................................................................................................................... Hubble-Weltraumteleskop Spitzer-Weltraumteleskop (SIRTF) Herschel-Teleskop Observatorien und Riesenteleskope .......................................................................................................... Mauna Kea-Observatorium Kanarische Inseln Chilenische Anden Calar Alto – Sierra de los Filabres / Südspanien Mount Graham Observatory Liste der größten Teleskope der Welt (D>8 m).......................................................................................... Kompensation mechanischer und optischer Unzulänglichkeiten des Teleskops ...................................... Aktive Optik Kompensation des Einflusses der Erdatmosphäre auf die Bildqualität ..................................................... Auswirkung der Erdatmosphäre, Szintillation und Seeing Tip-Tilt-Spiegel Adaptive Optik Shack-Hartmann Wellenfrontsensor Künstlicher Referenzstern Kapitelzusammenfassung Strahlungsdetektoren ................................................................................................................................ Fotografie ................................................................................................................................................... Photoplatte Schwärzungskurve Schwarzschild-Effekt Empfindlichkeit Hypersensibilisierung CCD (charge coupled devices) .................................................................................................................... CCD-Chips Auslesevorgang FITS – Flexible Image Transport System Blooming-Effekt INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Vorteile von CCD-Kameras Binning Rohbild Dunkelbild-Korrektur Flatfield-Korrektur Sekundärelektronenvervielfacher ............................................................................................................. Sternphotometer Mikrokanalplatten Bolometer .................................................................................................................................................. Thermoelektrischer Effekt Thermoelement Halbleiterbolometer Bolometerarray SCUBA Geräte zur Analyse optischer Strahlung .................................................................................................... Optische Filter............................................................................................................................................ Farbfilter Interferenzfilter Nebelfilter Polarimeter und Polarimetrie .................................................................................................................... Polarisierte Wellen Lineare und elliptische Polarisation Polarisationsgrad Stokes-Parameter Entstehung polarisierten Lichts -Synchrotronstrahlung -Streuung an Staubteilchen -Dichroitische Absorption Polarisationsmessungen Spektrographen und Spektroskopie .......................................................................................................... Spektralanalyse Prismenspektrograph Gitterspektrograph Auflösungsvermögen eines Spektrographen Transmissions- und Reflektionsgitter Spaltspektrographen Vergleichsspektren Spaltspektrographen mit Lichtleitkabeln Objektivprismenspektrographen Fourier-Spektrographen -Michelson-Interferometer -Fourier-Transformation -Spektrales Auflösungsvermögen Optische Interferometrie ........................................................................................................................... Doppelspalt-Interferometer Sterndurchmesserbestimmung nach der Methode von Michelson und Peaes Optische Interferometrie mit kohärenter Zusammenführung von Licht aus Einzelteleskopen Interferometer außerhalb der Erde Forschungsaufgaben für optische Interferometer Liste optischer Interferometer INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Kapitelzusammenfassung Astronomie im kurzwelligen Spektralbereich ............................................................................................ Strahlungsgesetze Kurzwelliger Spektralbereich Synchrotronstrahlung UV-Astronomie .......................................................................................................................................... Ozon-Absorption Lyman-Kontinuum und „interstellarer Nebel“ Entwicklung der UV-Astronomie UV-Spektroskopie Röntgenastronomie ................................................................................................................................... Nachweis von Röntgenstrahlung Proportionalzähler Wolter-Teleskope Weitere Detektionstechniken Röntgenspektroskopie Geschichte der Röntgenastronomie Info: Wie funktionieren Wolter-Spiegel? Gammaastronomie .................................................................................................................................... Bremsstrahlung Inverser Compton-Effekt Annihilationsprozesse Kernumwandlungen Direkter Nachweis von Gammastrahlung .................................................................................................. Photo- und Comptoneffekt, ݁ ା ݁ ି Paarerzeugung Szintillationszähler Solid State Gamma-Ray Detectors Funkenkammern Compton-Scatter Compton-Observatorium Richtungsmessungen -Starre und Modulationskollimatoren -Codierte Masken Indirekter Nachweis von Gammastrahlung ............................................................................................... Kosmische Strahlung Cherenkov-Strahlung Abbildende Cherenkov-Teleskope MAGIC-Teleskope Kapitelzusammenfassung Radioastronomie ........................................................................................................................................ Radiofrequenzbereich Geschichte der Radioastronomie Radioteleskope .......................................................................................................................................... Spiegeldurchmesser und Auflösungsvermögen Oberflächengenauigkeit Mechanische Deformationen der Spiegelfläche Empfänger Antennencharakteristik INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Empfängerrauschen Nyquist-Theorem Antennentemperatur Quellentemperatur Empfängertechnik Radiospektroskopie Akustooptische Spektrometer Autokorrelationsspektrometer Radiointerferometrie ................................................................................................................................. Funktionsprinzip Erdrotations-Synthese Info: Apertursynthese Very-Long-Baseline- Interferometrie ......................................................................................................... Funktionsweise HALCA Wissenschaftliche Resultate Millimeter- und Submillimeterastronomie ................................................................................................ Frequenzbereich Molekülspektroskopie Teleskope für den Millimeter- und Submillimeterbereich ........................................................................ James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) Caltech Submillimeter Observatory (CSO) Heinrich-Hertz-Telescope (HHT) IRAM 30-Meter Teleskop Aracame Large Millimeter Array (ALMA) Submillimeter-Array auf dem Mauna Kea (SMA) Great Millimetric Telescope (LMT) Info: Durchlässigkeit der Erdatmosphäre für Millimeter- und Mikrowellenstrahlung Kapitelzusammenfassung Beobachtungsgeräte und Methoden der Sonnenforschung ..................................................................... Sonnenteleskope ....................................................................................................................................... Standortwahl Optisches Design Optisches Design und Montierung ............................................................................................................ Turmteleskope Heliostat Siderostat Coelostat Koronographen .......................................................................................................................................... Lyot-Koronograph Protuberanzenfernrohre Extern okkultierende Koronographen Sonnenbeobachtung in Spektralbereichen außerhalb des sichtbaren Lichtes ......................................... Radio- und Millimeterwellenteleskope Erdgebundene UV-Beobachtungen Sonne im EUV-Bereich EIT von SOHO TRACE INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Solare Röntgenstrahlung Spektrographen und Spektroheliographen ............................................................................................... Gitterspektrographen