Experimentelle Astrophysik

3. Vorlesung Montag 15. Mai 2017

Bachelor Freiwillige VeranstaltungLehramt WahlmodulMaster in Kombination mit anderer 2 SWS Veranstaltung

Experimentelle Astrophysik, 2 SWS, (4 Cr)

InhaltVorläufiger Plan der Vorlesung Kernphysik WS 2016/2 017

1. Doppelstunde: 24.04.2017 Planeten: Rotation, Entf ernungen, Zeiten

X. Doppelstunde: 01.05.2017 Feiertag

2. Doppelstunde 08.05.2017 Planeten: Eigenschaften, Z usammensetzung

3. Doppelstunde 15.05.2017 Planeten, Kometen, Asteroi den

4. Doppelstunde 22.05.2017

5. Doppelstunde 29.05.2017

X. Doppelstunde 05.06.2017 Pfingsten

6. Doppelstunde 12.06.2017

7. Doppelstunde 19.06.2017

8. Doppelstunde 26.06.2017

9. Doppelstunde 03.07.2017

10. Doppelstunde 10.07.2017

11. Doppelstunde 17.07.2017

12. Doppelstunde 24.07.2017

Zusammenfassung 1.Doppelstunde

- Größe der Erde, Entfernung zum Mond- Einfache Entfernungsbestimmungen, Triangulation, P arallaxe- 8 Planeten: Merkur - Neptun- Gravitationsgesetz- Keplersche Gesetze- Rotation, Revolution (fast )alle in einer Ebene un d im gleichen Drehsinn- Differentielle Rotation der Sonne- Sehr große Zahl an bekannten Objekten in Sonnensys tem- Entfernung nächste Sonne- Entfernung nächste Galaxie- Bahnparameter der Erde, Ekliptik, Jahreszeiten, St ernbilder- Abnahme Tageslänge, Gezeitenkräfte, Drehimpulserha ltung

Zusammenfassung 2. Doppelstunde

- 8 Planeten: 4 Gesteinsplaneten (Merkur, Venus, Erd e, Mars) und vier Gasriesen (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun)

- Rotation nimmt wegen Gezeitenkräften ab, Drehimpul sübertrag auf Mond- Erdgeschichte mit Evolution, seit 500 Mio Jahren r eicht Sauerstoff.- Mars hatte früher offenes Wasser und heute noch Bä che- tausende Exoplaneten entdeckt, meist Gasriesen.- Mond Titan: Seen und Flüsse aus Methan- Europa, Enceladus: vermutlich Ozean unter Eisschic ht, Heizung über Gezeitenkräfte.- Gezeitenkräfte: Saturnringe, Mond "eingelockt", Kr eisbahnen- Abstand zum Mond über Triangulation auf der Erde ( heute Radar)- Begriffe: Rotation, Revolution, Mond Librationen- Ekliptik (Ebene Erdbahn), Winkel der Erdachse erze ugt Jahreszeiten.- Venus: starker Treibhauseffekt (+ 450 Celsius)- Gesteinsplaneten Eisen-Nickel Kern, 5000 Grad, Eis en ist Asche Supernovae- Erde: Plattentektonik, Abkühlung vor 35 Mio Jahren durch isolierte Position Antarktis

1. Die Erdachse präzediert mit einer Periode von 25 000 Jahren und das beeinflusst das Klima (z.B. Eiszeiten).

2. Auch wenn die Erdachse genau senkrecht zur Ekliptik stände, gäbe es Jahreszeiten.

3. Der Mars hat nur zwei kleine Monde und daher ist seine Rotationsachse im Raum stabil.

4. Der Neigungswinkel der Erdachse zur Ekliptik ändert sich ebenfalls periodisch und verändert das Klima.

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1. Die Erde ist ein Kreisel. Die Erdachse ist um 22 Grad gegenüber der Ekliptik geneigt. Welche Aussage ist falsch?

Merkur äußerlich ähnlich Mond, geprägt von Einschlagkrater n.keine Verwitterung, außer durch enormeTag/Nacht Temperaturschwankungen (600K zu 100K) und durch Sonnenwind (Protonen).Großer Eisenkern im Unterschied zum Mond

keine AtmosphäreRotation 58.65dRevolution 88d2/3 „Resonanz“Exzentrizität 0,2056Abstand Sonne 0.31-0.46 AE

http://pds.jpl.nasa.gov/planets/

The small, bright halo crater (center) is 10 km (6 mi) in diameter.The prominent crater further left, which has a cent ral peak,is 30 km (19 mi) across. The darker, lightly crate red area(upper left) may be an ancient lava flow. Mercury's surface is similar to that of Earth's moon,

where a history of heavy cratering is followed by v olcanic filling.

