AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 8: De indre planetene og månen del 2: Jorden, månen og Mars

Transkript

1 AST1010 En kosmisk reise Forelesning 8: De indre planetene og månen del 2: Jorden, månen og Mars

2 Stephanie Werner: CEED/GEO Professor i geofysikk og planetologi <stephanie.werner@geo.uio.no> >>> 3. semester: GEO-AST 3410 Planetologi

3 De viktigste punktene i dag: Generelt om jorden Drivhuseffekt på jorden Generelt om månen Tidevann og tidevannskrefter Generelt om Mars Er det liv på Mars?

4 Bestemmelse av jordas alder Radioaktive prosesser omdanner et grunnstoff til et annet (mer stabilt) Jo mer stoff, jo «raskere» går prosessen (halveringstid) Eksempel: 238 U 206 Pb t = 4.5 x 10 9 år 4

5 Aldersbestemmelse av meteoritter og Jorda i 1956!! Correct age, within the stated uncertainty 5

6 Vi antar at det meste, kanskje alt, av de himmelske legemene i vår solsystem ble dannet innenfor et kort tidsrom. Derfor er alder på Solen, planeter, og asteroider nær alderen til primitive meteoritter som er datert til 4.57 milliarder år. Solsystemets og Jordens dannelse: ~4.57 Ga Det eldste daterte mineral (zirkon) på jorden er funnet I en sedimentær bergart og er ± milliarder år gammelt (fra Jack Hills, Australia); rundt 200 millioner yngre enn alderen på Jorden The Moon Forming Event: millioner år etter dannelsen av Solsystemet/Jorden. Hades: milliarder år (Ga)

7 TIDLIGE JORDEN: Gravitasjons differensiering: Dannelse av kjerne, mantle og skorpe Varme generert fra the Moon-forming impact og nedbrytning (decay) av radioaktive elementer medførte sannsynligvis at mye av Jorden smeltet slik at jern og andre tunge elementer sank ned mot jordens indre og dannet kjernen Elementer med mindre tetthet (lettere) strømmet oppover og dannet mantel & skorpen

8 Den tidlige Jorden: Dannelse av en lagdelt planet Gravitasjons differensiering : Jordens hav og atmosfære dannes Frigjørelse av fangne gasser (mest vann) fra innsiden av Jorden gave opphav til hav og en tidlig atmosfære (CO2/N)

9 Jorden er en spesiell terrestrisk planet Magnetfelt beskytter oss mot partikler i kosmisk stråling og solvinden Atmosfæren vil bli blåst bort uten et magnetfelt (men tar et par milliarder år) The Earths iron-rich liquid outer core produces a magnetic field that protects us from cosmic and solar radiation - this radiation shield along with water and the appropriate distance to the Sun were fundamental ingredients for developing advanced life over billions of years. Auroras: Result of the emissions of photons in the Earth's upper atmosphere, above 80 km, from ionized nitrogen atoms regaining an electron, and oxygen and nitrogen atoms returning from an excited state to ground state. They are ionized or excited by the collision of solar wind particles being funneled down and accelerated along the Earth's magnetic field lines; excitation energy is lost by the emission of a photon of light, or by collision with another atom or molecule.

10 Jordens magnetfelt og magnetiske reverseringer Jorden har et magnetfelt som i dag strømmer fra sydpolen til Nordpolen. Den magnetiske Nordpolen er ikke nøyaktig den samme som den geografisk Nordpolen men midlet over et par tusen år så sammenfaller magnetisk og geografisk Nordpolen. Jordens magnetfelt reverserer (snur) med irregulære intervaller Reverseringer har forekommet I gjennomsnitt hvert 200,000 år de siste 5-10 millioner år. Men det er nåy 780,000 år siden siste reversering!

11 1963 Fred Vine og Drummond Matthews fra Cambridge forklarte lineære magnetiske anomalier parallelt med aktive sprede-rygger ved å korrelere tidligere teori om havbunnsspredning med tidsskalaen for magnetiske reverseringer. Positive anomalier (felt retning som i dag) er fargelagte mens negative (reverserte) er hvite

12 Havbunnsspredning og magnetiske reverseringer Skisse som viser dannelsen av magnetiske anomalier på de midt oseaniske ryggene. Magma fra mantelen strømmer opp under de midt-oseaniske ryggene. Når magmaet avkjøles for å danne en basaltisk bergart får de magnetiske mineralene i havbunnsskorpen en magnetisering rettet med jordens magnetfelt. Denne magnetiseringen reflekterer polariteten til magnetfeltet som har reversert fra nord til sør og tilbake igjen med uregelmessige intervaller. Oversikt over det marine magnetiske anomali (reverserings) mønsteret for de siste 170 millioner år. I dag har vi normal polaritet (sorte bokser) Reverserings frekvensen var høyest for ~150 to 170 millioner år siden (rundt 8 ganger per million år, dvs. I gjennomsnitt en reversering per år), men den mest ekstreme tiden var mellom 121 og 84 millioner år da det magnetiske feltet ikke reverserte i det hele tatt (kalles Cretaceous Normal Superchron).

