Disposisjon for første del av forelesningen delen om jorda.

Transkript

1 1

2 Disposisjon for første del av forelesningen delen om jorda. 2

3 Geoiden er navnet på jordas form. Dersom jorda var formet bare av tyngdekraften og rotasjonen rundt egen akse ville geoiden vært en rotasjonsellipsoide, med 21 km større radius ved ekvator enn ved polene. På en jord dekket av hav ville havflaten fulgt geoiden, dersom vi ser bort fra tidevann og effekten av høytrykk og lavtrykk i atmosfæren. Geoiden ville være en flate hvor den effektive tyngdekraften, korrigert for jordas rotasjon, var konstant. Jordas virkelige form, den virkelige geoiden, avviker fra denne enkle formen med opptil +/- 100 meter. Vi kan måle jordas tyngdefelt og dermed dens form, med en nøyaktighet på 10 cm. Dette gjøres ved avstandsmålinger fra satellitter og analyse av data for posisjoner og baner til satellitter. Vi ser da for eksempel at i havet sør for Afrika ligger jorda 30 m høyere enn den ideelle formen, mens havområdene syd for India og nordover i Asia, inkludert Himalaya og Tibet, ligger i et lavt område meter under rotasjonsellipsoiden. Høye og lave områder svarer til henholdsvis konsentrasjoner av tette bergarter eller mindre mengder av disse, inne i mantelen under jordskorpa. De reflekterer ikke posisjonen av kontinenter i dag, men snarere hvor de befant seg for million år siden. Jorda bruker altså lang tid på å stille inn sin form i samsvar med fordelingen av kontinentene. 3

4 Enkelte isotoper er radioaktive. Atomkjernene deler seg av seg selv, de fisjonerer, og det er en like stor brøkdel av de radioaktive kjernene som deler seg i like store tidsrom. Halveringstiden, τ, er tiden som trengs før halvparten av atomene i den radioaktive isotopen har fisjonert. Et eksempel er prosessen, eller rettere kjeden av prosesser, som starter med radioaktivt uran, 238 U, og ender med stabilt bly, 206 Pb. Kjeden har flere trinn, noen raske og andre langsomme, men det er den langsomste prosessen som er flaskehalsen og bestemmer halveringstiden for hele kjeden. I figuren ser vi hvordan mengdeforholdet mellom uran og bly endrer seg med tid. Andre radioaktive prosesser med andre halveringstider er også i bruk. Alderen til en stein eller en bergart kan i prinsippet måles ved å sammenligne mengdene av for eksempel bly ( 206 Pb) og uran ( 238 U) i bergarten. Da kan man bestemme tiden som er gått siden bergarten var flytende. Dermed oppnås et tall for alderen. Dette forutsetter at man opprinnelig ikke hadde noe 206 Pb i bergarten. I praksis benytter man derfor flere radiometriske forhold for å få en pålitelig bestemmelse av alder og trekker også inn målinger av en annen stabil isotop av bly og benytte en teknikk som kalles isokronmetoden. De eldste bergarter på jorda er milliarder år. Flere av disse finnes i Nord- Canada, men også på alle kontinenter har man bergarter med høy alder. Den høyeste alder for none bergart på jorda er målt for zirkoniumkrystaller fra Australia, som er hele 4.2 milliarder år gamle. Her er det snakk om små steinfliser inne i yngre bergarter. Man vet derfor sikkert at jorda er eldre enn 3.9 eller 4.2 milliarder år og regner med at den virkelige alderen er omtrent 4.55 milliarder år som er alderen til de eldste meteoritter. 4

5 Delene i jorda er: Kjerne ut til 0.55 RJ inkludert en indre kjerne til 0.19 RJ. Volum hhv. 16% og 0.7% av jordas volum, masseandel 30.6% og 1.7% Mantel fra 0.55 RJ til 0.99 RJ. Volumandel 81% og masseandel 67% Skorpe Tykkelsen er 10 km under hav og 50 km under kontinenter. Utgjør bare 0.7% av massen Kjernen består av nesten bare jern og har to deler. Den ytre delen er flytende, den indre er fast stoff, vesentlig trykkfrosset jern. Tetthet i sentrum er 12.9 g cm -3. Dette er atskillig høyere enn tettheten av jern på overflata, men den høye verdien skyldes at jordkjernen blir presset sammen av vekten av all massen opp mot overflaten. I den innerste, faste kjernen har jernet en slags krystallstruktur. Den indre, faste kjernen roterer raskere enn jorda for øvrig, med 1-2 grader pr år, og rotasjonsaksen heller noen grader med rotasjonsaksen for resten av jorda. Mantelen er av fast stoff, men den er plastisk under stort trykk og høy temperatur. Bergartene i mantelen er for en stor del oliviner: forsteritt og fayalitt, henholdsvis Mg 2 SiO 4 og Fe 2 SiO 4. Den som først fant ut dette var Victor Goldschmidt, professor i geologi ved Universitetet i Oslo. Vi ser lagdelinger i mantelen som trolig skyldes endringer i molekylstruktur. Der er flere diskontinuiteter. Tydeligst er den skarpe endringen av både temperatur og tetthet på grensen mellom kjerne og mantel. 5