1. Elastisches Rückfedern des komprimierten Festkörpers.

2. Vulkanische Eruption als Folge des Einschlags

3. "Zurückschwappen" des verflüssigten Materials ähnlich der Reaktion einer Wasseroberfläche auf Tropfen.

4. Überbleibsel des Einschlagobjekts

40%

5%

40%

15%

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2. Warum haben Krater eine Mittelerhebung?

VenusDruck Venusatmosphäre 90 Atmosphären . mehrere Kilometer-dicke Schichtenvon Wolken aus Schwefelsäuredampf. starker Treibhauseffekt, Aufheizung um 400 Grad auf über 740 K.-> Oberfläche heißer als die von Merkur,

Venustag dauert 243 Erdentage, geringfügig länger als einVenusjahr, gegenläufig . .

http://www.wappswelt.de/tnp/nineplanets/venus.html

Masse ca. 82% der ErdeDurchmesser ca. 95% ErdeGravitation 90 % ErdeSolarkonstante ca. 1.8 x der ErdeDruck 90 Bar CO 2Temperatur 450 oCRotation 243 Tage

Venus

Three large impact craters with diameters ranging from 37 km(23 mi) to 65 km (40 mi) arevisible in the fractured plains.Features typical of meteoriteimpact craters are also visible.Rough radar-bright ejecta surrounds the perimeter of thecraters; terraced inner walls and large central peaks can beseen. Crater floors appear dark because they are smooth and have been flooded by lava.Domes of probable volcanic origincan be seen in the southeastern corner. The domes range in diameter from 1-12 km (0.6-7 mi); some have central pitstypical of volcanic shields or cones.

Fotos derOberfläche der Venus

Fotos der Sowjetische Raumsonde Venera 9(Sonden arbeiten nur Minuten unter Venus-Bedingunge n)Gesteine vulkanischen Ursprungs ähnlich denMaria des Mondes und dem Basalt derterrestrischen Meeresböden.

http://www.wappswelt.de/tnp/nineplanets/venus.htmlhttp://www.stardome.org.nz/gallery/others.html

1. Die Venus hat keine Plattentektonik und daher mehr Risse, aus denen vulkanisches CO2 austritt.

2. In chemischen Reaktionen mit dem Wasser der Ozeane wurde das meiste CO2 im Carbonat-Gesteinen gebunden.

3. Es ist genauso viel CO2 da, aber auf der Erde hautsächlich im Wasser, vor allem im Grundwasser (Mineralquellen) gelöst.

4. Die Pflanzen auf der Erde haben das CO2 abgebaut.

19%

29%

19%

33%

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3. Wenn Erde und Venus mit ähnlichen Uratmosphären gestartet sind, wo ist das ganze CO2 der Erde geblieben bzw. woher kommt das viele CO2 der Venus?

Mars

Polkappe ausTrockeneis (CO2) und Wassereis

Gravitation ca. 1/3 der ErdeMasse ca. 1/10 der ErdeDurchmesser 50% ErdeSolarkonstante ca. 0.4 x der ErdeDruck 6 mBar CO 2Temperatur –60 oC

+20C - - 85CRotation 1.03 TageNeigung Achse 25 0

(Jahreszeiten!)

Kein Magnetfeld

MarsRote Farbe: Eisenoxyde

Marskanäle: Optische Täuschung

Zahlreiche Krater

Auch viele Anzeichen von Vulkanismus

Heute keine Plattentektonik

Ab und zu planetenweite Staubstürme, die Sicht auf Oberflächemonatelang trüben

größter Berg: Olympus Mons mit 21km Höhe (Schildvulkan)

Wasser: ausgetrocknete Flußbetten etc. ca. 4 Milliarden Jahre altab und zu im Marswinter dünner weisser Frostbelag...

nördliche Polkappe: wahrscheinlich Wassereis (wärmer)südliche Polkappe: CO2 Eisflüssiges Wasser kann eigentlich nicht auftreten.....

Viking-Lander: keine Spuren organischer Substanzen....zu erwarten, da kein Magnetfeld und kaum Atmosphäre

gefrorener See (Wassereis)

Metoritenkrater mit 35km Durchmesser / 2 km tief.nahe MarsnordpolAufnahme des Mars Express der Europäischen Space Ag entur vom 2.2.2005

flüssiges Wasser auf dem Mars: Marskanäle ?

