Institutsbereich Geophysik, Astrophysik, und Meteorologie (IGAM) Allgemeine Geophysik Vorlesung im Wintersemester 2013/2014 Ulrich Foelsche ulrich.foelsche@uni-graz.at http://www.uni-graz.at/~foelsche/

Das Untersuchungsobjekt Geophysik 02 Das Untersuchungsobjekt Bildquelle: Max Planck Institut für Aeronomie Quelle: MPI Aeronomie Wie weit „reicht“ die Erde? Die Einfluss-Sphäre der Erde reicht bis zur Magnetopause.

Geophysik 03 Allgemeine Geophysik (1) Entstehung der Erde

Planetenentstehung (1) – Adlernebel Geophysik 04 Planetenentstehung (1) – Adlernebel Fast alle Bilder der nächsten Folien wurden mit dem Weltraumteleskop (Hubble Space Telescope – HST) aufgenommen und sind unter: http://www.stsci.edu/ kostenlos erhältlich. Ein thematisch geordnetes Bildarchiv gibt es unter: http://oposite.stsci.edu/pubinfo/Subject.html 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.

Planetenentstehung (2) – Orionnebel Geophysik 05 Planetenentstehung (2) – Orionnebel IR Ein Lichtjahr entspricht der Strecke, die das Licht mit einer Geschwindigkeit von ca. 300 000km/s in einem Jahr zurücklegt. In Kilometer ausgedrückt entspricht ein Lichtjahr einer Strecke von 9.46 Billionen Kilometer. Obwohl es der Name vermuten lässt, ist das Lichtjahr eine Entfernungs- und keine Zeiteinheit! Die Sonne ist von der Erde etwa 8 Lichtminuten entfernt, der Mond nicht einmal 1½ Lichtsekunden. Der Orionnebel M42, 1 500 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 149.6 Mio. km, die mittlere Entfernung Erde – Sonne. Quelle: HST

Planetenentstehung (3) – Kollaps Geophysik 06 Planetenentstehung (3) – Kollaps Ein Lichtjahr entspricht der Strecke, die das Licht mit einer Geschwindigkeit von ca. 300 000km/s in einem Jahr zurücklegt. In Kilometer ausgedrückt entspricht ein Lichtjahr einer Strecke von 9.46 Billionen Kilometer. Obwohl es der Name vermuten läßt, ist das Lichtjahr eine Entfernungs- und keine Zeiteinheit! Die Sonne ist von der Erde etwa 8 Lichtminuten entfernt, der Mond nicht einmal 1½ Lichtsekunden. 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).

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

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

Planetenentstehung (6) – Kernfusion Geophysik 09 Planetenentstehung (6) – Kernfusion Das rechte Bild zeigt denn Endpunkt der Entwicklung. Während das Wasserstoffbrennen bei der Sonne über etwa 10 Milliarden Jahre konstant Energie liefert (also noch für etwa 5 Milliarden Jahre), dauert das „Siliziumbrennen“ (das erst oberhalb von 3 Milliarden Grad zündet) nur noch wenige Stunden. Im Fall des roten Überriesen folgt unmittelbar auf das oben gezeigte Bild ein Supernova-Explosion. Im Fall der Sonne wird das Heliumbrennen noch etwa 100 Millionen Jahre dauern. Die Wasserstoffbrennzone ist zu diesem Zeitpunkt schon weit nach außen gewandert, dadurch wird sich die Sonne zu einem „Roten Riesen“ aufgebläht haben, der mindestens bis zur Venusbahn reichen wird. Die Oberflächentemperatur der Sonne hat dann zwar abgenommen (deshalb ist sie „rot“ und nicht mehr „gelb“), aufgrund der extrem vergrößerten Oberfläche wird die Leuchtkraft aber auf das Tausendfache des heutigen Werts ansteigen. Auf der Erde wird es dann sehr unwirtlich werden (aber bis dahin haben wir noch etwas Zeit). 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.