6 Hvordan kan vi vite så mye om jordas indre? Jordas indre kartlegger vi ved å registrere bølger fra jordskjelv. Disse bølgene er av to slag, P og S bølger. P- bølgene kan passer gjennom både fast og flytende stoff. De er en slags lydbølger hvor fortetninger og fortynninger av mediet svinger i samme retning som bølgen forplanter seg. S-bølgene kan bare gå i fast eller plastisk stoff. Svingningene er transversale. Det betyr at svingene går på tvers av bølgens forplantningsretning, omtrent som svingningen på en gitar- eller felestreng. Årsaken til bølgene er jordskjelv som lages nær bunnen av jordskorpa. Skjelvene registreres av et nett av seismiske stasjoner som finnes over alt på jorda. Ved å måle når bølgene ankommer til de forskjellige stasjonene finner man hvor fort de går gjennom jorda og med den informasjonen kan man kartlegge jordas indre struktur, især temperatur og tetthet. 6

7 Temperaturen i jordas sentrum er så høy som 7000 K. Hvordan er den blitt så høy? Vi husker at i teorien for planetenes dannelse så ble jorda, de andre indre planetene og kjernene i de store gassplanetene dannet ved akresjon. Stein og blokker av stein, planetesimaler, slo seg sammen og dannet disse himmelkroppene. Når masse faller i sitt eget tyngdefelt frigjøres energi i form av fallbevegelse. Gjennom friksjon ender denne bevegelsesenergien opp som varme. Når så himmellegemet eller planeten blir tett og ugjennomsiktig kan denne varmen ikke stråles ut i rommet og det indre av planeten varmes opp. Når planeten, for eksempel jorda, er dannet på denne måten, får vi videre oppvarming på andre vis. Det vil finnes radioaktive grunnstoffer i det indre av jorda så som uran og thorium. Spaltingen av disse grunnstoffene foregår hele tiden og frigjør energi. Denne energien varmer opp jordas indre slik at temperaturen øker ytterligere. Varmetap ved ledning av varme til overflata og utstråling derfra går nemlig langsomt idet stein er et ganske godt isolerende materiale. En tid etter at jorda ble dannet gjorde den radioaktive oppvarmingen at temperaturen i de ytre delene av jorda steg og ble høy nok til at jern smeltet. Dette skjedde i lagene fra et par hundre kilometers dybde og nedover. Jern er det mye av i jorda. Det utgjør vel en tredjedel av massen. Store dråper av jern ble dannet og disse dråpene falt innover mot jordas sentrum. Igjen ble det frigjort store mengder energi og middeltemperaturen i jordas indre økte med kanskje 2000 K. Denne jernkatastrofen førte til at jordas kjerne av jern ble dannet. Vi fikk en såkalt differensiert planet. Dette kan ha skjedd for mellom 3.7 og 4.5 milliard år siden, kanskje mest trolig for 4 milliarder år siden. Tidlige kontinenter fra tiden før denne perioden må ha smeltet og blitt tatt opp i mantelen. Radioaktiv oppvarming skjer fortsatt og er en hovedårsak til at jordas indre ikke er betydelig kaldere enn tilfellet er i dag, 4.5 milliarder år etter at planeten ble dannet. Hva så med de andre jordlignende planetene? Trolig har de også jernkjerner og har gått gjennom en differensiering og sen oppvarming ved en jernkatastrofe. Hva som har skjedd med kjernene til de ytre planetene er mye mer usikkert. Her vet vi for lite. 7