Hochaufgelöste Bilderdes Mars Orbiter (NASA) 1999 und 2000

Flusstäler ohne Einschlagkraterund ohne Erosionsspuren durchSandstürme:

Im Marssommer tritt möglicherweisenoch heute ab und zu flüssigesWasser an die Oberfläche

1. Die Sonne war in den ersten 500 Millionen Jahren heißer (Zündphase).

2. Der Schmelzpunkt des Wasser ist mit der Ausdehnung des Raums langsam angestiegen.

3. Der Mars hatte ähnlich wie die Venus eine dichte CO2 Atmosphäre (Treibhauseffekt).

4. Das T hoch 4 Gesetz der Schwarzkörperstrahlung bewirkt, dass auch bei etwas geringerer Einstrahlung die Temperatur nur wenig absinkt.

19%

5%

71%

5%

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4. Wie ist es möglich, daß der Mars, der 1,5 mal weiter weg ist von der Sonne, in der Frühzeit Flüsse und Seen besaß?

Asteroidengürtel

viele tausend Asteroiden und Planetoiden zwischen Mars und Jupiter

Objekte mit bekannter Bahn > 20000, Exzentrizität ca. 0.14, Bahnneigung i ca. 10o

ca. 80 Familien von Planetoiden mit ähnlichen Bahnen als Fragmente größerer Himmelskörper

besonderes Interesse für erdnahe Planetoiden: ca. 1000 > 1km.

Gesamtmasse der Planetoiden ca. 5*10-4 ME

die größten Planetoiden:1 Ceres (940km), 2 Pallas (538km), 4 Vesta (535km)

mittlere Dichte 3t/m3, etwas niedriger als Erde.

Zusammensetzung ähnlich Metoerite: Typ „Stein“ und „Kohlige Chondrite“

Asteroid Vesta

Zweitgrößtes Objekt im A-Gürtel500 km Durchmesserhttps://de.wikipedia.org/wiki/(4)_Vesta

Planetoid 243 Ida mit Mond Dactyl

Planetoid Ida 243

Größe ~30 kmhttps://de.wikipedia.org/wiki/(243)_Ida

1. Die starke Gravitation des Jupiters hat die Entstehung eines Planeten verhindert.

2. Der urspüngliche Planet (genannt Phaeton) wurde in einer Kollision mit einem anderen Himmelskörper zerrissen.

3. Die Gesamtmasse der Asteroiden reicht nicht zur Bildung eines einzelnen Planeten aus.

4. Die Ursache ist wie bei den Saturnringen bisher unbekannt.

52%

19%

14%

14%

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5. Nach der Titius-Bode-Reihe (s.u.) müsste an der Stelle des Asteroiden-Gürtels ein Planet sein. Warum ist das nicht der Fall?

1. Dinosaurier sind bei einem 10 km Einschlag vor 60 Millionen Jahren ausgestorben. 1 km Einschläge sind also vielleicht einmal pro eine Million Jahre.

2. Paktisch nicht mehr, weil die Häufigkeit mit der Zeit abnimmt.

3. Etwa alle 1000 Jahre. Der letzte Einschlag war der Tunguska Meteorit in Sibirien im Jahr 1908.

4. Ein gibt eine Periodizität der Einschläge. Alle Eine-Million Jahre häufen sich die Einschläge auf der Erde. Die nächste Häufung ist in 400 000 Jahren zu erwarten.

43%

10%

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6. Wie oft wird die Erde von einem Ein-Kilometer durchmessenden Asteroiden getroffen?

http://www.tulane.edu/~sanelson/Natural_Disasters/impacts.htmhttps://www2.jpl.nasa.gov/sl9/back2.html

Einschlag-Wahrscheinlichkeit

https://de.wikipedia.org/wiki/Chicxulub-Krater

Das Aussterben der Dinosaurier

Vor 66,04 Millionen Jahren (± 32.000 Jahre) ein etwa 10 km großer Meteorit mit von 20 bis 40 km/s in einem flachen Winkel (etwa 45°) eingeschlagen. Explosivkraft 200 Millionen Hiroshima-Bomben. Der Impaktor schleuderte durch die Wucht der Explosion, die auf dem gesamten Erdball zu vernehmen war, einige tausend Kubikkilometer Carbonat- und Evaporitgestein über weite Strecken als glühende Ejekta bis in die Stratosphäre. Neben den unmittelbaren Auswirkungen des Einschlags wie Megatsunamis, einer überschallschnellen Druck- und Hitzewelle sowie Erdbeben im Bereich der Stärke 11 oder 12 traten weltweit Flächenbrände auf, deren Ausdehnung und Dauer derzeit noch diskutiert wird. Innerhalb weniger Tage verteilte sich in der gesamten Atmosphäre eine große Menge an Ruß- und Staubpartikeln, die das Sonnenlicht über Monate hinweg absorbierten, einen globalen Kälteeinbruch herbeiführten und die Photosynthese der Pflanzen an Land und in den Meeren weitgehend zum Erliegen brachten. Ein zusätzlicher Abkühlungsfaktor waren möglicherweise Schwefelsäure-Aerosole, die laut einer aktuellen Untersuchung entscheidend zu einem Temperatursturz von 26 °C beitrugen und dafür sorgten, dass die globale Durchschnittstemperatur für mehrere Jahre unter den Gefrierpunkt sank