13 1962: To typer av plategrenser var foreslått (1) Konstruktiv (havbunnsspredning) og (2) Destruktiv (subduksjon eller underskyvning) Harry Hess Konstruktiv Destruktiv 1965: En tredje type plategrense ble foreslått (sidelengs eller transform) Tuzo Wilson ( )

14 Platetektonikk Et mosaikk av stive plater og 3 typer grenser: (1) Konstruktiv (divergens), (2) Destruktiv (konvergent) og (3) Sidelengs (Transform) Dan McKenzie Dan McKenzie og Robert Parker publiserte i 1967 de kvantitative prinsippene for platetektonikk (matematisk beskrivelse) Platetektonikk ble I utgangspunktet utviklet for den unge Jorden (siste 150 millioner år)

15 Platene og deres grenser Et mosaikk av stive plater 3 typer grenser Konstruktiv (divergerende), Destruktiv (konvergerende) og Sidelengs (transformer)

16 Litosfære plater og deres grenser Jordens litosfære (skorpe + øverste mantel) er delt inn i en rekke stive plater og deres grenser avhenger av den relative bevegelsen mellom dem: 1. Konstruktiv (divergent) plategrense beveger seg fra hverandre og ny havbunnskorpe er dannet ved havbunnsryggene. 2. Destruktiv (konvergent) plategrense beveger seg mot hverandre og hvis en plate sklir under den andre lages det en subduksjons (underskyvnings) sone; alternativt en fjellkjede hvis begge platene presses oppover mot hverandre. 3. Sidelengs plategrense sklir forbi hverandre, f.eks. Andreas Forkastningen. Konstruktiv Platene sklir fra hverandre Destruktiv Platene glir mot hverandre Sidelengs Platene sklir forbi hverandre

17 Oppsmelting gjorde at jern og andre tunge elementer sank til Jordens senter og dannet kjernen. Materiale med mindre tetthet (lettere) strømmet opp og dannet mantel og skorpe.

18 Platetektoniske system: Hvordan beveger varmeenergien seg dypt i jorden og påvirker litosfære platene?

19 (1) Konveksjon får varmt vann til å stige (2)... Hvor det avkjøles, beveger seg sidelengs, synker, (4) Varmt materiale fra mantel stiger, (5) bidrar til at det dannes mer litosfære materiale og platene sklir fra hverandre. Plate Plate (6) Hvor platene konvergerer, blir en avkjølt plate skjøvet under (3) oppvarmes og stiger igjen. (7) synker, varmes, og kan stige igjen.

20 Oppbygging av jordskorpa: Mellom plater som driver bort fra hverandre, kommer masse opp fra det indre. Når plater kolliderer folder fjellkjedene seg opp: Alpene, Himalaya og Andes. Nedbryting av jordskorpa: Havbunnsplater kolliderer med kontinenter, skyves under disse, smelter og gir materiale tilbake til mantelen. Jordskorpa er ung! Den skiftes ut hele tiden. 20

21 Alder på Oseanskorpen Et kart over alderen på havbunnen viser at den yngste havbunneskorpen er langs sprede ryggene men de eldste er lengts vekke fra ryggene >>Jordskorpa fornyes hele tiden

22 Vulkanisme og tektoniske plater 22

23 Hot spot-vulkanisme 23

24 Hot spot-vulkanisme skjer ikke mellom plater, men midt under en plate De varme områder ligger i ro mens plata over beveger seg. Derfor flytter det vulkanske området seg på jordoverflata. Eks.: Hawaii.

25 1. Konstruktive Grenser (a) Oseanisk plate separasjon Eksempel: Island har en konstruktiv plategrense på midten De Nord Amerikanske og Eurasiske platene beveger seg fra hverandre og det er vulkansk aktivitet langs sprekker. På grunn av mange vulkan utbrudd har Island vokst ut av havet over tid!

26 Jorda er den eneste planeten i solsystemet med plate tektonikk (i dag) På de andre indre planetene er hotspotvulkaner de eneste vulkanene vi finner Vulkansk aktivitet på randen av kontinentalplater er dermed spesielt for jorda

27 Planetatmosfærer (repetisjon fra sist) I grove trekk bestemt av forholdet mellom to størrelser: 1. Unnslippingshastigheten fra planetens tyngdefelt, som avhenger av massen og radien. 2. Gjennomsnittlig bevegelsesenergi til gassmolekylene, som avhenger av temperatur og molekylmasse.