8 Nå skal vi se på jordskorpas historie. Alfred Wegner ( ) framsatte teorien om kontinental drift i Han bygde på sammenfallet mellom kystlinjene til bl.a. Syd-Amerika og Afrika (Sub-Sahara), men også på likheter som han påviste mellom geologi og fossiler fra de to kontinentene. Det virket som om de hadde skilt lag mange titalls million år tidligere. Teorien ble regnet med, men fikk ikke gjennomslag. Og da han døde altfor tidlig i 1930, så døde teorien med ham. Så sent som rundt 1955 ble den kort referert til i et norsk standardverk, men bare for å bli avvist. Men så dukket den opp i fornyet form og i 1965 var kontinentaldrift og platetektonikk den rådende teorien og etter hvert en enerådende teori, som er allment akseptert i dag. Men ikke bare Syd-Atlanteren er skapt ved at kontinenter glir fra hverandre. Videre ser vi hvordan Afrika, Antarctica, Australia og India en gang har vært sammenhengende, men at de senere har glidd fra hverandre. Og i neste slide illustreres hvordan det nordlige Atlanterhav har åpnet seg mellom Nord-Amerika og Nord-Afrika, Skandinavia og Grønland. 8

9 Paleomagnetisme og kontinentaldrift. Hvordan slo man fast at kontinentene beveget seg i forhold til hverandre? Det skjedde først ved at man målte fossile magnetfelter i havbunnen. La oss tenke oss jordas magnetfelt omtrent som feltet rundt en vanlig stavmagnet, en stang av magnetisert jern. Legger vi en slik magnet under en glassplate eller et papir og strør små spon av jern over, vil jernsponene rette seg inn langs feltlinjene for magnetfeltet. Slik er det også med jordas magnetfelt. Små metallstykker av jern retter seg inn som kompassnåler langs feltet. Nå skifter jordas magnetfelt retning (polaritet) med mellomrom. Noen ganger er retningen som i dag, andre ganger har polene byttet plass i forhold til dagens magnetfelt. Feltet kan ha samme retningen i flere hundre tusen år, men man kan også ha korte episoder hvor retningen på feltet, polariteten, snur. Vi har hatt omlag polaritetsendinger de siste 3-4 millioner år. Overgangene skjer alltid raskt. Retningen av jordas magnetfelt kan avleses fra retningen til små jernfliser i sedimentære bergarter på havbunnen, for eksempel i Atlanterhavet. Disse jernflisene er som små magnetnåler. De linjerer seg opp langs magnetfeltet og fryses fast i den sedimentære bergarten når sedimentene presses sammen og blir til stein. Målinger gjort på 1950 tallet viste at polariteten for metallnålene i steinen skiftet retning med 180 grader og at endringene opptrådte regelmessig i striper i om lag like stor avstand fra midten av Atlanterhavet, fra den så kalte midtatlantiske rygg. Dette skjer fordi lava/magma strømmer opp i den midtatlantiske rygg, hvor der finnes mange undersjøiske vulkaner (og også noen som når over havflaten, f.eks Azorene). Samtidig som det på denne måten dannes ny jordskorpe, glir de to delene av havbunnen fra hverandre. Her ute i Atlanterhavet dannes det altså ny jordskorpe, samtidig som Europa og Afrika fjerner seg fra Nord- og Syd-Amerika. Og denne bevegelsen kunne leses ut av endringene i metallflisene i sandsteinen på havbunnen! Målingene av fossile magnetfelter var den første sikre demonstrasjon av tektoniske bevegelser i jordskorpa. I dag behøver vi ikke stole på disse indirekte indikasjonene. Fra satellitter kan vi direkte måle at f.eks. Europa og Nord-Amerika glir fra hverandre med opptil 3 cm pr. år. 9

10 De magnetiske målingene, satellitt geodesi og andre metoder har vist at jordskorpa består av plater som flyter rundt på toppen av mantelen. Vulkansk aktivitet har man der hvor disse platene glir fra hverandre, men enda mer vulkanisme har vi der de støter mot hverandre slik det er vist på denne figuren. Her er vulkansk aktivitet merket med gule og røde prikker. Merk f.eks. vulkanismen der hvor de nord- og søramerikanske platene, som også inneholder det vestlige Atlanterhavet, støter mot Nazcaplaten og stillehavsplatene. Figuren viser også en del vulkaner midt inne på plater. Dette er såkalt hot spot-vulkanisme og den skal vi komme tilbake til (se side 16). 10

11 Plater beveger seg på tre ulike måter: bort fra hverandre, i front kollisjon og glidende sidelengs langs hverandre. Ny skorpe lages der hvor platene glir fra hverandre, for eksempel langs den Midtatlantiske rygg. Så ser vi hva som skjer med den nyskapte jordskorpa på havbunnen når den treffer en annen plate, for eksempel et kontinent. Da glir den ned under kontinentalplata. Vi har en såkalt subduksjonssone. Det er alltid havbunnsplata som glir under kontinentplata. Dette kommer av at kontinentalplatene har lavest tetthet og dermed mest oppdrift. De flyter ovenpå. Figuren plasserer også hot spot-vulkanismen i bildet og viser hvordan kilden til denne er forankret dypt i mantelen, kanskje helt nede i overgangen til kjernen. Plateforskyvningene skyldes 1) dels strømmer i mantelen og 2) dels at vekten av den delen av havbunnskorpa som forsvinner under et kontinent, drar med seg resten av havbunnsskorpa. 11