Echelle-Spektrographen Spektroheliograph Beobachtung von solaren Magnetfeldern ................................................................................................. Zeeman-Effekt Magnetographen Kapitelzusammenfassung Neutrinoastronomie .................................................................................................................................. Entdeckung des Neutrinos Solare Neutrinos Einfangreaktionen Neutrino-Elektronenstreuung Wichtige Neutrinoteleskope und Neutrinodetektoren Neutrinoteleskope ..................................................................................................................................... Super-Kamiokande N-200 Baikal Info: Neutrinooszillationen und der Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein (MSW)-Effekt ANTARES / NESTOR AMANDA und ICECUBE Sudbury Neutrino Observatory (SNO) Exkurs: Teilchenastrophysik Info: Auf der Suche nach den WIMPS Gravitationswellenastronomie .................................................................................................................. Eigenschaften von Gravitationswellen Nachweis Experimente Kapitelzusammenfassung TEIL 5: Planetologie Was ist ein Planet? ..................................................................................................................................... Planemos – planetary mass objects Exoplaneten Info: Braune Zwergsterne Pulsarplaneten Definitionen -Planetare -Kuiper-Objekte -Planeten -Zwergplaneten -Plutoide Info: IAU-Definition von „Planeten“ im Sonnensystem Planetenmonde INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Innerer Aufbau und Oberflächen planetarer Körper ................................................................................. Das Innere planetarer Körper .................................................................................................................... Hydrostatisches Gleichgewicht Differentationsprozesse, Diskontinuitätsflächen Komprimierte und unkomprimierte mittlere Dichte Zweischalenmodell Weitere Daten über das Planeteninnere Trägheitsfaktoren Trägheitsmoment im Zweischalenmodell Planetare Gravitationsfelder -Multipolmomente -Äquipotentialfläche -Hauptträgheitsmomente Vermessung von Schwerefeldern Zwei-Wege Doppler-Tracking Präzession und Präzessionskonstante Abplattung Endogene Energiequellen und Wärmetransport....................................................................................... Radioaktive Aufheizung Gravitative Differentation Advektion Kryovulkanismus Wärmetransport in Gesteinsplaneten ....................................................................................................... Konvektion, Wärmeleitung und Advektion Endogene Energiequellen Wärmefluß Fourier’sches Gesetz der Wärmeleitung Energiebilanz Wärmetransport und tektonische Prozesse Resurfacing-Prozesse Energieexzess bei den Riesenplaneten Thermische Geschichte planetarer Körper Stoffliche Differenzierung Seismische Wellen und ihre Nutzung zur Erforschung des Inneren von Gesteinsplaneten...................... Seismologie Ausbreitung von seismischen Wellen Arten von seismischen Wellen -P- oder Longitudinalwellen -S- oder Transversalwellen -Ausbreitungsgeschwindigkeit -Laufzeitkurven Dichteverlauf im Erdinneren Adams-Williamson-Gleichung Eigenschwingungsmodelle der Erde Kapitelzusammenfassung Petrologie von Gesteinsplaneten, Planetoiden und Monden ................................................................... Planetare Petrologie Kosmische Mineralogie INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Die kosmische Elementehäufigkeit ............................................................................................................ Solare Elementehäufigkeit Planetare Elementehäufigkeit Stoffliche Differenzierung Elementehäufigkeit in der Erdkruste Info: Elementesynthese in Sternen Exkurs: Kristalle und Minerale Gesteinsbildende Minerale ........................................................................................................................ Minerale Klassifikation von Mineralien -Native Elemente -Sulfide -Oxide -Halide -Karbonate -Sulfate -Phosphate -Silikate Quarz-Siliziumdioxid Hochdruckmodifikationen