Übersicht Planeten des Sonnensystems

ERD-ÄHNLICHPlaneten innerhalb Planetoidenring:< 1 Erdenmasse MEDichte 3,9 – 5.5 t/m3

Festkörper (Silikate, Fe/Ni)Atmosphären O2, CO2, H2O, N2

GASRIESEN:Planeten außerhalb Planetoidenring:Jupiter, Saturn, Uranus, NeptunMasse >> MeDichte 0,7 – 1,6 t/m3

Amateuraufnahme: Jupiter mit zwei Monden

http://www.astronomie.de/galerie/fgshow_foto.php3?frmint_FOTO_ID=1365

High Resolution Picture of Jupiter

Io vor Jupiter

Io is the size of our Moon, and Jupiteris very big.

Credit: NASA/JPL/University of ArizonaReleased: January 22, 2001

http://ciclops.lpl.arizona.edu/ciclops/images_jupiter.html

Derrote

Fleck

http://www.solarviews.com/cap/jup/redspot.htm

This dramatic view of Jupiter's Great Red Spot and its surroundings was obtained by Voyager 1 on Feb. 25, 1979, whenthe spacecraft was 5.7

million miles (9.2 millionkilometers) from

Jupiter. Cloud details as small as 100 miles (160kilometers) across can

be seen here. The colorful, wavy cloud pattern to the left of the Red Spot is a region of extraordinarily complex and variable wave motion.

Red SpotDetails:Falsch-farbenCode

The color of a cloud in this image indicates its height. Blue or black areas are deep clouds; pink areas are high, thin hazes; white areas are high, thick clouds. This image shows the Great Red Spot to be relatively high, as are some smaller clouds to the northeast and northwest that are surprisingly like towering thunderstorms found on Earth. The deepest clouds are in the collar surrounding the Great Red Spot, and also just to the northwest of the high (bright) cloud in the northwest corner of the image. Preliminary modelling shows these cloud heights vary over 30 km in altitude. This mosaic, of eighteen images (6 in each filter) taken over a 6 minute interval during the second GRS observing sequence on June 26, 1996, has been map-projected to a uniform grid of latitude and longitude. North is at the top.

http://www.solarviews.com/cap/jup/galjup2.htm

Annäherung Voyager

an Jupiter

Dynamik der Wolken auf Jupiter

1. Windsysteme ähnlich unseren Passatwinden.

2. Die enorme Zentrifugalkraft führt zur Anreichung von Verunreinigungen unterschiedlichem Molekulargewichts bei unterschiedlichen geografischen Breiten.

3. Die Streifen entstehen durch Metoriteneinschläge, die für einige Jahrzehnte zur Verfärbungen führen. Streifen sind es wegen der enormen Rotation.

4. Die Verfärbungen hängen von der Temperatur ab. Am Äquator ist es heißer. Bei höheren Brreiten reichern sich andere Verunreinigung an und/oder sind in anderen Modifikationen (Kristallgröße, etc.).

52%

24%

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10%

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7. Warum hat der Jupiter Streifen?

1. Die geringe Masse der Atomkerns verhindert über die Ort-Impulsunschärfe eine stärkere Bindung (nur H-Brücken-Bindung).

2. Das Elektron im H-1s Orbital hat eine Bindungsenergie von mehr 10eV (13,6 eV). Daher ist H Edelgas-ähnlich.

3. H Atome verbinden sich zu H2, das aufgrund der sehr kleinen Ausdehnung des 1s Orbitals edelgasähnlich ist.

4. Fester Wasserstoff ist ein Metall. Umgekehrt sind die anderen Alkali-Metalle bei niedrigem Druck gasförmig.

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29%

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8. Warum ist Wasserstoff ein Gas und kein Metall wie Lithium oder Natrium?