28 Jordens atmosfære 78.1 % nitrogen (N 2 ): amu 20.9 % oksygen (O 2 ): amu 0.9 % argon (Ar): amu 0.04 % karbondioksid (CO 2 ): amu wfvs

29 Hvorfor er trykket på Venus overflate så høyt? Jordens overflate: 1 atm Venus overflate: ca. 90 atm Det viser seg at Venus atmosfære veier mye mer enn Jordens At CO 2 veier mer enn O 2 og N 2 forklarer ikke en så stor forskjell, mengden av CO 2 er også viktig. Begge planetene hadde vulkaner som tilførte CO 2 Hva skjedde på Jorden som ikke skjedde på Venus?

30 Jordens karbonsyklus Vann og planteliv binder karbon i jordskorpa I tillegg sender jordens subduksjon dette ned i jordens mantel Resirkulerer karbon tilbake til jordas indre i stedet for i atmosfæren

31 Utviklingen av jordas atmosfære Opprinnelig: Mest hydrogen og helium. For lette til at de blir værende. Sekundær atmosfære fra vulkansk aktivitet: Mye CO 2, lite O 2. Jorda kjøles ned, mye CO 2 blir løst opp i vann, utskilt som karbonater. For 3.3 milliarder år siden kom de første oksygenproduserende bakteriene. Oksygen ble tilført atmosfæren. Oksygen på bakken reagerte kraftig med ammoniakk fra utgassing. Dannet mer nitrogen. Fås også fra UV-bestråling av NH 3. Mer vegetasjon økt O 2 ozonlaget som beskytter liv mot UV-stråling liv på tørt land. 200 millioner år siden: 35 prosent av atmosfæren O 2.

32 Venus vs. Jorda CO 2 tas ikke ut av atmosfæren (ikke hav, planter) Heller ikke plate tektonikk på Venus i dag (kanskje aldri) Ender opp med en atmosfære av tunge molekyler som tyngdekraften holder på plass (til tross for temperaturen) Jorda kan potensielt ha en tykkere atmosfære enn Venus (større tyngdekraft, lavere temperatur), men her ender ikke alle CO 2 - molekyler opp i atmosfæren

33 Drivhuseffekt på jorda Ikke like ekstrem som Venus (0.04 % CO 2 i stedet for 96 %) Kaldere overflate bremser drivhuseffekten: Snø og is reflekterer hvitt lys bort fra overflaten (mindre oppvarming) Mye CO 2 lagres i land og hav når overflaten er kaldere Når vi sender CO 2 ut i atmosfæren og varmer opp planeten, blir det mindre snø/is og overflaten frigir lagret CO 2 Resultat: Selvforsterkende effekt (potensiell ubalanse)

34 Kilde: United States Environmental Protection Agency

35 Kilde: United States Environmental Protection Agency

36 Drivhusgasser Hovedsakelig CO 2, metan og vanndamp Både mengde og hvor effektiv den aktuelle drivhusgassen er spiller inn

37 Månen

38 Planetære tidsskalaer: Månen Absolutte radiometriske aldre er tilgjengelig fra måneprøver Dannelse av Høylandet ( millioner år) Dannelse av månehavet [lunar maria] ( millioner år) The lunar maria are large, dark, basaltic plains, formed by ancient volcanic eruptions. They were dubbed maria (Latin for "seas ) by early astronomers who mistook them for actual seas.

39 Månens rotasjon Bundet rotasjon: Månens rotasjonstid er helt lik omløpstiden! Omløpstid rundt jorden: døgn Rotasjon rundt egen akse: døgn Tilfeldig? Alltid samme side mot oss. Jorden blir også slik (sett fra månen) om år. (Men solsystemet har kun ca år igjen å leve).

40

41 Månen sammenlignet med jorden Radius: 27.3 % av jordens Masse: 1.2 % av jordens (Merkur er ca. 4.5 ganger mer massiv) Gjennomsnittlig temperatur: -20 C (Jorden ca. 15 C pga. atmosfæren)

42 Tyngdekraft på månens overflate: ca. 1/6 av jordens

43 Opprinnelse av månen Jubileumsseminar - 40 år etter Apollo-17

44 Månens indre AST1010 Jorda og månen 44

45 Film om Theia

46 Nytt perspektivet på Jorden Jubileumsseminar - 40 år etter Apollo-17

47 Kratere i alle størrelser Mare Nectaris Jubileumsseminar - 40 år etter Apollo-17 Teleskopisk bilde

48 Kratere i alle størrelser Jubileumsseminar - 40 år etter Apollo-17

49 Kraterfordeling på Månen Kratere større enn 20 kilometer i diameter Jubileumsseminar - 40 år etter Apollo-17

50 Bombekratre og månekratre

51 Hvor er kratrene på jorda? Atmosfæren: Friksjon bremser og brenner opp meteorer Nyskaping av jordskorpa Erosjon (isbreer, vann, vind) Høyere tyndekraft gir mindre virkning av eksplosjonen