von Quarz Klassifikation der Silikate Gesteine ..................................................................................................................................................... Mafische und felsische Minerale und Gesteine Einteilung der Gesteine nach der Genese Bildung von Primärgesteinen Plutonite Vulkanite Info: Klassifikation magmatischer Gesteine anhand ihrer felsischen Bestandteile Sedimentgesteine Diagenese Info: Kreislauf der Gesteine Pyroklastika Evaporite Metamorphite Kontakt- und Regionalmetamorphose Para- und Orthogesteine Gefügegruppen Impaktmetamorphosen Gesteinsschmelzen (Magmen)................................................................................................................... Magmabildung Primärgesteinsbildung Gesteine auf anderen Planeten ................................................................................................................. Venus Mars Mond Hauptgürtelplanetoiden Kapitelzusammenfassung Planetenoberflächen.................................................................................................................................. INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Exogene Prozesse Endogene Prozesse Impakte ...................................................................................................................................................... Phasen der Kraterbildung Durchmesser und Tiefe eines Impaktkraters Geologische Indikatoren für irdische Impakte -Reste des meteoritischen Körpers selbst -Schockmetamorphe Gesteine -Mikrokügelchen aus Glas -Glasmeteorite (Tektite) -Iridium-Anomalien -Extraterrestrische Buckminster-Fullerene Sekundäre Spuren Häufigkeit von Meteoriteneinschlägen Impaktkraterstatistik Zukünftige Impakte auf der Erde Morphologie von Impaktkratern Tektonische Prozesse und Vulkanismus .................................................................................................... Vulkanische Prozesse Gebirgsbildungsprozesse Brüche und Verwerfungen Kryovulkanismus der Eismonde Vulkanismus auf der Erde Exkurs: Flutbasalte und Supervulkane Vulkanismus auf anderen Planeten -Venus --Resurfacing --Spezielle Vulkanbauten -Mars --Alba Patera --Olympus Mons -Mond und Merkur -Jupitermond Io Info: Manteldiapire Plattentektonik Die Idee der Kontinentaldrift Kontinente und Ozeane Kontinentalblöcke Ozeanboden Arten von Plattengrenzen Ursachen der Kontinentaldrift Öffnung des Atlantiks Wilson-Zyklus Plattentektonik, Biodiversität und Klima Plattentektonik und Mantelkühlung Plattentektonik und Wasser Bedeutung der Plattentektonik für die Oberflächengestaltung der Erde Erlöschen der Plattentektonik Erosion und Verwitterung.......................................................................................................................... Sedimentation im Kreislauf der Gesteine Erosionsprozesse auf anderen Gesteinsplaneten INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Kapitelzusammenfassung Atmosphären ............................................................................................................................................. Hydrostatisches Gleichgewicht Skalenhöhe -Homogene Atmosphäre -Vertikaler Aufbau einer Atmosphäre -Vertikales Temperaturprofil Energiebilanz -Treibhauseffekt und Runaway glaciation -Treibhausgase -Runaway glaciation – Runaway greenhouse effect Planetare Zirkulationssysteme -Hadley-Zellen -Meridionalzirkulation und Coriolis-Kraft -Zonale Strömungen Chemische Zusammensetzung und Stabilität von Planetenatmosphären -Die Jeans-Gleichung --Deuterium-Wasserstoffverhältnis --Prozesse in der Hochatmosphäre -Gase im chemischen Gleichgewicht --Riesenplaneten --Wolkenbildung in der Jupiteratmosphäre -Gleichgewichtsreaktionen Geschichte der Planetenatmosphären - Phasen in der Entwicklung der Erdatmosphäre --Uratmosphäre --Erste sekundäre Uratmosphäre --Zweite sekundäre Uratmosphäre --Dritte und rezente Erdatmosphäre Exkurs: Paradoxon der „schwachen jungen Sonne“ Kapitelzusammenfassung Planetare Magnetfelder ............................................................................................................................. Aufbau des Erdmagnetfeldes -Stoßfront und Magnetosheath -Magnetopause -Magnetosphäre -Plasmapause -Plasmaschicht -Polare Neutralpunkte -Ionosphäre -Van-Allen-Strahlungsgürtel Info: Magnetfelder Bewegung geladener Teilchen im Magnetfeld -Elektrische Ströme in der Magnetosphäre Dynamik der Magnetosphäre -Space Weather Info: Polarlichter Entstehung planetarer Magnetfelder -Permanenter Magnetismus -Dynamoeffekt INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE --Geodynamo --Erdartige Planeten --Riesenplaneten und Großplaneten -Entwicklung planetarer Magnetfelder Magnetfelder der Planeten des Sonnensystems Kapitelzusammenfassung TEIL 6: Sonnensystem Die Planeten unseres Sonnensystems ....................................................................................................... Erdartige Planeten Merkur ....................................................................................................................................................... Merkur als Planet Temperaturen Rotation Innerer Aufbau -Eisenkern und Magnetfeld Oberfläche des Merkur -Kraterlandschaften wie auf dem Erdmond -Landschaftsformen --Einschlagbecken --Caloris Planitia --Borealis Planitia und Multiringkrater Tolstoi --Zwischenkraterebenen (intercrater plains) --Verwerfungen --Strahlenkrater und Strahlensysteme -Aufbau und Zusammensetzung der Oberflächengesteine --Färbung und Albedo --Defizit an FeO und TiOଶ --Space weathering Impaktchronologie -Methode --Merkur besitzt eine sehr alte Kruste (>4.2 Ga) --Pre-Tolstojan (4.2 – 4 Ga) und Tolstojan (4-3.9 Ga) --Calorian (3.9 – 3.5 bzw. 3.0 Ga) --Mansurian (3.5 bzw. 3.0 – 1 Ga) --Kuiperian (1 Ga bis heute) Eisablagerungen in den Polgebieten Thermische Geschichte -Problem überdimensionierter Eisenkern -Frühe Entwicklungsphasen -Kollisionstheorie zur Entstehung des Merkurs -Thermische Geschichte nach der Krustenbildung -Tidal Despinning Merkuratmosphäre -Beobachtungsmethoden -Zusammensetzung --Natriumschweif (sodium tail) --Quellen und Senken der Exosphäre Magnetfeld -Magnetosphäre INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE Merkur in Zahlen Kapitelzusammenfassung Venus ......................................................................................................................................................... Venus als Planet Innerer Aufbau Kern - Mantel – und Kruste Keine Plattentektonik Es gibt wahrscheinlich keine Asthenosphäre Kein Dynamo – kein Magnetfeld Wärmefluß an der Oberfläche Exkurs: Erforschung der Venus mit Raumsonden Oberfläche der Venus Radarbeobachtungen von der Erde aus Nomenklatura der geologischen Formationen Hypsometrie von Venus und Erde im Vergleich Ein kurzer Überblick über die „Geographie“ der Venus -Ishtar Terra -Aphrodite Terra -Beta Regio -Alpha Regio -Phoebe- und Themis Regio -Atalanta Planitia -Leda Planetia -Guinevere Planitia Info: Erkundung der Venus mit Synthetic Aperture Radar (SAR) – Magellan 1990-1994 Nördliche Hemisphäre der Venus Südliche Hemisphäre der Venus Geologische Strukturen -Großräumige Strukturen --Vulkanische Ebenen --Lavakanäle Info: Tektonische Kräfte -Tesserae -Gebirgszüge -Ridged Belts -Vulkanbauten --Gibt es noch aktiven Vulkanismus? --Schwankende Schwefeldioxidkonzentrationen -Schildvulkane --Maat Mons – Höchster Vulkan auf der Venus -Mittlere und kleinere Schildvulkane --„Anemonen“ --„Ticks“ --Pancake Domes – „Pfannkuchenvulkane“ -Calderas --Sacajawea Patera --Sachs Patera -Coronae und verwandte Strukturen --Coronae --Corona-dominierte Provinzen ---Themis Regio ---Östliche Eistla Regio INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE ---Zentrale Eistla Regio --Arachnoiden --Novae oder Stellate Fracture Centres --Geologie und Entstehung von Coronen -Hot-Spot-Vulkanismus -Magmen, Laven und Eruptionsverhalten -Impaktkrater auf der Venus --Alter und Verteilung --Klassifikation der Impaktkrater --Ausflüsse --Modifikationen nach dem Impakt -Äolische Strukturen Chronologie der Venusoberfläche -Impaktchronologie -Stratigraphie -Ältere Era – vom Fortunian zum Rusalkian --Fortunian --Sigrunian --Lavinian --Rusalkian -Jüngere Era – Atlian und Aurelian --Atlian --Aurelian Geologische Geschichte der Venus Ursachen des Resurfacing Info: Viskosität von Mantelgesteinen -Energiequellen für endogene Oberflächenveränderungen -Mantelkonvektion -Ebenenbildung und Hot Spot – Vulkanismus -Vertikale Krustendynamik -Mantelheizung und periodisches Resurfacing -Mantle Overturn -Nicht-katastrophale Szenarien Ein direkter Blick auf die Venusoberfläche Venusatmosphäre -Allgemeines -Zusammensetzung -Vertikaler Aufbau der Venusatmosphäre --Strahlungsbilanz ---Treibhauseffekt --Atmosphärenschichten ---Troposphäre ---Mesosphäre ---Thermosphäre und Kryosphäre ---Exosphäre -Troposphärische Wolkenschichten --Untere Wolkenschicht --Mittlere Wolkenschicht --Obere Wolkenschicht --Staubfreie Atmosphäre -Atmosphärenchemie --Photochemische Prozesse in der oberen Troposphäre INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE --Thermochemische Prozesse unterhalb der Wolkenschichten --Schwefelzyklus --Chemische Prozesse an der Lithosphären-Atmosphären-Grenzschicht -Dynamik der Venusatmosphäre --Beobachtungsmethoden --Wolkenmuster --Windgeschwindigkeiten ---Breitenabhängige Windgeschwindigkeiten ---Meridionale Strömungen ---Troposphärisches vertikales Windprofil --Großräumige Zirkulation ---Hadley-Zellen ---Polare Wirbel (polar vortex) ---Superrotation der Venusatmosphäre ----Zyklostrophisches Gleichgewicht ----Wärmetransport von der Tag- zur Nachtseite ----Windgeschwindigkeiten auf der Tag- und Nachtseite Info: Rossby-Zahl ---Strömungen in der oberen Meso- und Thermosphäre ----Sauerstoff-Airglow über der Nachtseite Das Deuterium / Wasserstoff-Verhältnis in der Venusatmosphäre und was es über die Klimageschichte des Planeten verrät -Isotopenverhältnisse -Das D/H-Verhältnis der Venusatmosphäre -Wasser als Wasserstoffquelle --Wasserreiche frühe Venus? --Ein Urozean auf der Venus? --Klimawechsel im Zuge des katastrophalen Resurfacing-Prozesses? --Und wenn die Venus schon immer trocken war? Info: Deuterium im Sonnensystem Magnetfeld -Wechselwirkung mit dem Sonnenwind --Induzierte Magnetosphäre --Stoßfront --Magnetosheat und Protonopause --Magnetotail Info: ASPERA 4 – Experiment auf Venus Expreß Venus in Zahlen Kapitelzusammenfassung Erde ............................................................................................................................................................ Die Erde als Planet Innerer Aufbau -Entdeckung des Schalenaufbaus der Erde -Wellenausbreitung im Erdinneren --Diskontinuitäten --Schattenzonen --Reflektionszonen -Seismologisches Modell des Erdinneren -Mineralogisches Modell des Erdinneren --Phasenübergänge --Phasendiagramme --Phasengrenzen und seismische Diskontinuitäten INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE -Thermisches Modell des Erdinneren --Wärmequellen --Geotherme und Wärmetransport --Wärmetransport durch Wärmeleitung --Wärmetransport durch Konvektion Info: Reynold-Zahl und Mantelkonvektion --Konvektionsmuster --Ganzmantelkonvektion --Geschichtete Konvektion --Seismische Tomographie des Erdmantels Info: Inverse Probleme -Eine Reise zum Mittelpunkt der Erde --A-Schicht: Erdkruste bzw. obere Lithosphäre --B-Schicht: Oberer Mantel ---Diskontinuitäten ---Mineralogische Zusammensetzung ---Thermische Konvektion ---Die Eklogit-Maschine ---Magmakammern --C-Schicht: Übergangszone (Mesosphäre) ---Tiefbeben ---Mineralogische Zusammensetzung ---Form der Phasengrenzflächen --D-Schicht: Unterer Mantel ---Mineralogische Zusammensetzung ---Manteltomographie --D‘‘-Schicht: Kern-Mantel-Grenze ---Eigenschaften ---Mineralogie ---Thermische Grenzschicht und Mantelplumes Info: Bullen-Parameter --E- und F-Schicht: Äußerer Erdkern ---Strömungen und Geodynamo Info: Eisen im Erdkern --G-Schicht: Innerer Erdkern ---Chemischer Aufbau ---Temperatur und Druck ---Elastische Anisotropie ---Rotationsverhalten ---Auskristallisation Oberfläche der Erde -Kontinente und Ozeane -Kontinentalblöcke --Kratone --Kontinentale Schilde und Tafeln --Terrane --Orogene --Isostasie -Ozeanböden --Schelfe --Kontinentalabhang --Kontinentalfuß INTENDED ONLY FOR INTERNAL USE --Tiefseerinnen --Tiefseebassins --Mittelozeanische Rücken -Lithosphäre und Plattentektonik Hydrosphäre der Erde --Wassermenge --Zusammensetzung des Meerwassers --Hydrosphäre und Klima --Kohlenstoffzyklus und Treibhauseffekt -Globale Meeresströmungen --Thermohalines Zirkulationssystem Exkurs: Der Ursprung des Wassers auf der Erde