Planetenentstehung (7) – Sterbende Sterne Planetarische Nebel (1) Geophysik 10 Planetenentstehung (7) – Sterbende Sterne Planetarische Nebel (1) Alle Bilder: HST Bis auf kleine Spuren von Lithium und Beryllium wurden alle Elemente die schwerer als Helium sind, im Inneren von Sternen durch Kernfusion erzeugt. Eine Bildung von erdähnlichen Planeten war also erst möglich, nachdem sterbende Sterne das interstellare Medium mit schweren Elementen angereichert hatten. Quelle: HST (Alle Bilder) Planetarischer Nebel NGC6543 „Egg Nebula“ CRL2688 „Eskimo“ Nebel NGC6392 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.

Planetenentstehung (8) – Sterbende Sterne Geophysik 11 Planetenentstehung (8) – Sterbende Sterne Supernovae Alle Bilder: HST Überreste eines Supernova– Ausbruchs im Sternbild Schwan Der Krebsnebel M1 im Sternbild Stier ist der Überrest einer Supernova-Explosion, die im Jahr 1054 in China beobachtet wurde. Der Cirrus Nebel ist der Überrest eines Supernova Ausbruchs, der sich vor etwa 50 000 Jahren im Sternbild Schwan ereignete. Die Supernova 1987A wurde im Jahr 1987 in der Großen Magellanschen Wolke (Large Magellanic Cloud – LMC), unser nächsten Nachbargalaxie beobachtet. Quelle: HST (Alle Bilder) Krebsnebel M1 Supernova 1987A in der LMC 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.

Planetenentstehung (9) – Bewohnbarkeit Geophysik 12 Planetenentstehung (9) – Bewohnbarkeit Der Krebsnebel M1 im Sternbild Stier ist der Überrest einer Supernova-Explosion, die im Jahr 1054 in China beobachtet wurde. Der Cirrus Nebel ist der Überrest eines Supernova Ausbruchs, der sich vor etwa 50 000 Jahren im Sternbild Schwan ereignete. Die Supernova 1987A wurde im Jahr 1987 in der Großen Magellanschen Wolke (Large Magellanic Cloud – LMC), unser nächsten Nachbargalaxie beobachtet. 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).

Planetenentstehung (10) – Akkretionsscheibe Geophysik 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). Für alle Objekte außerhalb der Äquatorebene gibt es immer eine Komponente der resultierenden Kraft, die zur Äquatorebene weist.

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

Planetenentstehung (12) – Scheibenwelt Geophysik 15 Planetenentstehung (12) – Scheibenwelt Diese Bild ist auch als „Saurons Auge“ bekannt geworden (Inset mit Dank an P. Jackson). 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.

Terrestrische Planeten Geophysik 16 Das Sonnensystem Venus Mond Merkur Erde Erde Mars Terrestrische Planeten Gasplaneten, jeweils gleicher Maßstab Bildquelle: www.solarviews.com Saturn Die Erde ist der größte der (ähnlich aufgebauten) terrestrischen Planeten, im Vergleich mit den Riesenplaneten oder Gasplaneten (die wiederum untereinander sehr ähnlich sind) wirkt sie allerdings bescheiden (rechts oben). Das Bild rechts unten zeigt die kleineren Planeten und die größten Monde des Sonnensystems im gleichen Maßstab. Die vier größten Jupitermonde (Ganymed, Kallisto, Io und Europa), der größte Saturnmond (Titan) und der größte Neptunmond (Triton) sind alle größer als der kleinste (Ex-) Planet - Pluto, Ganymed und Titan sind sogar größer als Merkur. Bilder und Daten des Sonnensystems gibt es unter http://www.solarviews.com http://photojournal.dlr.de/ http://www.nineplanets.org/ oder in einer deutschen Version unter http://www.neunplaneten.de/nineplanets/nineplanets.html (Neun?) Jupiter Venus Mars Erde Ganymed Titan Merkur Kallisto Neptun Uranus Io Mond Europa Triton Pluto

Mondentstehung – Riesenimpakt Geophysik 17 Mondentstehung – Riesenimpakt GEO Kompakt Nr. 1: „Die Geburt der Erde“ (Literatur-Empfehlung) Riesenimpakt (Bildquelle: GEO). Für etwa eine Stunde leuchtete die Erde heller als die Sonne.