Jupiter DatenGrößter der Planeten, 1/1000 der Sonnenmasse, Radius 11*rE

mittlere Dichte 1,3 t/m3 Rotation 0,4 Tage Schwerkraft 2,4 g Temperatur 124 K = -149oC

Tiefere Schichten mit Infrarot untersucht: Temperatur bei 225K bis 280K

langlebige Strukturen wie der rote Fleck, aber auch kurzlebigemit Lebensdauern einiger Tage.

besteht hauptsächlich aus H und He (He/H=0.1) ähnlich Urmaterie desSonnensystems. Spurengase wie C6H6, C2H2, H2O, HCN, PH3, GeH4...

Wolken aus NH3 Kristallen, Eis oder anderem je nach Schicht.

im Innern bei sehr hohem Druck und hoher Temperatur(30 000K) flüssiger Wasserstoff. Noch tiefer metallischerWasserstoff....

Strahlt mehr Energie ab als er von der Sonne empfängt:freiwerdende Gravitationsenergie oder Restwärme.....

Jupiter-Inneres

http://www.solarviews.com/cap/jup/jupint.htm

Internal structure of Jupiter. The outer layer is primarily composed of molecular hydrogen. Atgreater depths the hydrogen starts resemblinga liquid. At 10,000 kilometers below Jupiter's cloud top liquid hydrogen reaches a pressure of 1,000,000 bar with a temperature of 6,000° K. At this state hydrogen changes into a phase ofliquid metallic hydrogen. In this state, the hydrogen atoms break down yielding ionized protons and electrons similar to the Sun's interior. Below this is a layer dominated by ice where "ice" denotes a soupy liquid mixture of water, methane and ammonia under hightemperatures and pressures. Finally at the center is a rocky or rocky-ice core of up to 10Earth masses.

H2

liquid H 2

metallic H 2

rock

„Ice“

Jupiter Mondeinsgesamt sind 28 aufgelistet

J1 Jo 1815 km 3.5J2 Europa 1570 km 3.0J3 Ganymed 2630 km 1.9J4 Callisto 2400 km 1.8andere <100km

Innere Monde auf kreisförmigen Bahnen in der Äquatorebene des Planeten

es gibt auch schwache Ringe um Jupiter

Radius Dichte

Io: Kern aus Fe und FeS, teilweise geschmolzener Mantelund Kruste aus leichtem Silikat. Heftiger aktiver Vulkanismus: Energie aus Gezeitenkräften.dünne Atmosphäre (SO2)

Europa: : Metallischer Kern und Silikatmantel, aber eine dicke (100km) H2O-Eisschicht darüber.Oberfläche sehr eben (Unebenheiten<100m). Es scheint eine Eisdecke eines globalen darunterliegenden Ozeans zu sein.

Ganymed ist größter Mond im Sonnensystem

Ganymed und Kallisto geringere Dichte: Mischung aus Eis und Silikaten (Gestein). Beidevon Einschlagkratern übersät. Eventuell Ozeane tief unter der Eisschicht.

Europa

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA00502

Oberfläche: Wassereis

Europas Eiskruste70x30km

Europas Inneres?

These artist's drawings depict two proposed models of subsurfacestructure of the Jovian moon, Europa. Geologic feat ures on surface,imaged by the´Solid State Imaging (SSI) system on N ASA's Galileo spacecraftmight be explained either by the existenc e of a warm, convecting ice layer,located several kilometers bel ow a cold, brittle surface ice crust (top model),or by a layer of liqu id water with a possible depth of more than 100 kilometers(bottom m odel). If a 100 kilometer (60 mile) deep ocean existed below a 15 kilometer(10 mile) thick Europan ice crust, it would be 10 t imes deeperthan any ocean on Earth and would contain twice as much water as Earth'soceans and rivers combined. Unlike the Earth , magnesium sulfate might bea major salt component ofEuropa's water or ice, while the Earth'soceans are salty due to sodium chloride (common salt).

While data from various instruments on the Galileo spacecraft indicatethat an Europan ocean might exist, no concl usive proof has yet been found.To date Earth is the only known place in the solar system where large massesof liquid water are located close to a solid surface. Other sources are especia lly interesting since water is a key ingredient for the development of life.

The Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, CA manages the Galileo missionfor NASA's Office of Space Science, Washingt on, DC.

This image and other images and data received from Galileo are postedon the World Wide Web, on the Galileo mission home page at URLhttp://galileo.jpl.nasa.gov. Background infor mation andeducational context for the images can be found at URL http://www.jpl.nasa.gov/galileo/sepo.

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA01669