52 Krater bevart på Jorden Rundt 180 kjente kratre på jorda Dannet ved meteoritt eller asteroide nedslag Få pga. at Jordens overflate er modifisert av Platetektonikk

53 Om alder av skorper Ujevn rate av kraterdannelse høyest i perioden tidlig i solsystemets historie. Få kratre betyr at skorpa er fornyet, og sier noe om prosesser i planetens eller månens indre (spesielt i fravær av en atmosfære)

54 Tidevann skyldes forskjeller i gravitasjonsfelt g = GM r 2

55 Tidevann skyldes forskjeller i gravitasjonsfelt Skorpe deformeres noe

56 Tidevann skyldes forskjeller i gravitasjonsfelt Vannet i havet deformeres mer enn skorpe

57 Tidevann også fra Solen

58 Springflo: Månen og solen på linje

59 Høyvann og lavvann fra begge på samme sted

60 Solens tidevann ca. 2 5 av månens

61 Tidevann % av måne jord måne jord 100% sol jord ca. 41% jord måne ca. 3300% sol måne ca. 17%

62 Nippflo: Månen og solen i rett vinkel

63 Hvorfor høyvann på baksiden?

64 Tyngdekraft fra månen (svakere på økt avstand)

65 Tyngdekraft fra solen (svakere på økt avstand)

66 Hvorfor høyvann på baksiden? On the far side of the Earth, the gravitational acceleration of the Moon is smaller than the centrifugal acceleration... and on the near side of the Earth, it is larger than the centrifugal acceleration. => Two tidal bulges: Rotation!

67 Mindre månegravitasjon på baksiden enn jordas sentrum: Skorpe vil bort fra sentrum (men er nesten fast) Vannet i havet er lettere å forme (flytende), og løfter seg mer i forhold til skorpe

68 Månens bevegelse rundt jorda gir litt mer enn 12 timer mellom to høyvann som følger etter hverandre AST Kopernikus til Newton 68

69 Roche-grensen: Der tidevannskreftene blir så sterke at satellitten rives i stykker

70

71

72

73

74

75 Anbefalt video om formørkelser

76 Mars

77 Tyngdekraften på Merkur og Mars Solen Merkur Venus Månen Mars Jupiter Saturn Uranus Neptun Pluto Masse (jordmasser) Radius (jordradier) Rotasjonstid (jordddøgn) Omløpstid (jordår) Store halvakse (AU) (29/3) (13/8) Banefart (km/s) Diskusjon: Hvordan kan Mars ha samme tyngdekraft som Merkur? Mars er jo dobbelt så massiv! Tyngdeakselerasjon: g = G M r 2 Det viser seg at = Mars har så stor radius at det veier opp for den ekstra massen Temperatur (C, snitt) Tyngdekraft (% jordens)

78 Panoramabilder fra Mars

79 Mars den fjerde steinplaneten fra solen oppkalt etter den romerske krigsguden avstand fra solen 1.5 * Jorden gjennomsnittlig radius 0.5 * Jorden volum 0.15 * Jorden masse 0.1 * Jorden overflate nesten jordens fastland gjennomsnittlig temperatur ( C) - 60 ( )

80 Phobos og Deimos 80

81 Relieffkart Høyest punkt: m Dypeste punkt: m

82 Kraterfordeling på Mars Kraterdiameter: 5 km km Gardnoskrateret: 5 km

83 Mars: Vulkanske områder

84 Relieffkart Høyest punkt: m Dypeste punkt: m

85 Olympus Mons < km > 640 x 840 km på tvers 21 km høyt gjennomsnittlig stigning 5 brattkanten: 8 km (5 * Trollveggen)

86 Vulkanisme

87 liv på Mars?

88 Is og tørris på Mars

89 vann på Mars

90 Uttørkete elvenettverk

91 finnes det rester av et hav? Vannflate: m

92 Jorden i milliarder år Mars ? eldste fossil eldste bergart? eldste mineral 4.5

93 Liv på Mars? Vann kan ikke eksistere i lengre tid i flytende form på overflaten i dag. Tynn atmosfære og fravær av magnetfelt betyr manglende beskyttelse mot skadelig stråling. Lite trolig at det finnes liv der nå. Men vi har mange indikasjoner på at det fantes vann på overflaten før, og at atmosfæren var tykkere.

94 Mars kan ha vært beboelig tidligere Ill. Kevin Gill (