12 Platetektonikk gjør at jordskorpa, især i havene, er nokså ung de fleste steder. Ny skorpe kommer opp langs oppstrømningssonene. Vi har sett at en slik oppstrømningssone befinner seg midt i Atlanterhavet, hvor vi har en undersjøisk fjellkjede. Massen som strømmer opp her beveger seg bort fra oppstrømmingsområdet og forsvinner til slutt under kontinentalskorpe i subduksjonssonene. Resultatet er at jordskorpa fornyes hele tiden. Skorpa på havbunnen er alle steder yngre enn 200 millioner år og i snitt neppe mer enn 100 millioner år. Også jordskorpa på kontinentene fornyes, men fornyingsfarten er mye langsommere. Den midlere alder for kontinental skorpe er kanskje millioner år. Mye av den kontinentale skorpa er yngre, men noen deler er også mye eldre. Til sammen blir den gjennomsnittelige alder av jordskorpa bare 200 millioner år, langt mindre enn jordas alder. Det er ikke bare i den midtatlantiske rygg vi har oppstrømning. Oppstrømningsområdene strekker seg langs en utstrakt og forgrenet formasjon som i alt er 60,000 km lang, verdens lengste fjellkjede. Det meste av den ligger under havet. Vi kan se hvor den går ved å se på områdene med ung skorpe i havene, de mørke brune områdene under havet i dette kartet. 12

13 Platetektonikk gjør at kontinentplatene vekselvis samler seg og glir fra hverandre. Figuren viser hvordan kontinentene har beveget seg de siste 225 millioner år. I Perm-tiden (øverst til venstre) dannet de et superkontinent, Pangæa. Dette ble brutt opp i mindre stykker, eller det eksisterte alt som separate stykker som så gled fra hverandre. En teori er at store kontinenter som Pangæa brytes opp i mindre stykker fordi de blokkerer varmetransport utover i jorda. Oppvarmingen gjør at de slår sprekker. Rekonstruksjoner enda lenger bakover i tid viser at jorda går igjennom faser med vekselvis samling og oppsplitting av de kontinentale massene. Man greier å kartlegge platebevegelsene i store trekk million år tilbake. Tidsepokene i figuren svarer til aldrene Trias, Jura, Kritt og tiden i dag. Den sammenhengende sydlige landmassen i Trias- og Juratiden blir ofte kalt Gondwanaland - flott klingende navn! 13

14 Virkningen av platetektonikk er en sammenhengende nedbryting og nyoppbygging av jordskorpa samt at store fjellkjeder folder seg opp og det dannes områder med vulkanisme. Jordskorpa fornyes hele tiden. 14

15 Hot spot-vulkanisme. Ikke alle vulkaner befinner seg i grensesonene mellom plater. Noen forekommer, som vi har nevnt, midt inne i platene. Da kan det se ut som om disse vulkanene har flyttet seg på jordoverflaten. Dette kaller vi hot spot-vulkanisme. Den har sine røtter dypt nede, under mantelen på grensen til jordas kjerne. De varme områdene på kjernens overflate ligger i ro mens plata over beveger seg. Dermed vil området med aktiv vulkanisme flytte seg i forhold til jordoverflata. Et eksempel på en hot spot-vulkan er Hawaii, hvor vi ser en 1000 km lang øyrekke bak den øya som har de store aktive vulkanene i dag. Andre hot spot-vulkaner finnes midt inne i de kontinentale platene. Ser vi på kartet som viser alderen for bunnen i havene (slide 13) ser vi aldersforskjellen mellom Hawaii og Midway er om lag 60 millioner år. Dette er altså alderen til hot spot -området under Hawaii og viser at slike hot spots har en begrenset levetid som er kort sammenlignet med jordas alder. På den meget vulkanske øya Island ser det ut som om vulkanismen er en del av den midtatlantiske rygg. I virkeligheten er Island også en hot spot. Men den ligger i et område hvor skorpen er i ro og har vært i ro lenge, midt i et område med oppstrømming, mellom to plater. Derfor flytter ikke denne hot spotvulkanen seg på jordoverflata, men bygger opp Island på samme sted over en rimelig lang periode. 15

