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Institutsbereich Geophysik, Astrophysik, und Meteorologie (IGAM) Geophysik 01 Allgemeine Geophysik Vorlesung im Wintersemester 2013/2014 Ulrich Foelsche.

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1 Institutsbereich Geophysik, Astrophysik, und Meteorologie (IGAM) Geophysik 01 Allgemeine Geophysik Vorlesung im Wintersemester 2013/2014 Ulrich Foelsche

2 Das Untersuchungsobjekt Geophysik 02 Wie weit reicht die Erde? Die Einfluss-Sphäre der Erde reicht bis zur Magnetopause. Quelle: MPI Aeronomie

3 Allgemeine Geophysik Geophysik 03 (1) Entstehung der Erde

4 Planetenentstehung (1) – Adlernebel Dunkelwolken aus Staub und Wasserstoffgas im Adlernebel M16 (~7 000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Schlange), umgeben von jungen, leuchtkräftigen Sternen (Quelle: HST). Die sogenannten protostellaren Wolken am Oberrand der Gas- und Staubsäule (jede größer als unser Sonnensystem) sind Orte der Stern- entstehung – wie bei der Sonne vor ~4.6 Mrd. J. Geophysik 04

5 Planetenentstehung (2) – Orionnebel Der Orionnebel M42, Lichtjahre entfernt, enthält etwa 700 junge Sterne (IR Bild) und mindestens 150 protostellare Wolken. Einige verdampfen in der intensiven UV-Strahlung der vier hellen Sterne, die das Trapez bilden. Bsp. 5 zeigt die Seitenansicht einer Akkretionsscheibe. 1AU (Astronomical unit) ist dabei Mio. km, die mittlere Entfernung Erde – Sonne. Quelle: HST IR Geophysik 05

6 Das ganze Leben eines Sterns ist durch einen Kampf der Strahlung gegen die Gravitation geprägt. Bei der Sternentstehung wechseln Phasen, in denen das Gas unter seiner eigenen Schwerkraft kollabiert und die Dichte schnell steigt, mit Gleichgewichtsphasen, in denen die Temperatur und damit der innere Druck stark anwachsen und der Gravitation entgegenwirken (Ralf Launhardt, SdW 08/2013). Geophysik 06 Planetenentstehung (3) – Kollaps

7 Planetenentstehung (4) – Sternhaufen Geophysik 07 Offener Sternhaufen aus jungen Sternen: Die Plejaden (Bild: R. Gendler)

8 Planetenentstehung (5) – Sternhaufen Geophysik 08 Offener Sternhaufen in NGC 602 (Bildquelle: HST)

9 Planetenentstehung (6) – Kernfusion Im Inneren der Sterne wird Energie durch Kernfusion freigesetzt. Im Fall der Sonne werden je 4 Wasser- stoffkerne (Protonen) zu einem Heliumkern verschmolzen (Wasserstoffbrennen). Das Helium sammelt sich im Zentrum als Schlacke. Später werden im Zentrum auch Temperaturen erreicht, bei denen das Heliumbrennen beginnt, dabei wird Kohlenstoff gebildet. In roten Überriesen laufen in konzentrischen Schalen gleichzeitig verschiedene Fusionsprozesse ab, bei denen alle Elemente bis zum Eisen entstehen. Geophysik 09

10 Planetenentstehung (7) – Sterbende Sterne Planetarischer Nebel NGC6543 Egg Nebula CRL2688Eskimo Nebel NGC6392 Planetarische Nebel (1) Am Ende des Lebens eines Roten Riesen werden die äußeren Schichten des Sterns abgestoßen und umgeben den Sternenrest mit einer Schale aus Staub und Gas, die das interstellare Medium mit schweren Elementen anreichert. Die Hülle wird von dem Sternenrest durch UV-Strahlung zum Leuchten angeregt. In kleinen Fernrohren sehen diese Objekte wie kleine Planetenscheiben aus – daher der Name. Geophysik 10 Alle Bilder: HST

11 Planetenentstehung (8) – Sterbende Sterne Überreste eines Supernova– Ausbruchs im Sternbild Schwan Krebsnebel M1Supernova 1987A in der LMC Supernovae Als Supernova bezeichnet man den gigantischer Ausbruch eines massereichen Sterns nach dem Zusammenbruch (Kollaps) durch seine eigene Gravitationskraft. Während des Höhepunkts des Helligkeitsausbruchs kann eine Supernova die Leuchtkraft einer ganzen Galaxie übertreffen. Die äußeren Schichten werden abgestoßen, während der Rest zu einem Neutronenstern oder zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Alle Elemente die schwerer als Eisen sind, wurden bei Supernova–Ausbrüchen erzeugt. Geophysik 11 Alle Bilder: HST

12 Die Sonne wird noch weitere ~5 Milliarden eine ruhiges Hauptreihen-Leben führen, bevor es zum Schalenbrennen und damit zum Aufblähen zu einem Roten Riesen kommt. Die Erde wird aber schon wesentlich früher unbewohnbar. Durch die Temperatur-Zunahme im Kern nimmt auch die Leuchtkraft der Sonne zu – allerdings nur um etwa 0.7 % in 100 Millionen Jahren. Dadurch wird die Erde in etwa 500 Millionen Jahren für Menschen unbewohnbar sein (Ralf Launhardt, SdW 08/2013). Geophysik 12 Planetenentstehung (9) – Bewohnbarkeit