Mondentstehung – Riesenimpakt Geophysik 18 Mondentstehung – Riesenimpakt 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. Ein Artikel zum Impaktszenario zur Mondentstehung, die Simulations- bilder und ein paar links sind unter http://www.psrd.hawaii.edu/Dec98/OriginEarthMoon.html zu finden. 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.

Entstehungszeit Quelle: Nature Geophysik 19 Entstehungszeit Quelle: Nature Nach aktuellem Wissensstand kondensierten die ersten (größeren) festen Bestandteile des Sonnensystems vor 4 567 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 100 000 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. Die Erde nimmt auch heute noch an Masse zu, in erster Linie durch Akkretion von Mikrometeoriten (0,2-0,5 mm Durch-messer). Sie wird pro Tag um etwa 50 bis 100 Tonnen schwerer. Das ergibt bei gleichbleibendem Wachstum in 4,6 Milliarden Jahren allerdings nur eine gleichmäßige Schicht von etwa 5 cm.

Geophysik 20 Bildung der Erdkruste 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). Erstarrendes Magma im Lavasee des Erta Ale (Äthiopen) als „Modell“ für die Bildung der ersten Erdkruste. Nur auf der Erde entwickelte sich die Plattentektonik.

Narben der Planetenentstehung Geophysik 21 Narben der Planetenentstehung Krater mit ~ 80 km Durch-messer auf der Rückseite des Mondes (Apollo 11). Gezeitenkräfte haben bewirkt, daß der Mond der Erde stets dieselbe Seite zuwendet. Auf der Vorderseite des Mondes findet man zwei Arten von Geländetypen. Die stark mit Kratern zerklüfteten, hellen Hochländer (oder terrae -> Länder) und die dunkleren, jüngeren, weniger mit Kratern übersäten maria (dt. Meere). Der Begriff Meteor bezeichnet nur die Leuchtspur am Himmel. Ein Meteorit ist der Körper, der auf der Erde (oder sonst wo) eingeschlagen ist und eventuell einen Krater erzeugt hat. Asteroiden sind Kleinplaneten, von denen die meisten die Sonne zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter umkreisen. Einige tausend Asteroiden sind bekannt. Der größte ist Ceres mit einem Durchmesser von 933 km. Die Grenze zwischen Meteoriten und Asteroiden ist fließend, beide bestehen überwiegend aus Gestein und Metall, Kometen zu einem großen Teil aus Eis. 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).

Narben der Planetenentstehung Geophysik 22 Narben der Planetenentstehung Quelle: NASA Das Südpol-Aitken Becken auf der (für uns unsichtbaren) Rückseite des Mondes hat einen Durch-messer von etwa 2 500 km. Die Maria sind nahezu kreisförmig und entstanden in der Frühzeit des Mondes, als große Asteroiden auf seiner Oberfläche einschlugen und sich die Becken in der Folge mit Basalt füllten. Die Rückseite unterscheidet sich von der Vorderseite insofern ganz wesentlich, als sie keine großen Maria-Becken aufweist. Quelle: GEO

Planetesimale auf Kollisionskurs Geophysik 23 Planetesimale auf Kollisionskurs <http://www.astronews.com/news/artikel/2013/02/1302-039.shtml> "Der Asteroid hatte einen Durchmesser von ungefähr 17 Metern und wog etwa 10.000 Tonnen", so die Analyse von Professor Peter Brown von der kanadischen University of Western Ontario. "Er traf die Erdatmosphäre mit einer Geschwindigkeit von 64.000 Kilometern pro Stunde und brach in einer Höhe von 19 bis 24 Kilometern auseinander. Die resultierende Explosion hatte eine Stärke von mehr als 470 Kilotonnen TNT", Am 15. 2. 2013 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).