13 Planetenentstehung (10) – Akkretionsscheibe Die Bildung von erdähnlichen Planeten war erst möglich, nachdem sterbende Sterne das interstellare Medium mit schweren Elementen angereichert hatten. Rotierende Gas- u. Staubwolken kon- trahieren zu Akkretionsscheiben. Nur in der Äquatorebene der Scheibe können Gravitations- und Fliehkraft einander die Waage halten. In der Akkretionsscheibe bilden sich Protoplaneten (Quelle: Nature). Geophysik 13

14 Planetenentstehung (11) – Planetesimale Planetesimale in der Akkretionsscheibe (Bildquelle: GEO). Durch Kollision der Planetesimale entstehen Protoplaneten. Geophysik 14

15 Planetenentstehung (12) – Scheibenwelt Geophysik 15 Fomalhaut liegt, 25 Lj von der Erde entfernt, im Sternbild südlicher Fisch und ist einer der hellsten Sterne am Nachthimmel. Er wird von einer Staubscheibe umgeben, in der es einen auffälligen Ring gibt (Bildquelle: HST), dessen Zentrum nicht mit dem Zentralstern zusammenfällt – Ein deutlicher Hinweis auf einen Planeten – der dann auch nachgewiesen wurde.

16 Bildquelle: Das Sonnensystem Neptun Uranus Saturn Jupiter Gasplaneten, jeweils gleicher Maßstab Terrestrische Planeten Mars Mond Erde Venus Merkur Mars Venus Erde GanymedTitanMerkur Io Kallisto MondEuropaTritonPluto Erde Geophysik 16

17 Mondentstehung – Riesenimpakt Riesenimpakt (Bildquelle: GEO). Für etwa eine Stunde leuchtete die Erde heller als die Sonne. Geophysik 17

18 Mondentstehung – Riesenimpakt Computersimulationen zur Mondentstehung: Zwei schon differenzierte Protoplaneten prallen aufeinander. Beim zweiten Aufprall (9-16) verbleibt der überwiegende Teil des Eisenkerns (blau) beim größeren Körper (Erde). Das ausgeschleuderte Mantelmaterial (rot) bildet eine Akkretionsscheibe um die Erde und schließlich den Mond. Der Mond ist sehr ähnlich aufgebaut wie der Erd- mantel, das spricht für ein Entstehung in der gleichen Region des Urnebels. Der Eisenkern ist allerdings wesentlich kleiner als der der Erde und der Mond ist sehr arm an flüchtigen Substanzen. Die Gesamtheit Der Befunde kann nur mit der Impakttheorie zufrieden- stellend erklärt werden. Geophysik 18

19 Entstehungszeit Nach aktuellem Wissensstand kondensierten die ersten (größeren) festen Bestandteile des Sonnensystems vor Millionen Jahren aus dem solaren Urnebel (mit einer Unsicherheit von nur etwa 2 Millionen Jahren). Rechts: Ca/Al-reicher Einschluss des Allende-Meteoriten mit einem Durchmesser von etwa 1 cm (~ ältestes datiertes Material). Innerhalb von nur etwa Jahren entstanden die ersten Planeten-Embryos. Nach etwa 10 Mio. J. war die Proto-Erde schon zu etwa 2/3 fertig. Nach 30 Mio. J. war die Akkretion praktisch abgeschlossen, die Proto-Erde war vollständig differenziert. Nach der Kollision mit einem Protoplaneten von der Größe des Mars entstand zu diesem Zeitpunkt das Doppelsystem Erde-Mond. Alle Zeitangaben beruhen auf radiometrischer Datierung. Geophysik 19 Quelle: Nature

20 Bildung der Erdkruste Erstarrendes Magma im Lavasee des Erta Ale (Äthiopen) als Modell für die Bildung der ersten Erdkruste. Nur auf der Erde entwickelte sich die Plattentektonik. Durch den Riesenimpakt wurde die Erde bis in große Tiefen aufgeschmolzen. Die Oberfläche kühlt langsam ab, es bildet sich eine erste Erdkruste, die aber durch Impakte immer wieder zerrissen wird (Quelle: GEO). Geophysik 20

21 Narben der Planetenentstehung Krater mit ~ 80 km Durch- messer auf der Rückseite des Mondes (Apollo 11). Kurz nach ihrer Entstehung waren die jungen Planeten einem heftigen Bombardement von übrig gebliebenen Planetesimalen (Asteroiden, Meteoriten und Kometen) ausgesetzt. Auf den Planeten und Monden ohne Atmosphäre (z.B. Erdmond – links, Merkur – rechts) sind die Spuren dieser Einschläge noch heute deutlich sichtbar. Diese Einschläge lieferten aber auch z.T. das Wasser der Ozeane und organische Verbindungen. Die Meere des Mondes sind Spuren der heftigsten Impakte (Bilder: NASA). Geophysik 21

22 Narben der Planetenentstehung Geophysik 22 Das Südpol- Aitken Becken auf der (für uns unsichtbaren) Rückseite des Mondes hat einen Durch- messer von etwa km. Quelle: GEO Quelle: NASA

23 Planetesimale auf Kollisionskurs Geophysik 23 Am explodierte ein gerade einmal 17 m großer Meteoroid über dem Ural – mit der etwa 30fachen Energie der Hiroshima-Bombe (Bilder: Alex Alishevskikh, Velentin Kazako, RMES).


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