16 To trekk ved jordatmosfæren skal nevnes: 1. Sammensetningen 78 % Nitrogen, 20 % Oksygen og 2% Argon, en edelgass). Karbondioksid CO 2 finnes i små mengder, 0.035%, og det samme gjelder vanndamp, H 2 O, og metan CH 4. Disse tre gassene er drivhusgasser og viktige for klimaet på jorda. 2. Lagdelingen temperaturen varierer med høyden (se figuren). Grunnen til at et av de øvre lagene kalles ionosfæren er at atmosfæren herfra (og oppover) består av ionisert gass. Atomene har mistet et elektron og er blitt ladede og det løsrevne elektronet flyr omkring for seg selv. Det som river elektronene løs fra atomene er stråling fra sola i ultrafiolett og røntgen. Den samme prosessen sørger for at gassen blir varm: temperaturen øker fordi vi nå får mange gasspartikler som beveger seg raskt. Dette er de løsrevne elektronene, som deretter overfører en del av sin energi også til de tunge gasspartiklene. (Ionisasjon av ionosfæren er eksempel på bunden-fri prosess, jfr. forelesningen om stråling.) 16

17 Vi har sammenlignet jordas magnetfelt med en stavmagnet, slik det er vist til venstre. Aksen i magnetfeltet på jorda faller ikke helt sammen med jordas rotasjonsakse. Det betyr at de magnetiske polene ikke faller sammen med de geografiske polene. Videre vandrer de magnetiske polene. De har flyttet seg 10 breddegrader siden Og hele feltet kan brått endre polaritet. Siste gang dette skjedde var for år siden. Det er strømning av elektrisk ledende væske, flytende metall i jordas kjerne, som lager magnetfeltene. Mekanismen som bygger opp feltene fra strømninger, kalles dynamoeffekten. Selv om prinsippet er vel utforsket så er detaljer ennå ikke godt nok kjent for å lage en konkret modell av jordas magnetfelt. Det har vært foreslått at reverseringen av feltene kan komme av svingninger i strømningene i det indre, et slags skvulp. Beregninger som skal gjengi hvordan jordas magnetfelt faktisk oppfører seg blir i dag utført, men omfanget av beregningen overgår foreløpig den regnekraften man har ril rådighet. Men innen få år vil slike beregninger kunne gjennomføres. 17

18 Solvinden er protoner og elektroner som strømmer ut fra sola med hastigheter på km/ s. Ladde partikler kan ikke gå på tvers av et magnetfelt. Det jordmagnetiske feltet hindrer derfor at de treffer selve jorda. Et område i feltkonfigurasjonen blir en barriere som solvindpartiklene ikke kan trenge igjennom magnetopausen. At magnetfeltet er en slik effektiv barriere er bra for livet på jorda idet energirike partikler kan skade kompliserte organiske celler hos levende vesener. Men det jordmagnetiske feltet endrer form og blåses ut av den enkle dipol fasongen det ville hatt dersom vi ikke hadde en solvind. Dette er vist på figuren. Solvind partikler kan likevel komme innenfor forsvarsverkene på tre måter: (a) Gjennom cuspområdene like over de magnetiske polene og (b) i halen langt bak jorda, hvor feltet er er dradd så mye ut og er så svakt at det ikke kan stoppe partiklene i solvinden fra å trenge delvis inn. Den tredje måten er (c) ved at virvler i ionosfæregassen rundt jorda sørger for en utveksling av ionisert gass gjennom magnetfeltet ved så kalte plasmainstabiliteter. Denne tredje måten ble i 2004 bekreftet fra observasjoner med Cluster. Cluster er fire satellitter som flyr i formasjon et stykke fra jorda. De er oppskutt og drives av ESA, den europeiske romfartsorganisasjonen. Innenfor magnetopausen vil partiklene, elektronene, fly langs feltlinjene fra pol til pol. De vil særlig være konsentrert i to belter, Van Allenbeltene. De er oppkalt etter James Van Allen som oppdaget dem ved å måle tettheten av partikler med geigertellere om bord i en tidlig satellitt i De ligger i høyder på 9000 km og km Det hører med til historien at partikkelkonsentrasjonene ble beregnet av Carl Størmer, norsk pionér innen nordlysforskningen, lenge før Van Allen, som var en rettsindig person, bemerket da også at beltene burde kalles Størmerbelter, Kanskje kunne de kalles Størmer- Van Allenbelter? 18

19 Elektronene i strålingsbeltene beveger seg i spiralbaner langs jordas magnetfelt. Nær endepunktene for magnetfeltsløkkene blir de reflektert. Men i disse områdene, som ligger i en krets rundt de magnetiske polene, vil elektronene trenge lengst ned mot jordoverflata. Kollisjoner med luftmolekyler kan da eksitere energinivåer i luftmolekylene. Når de eksiterte molekylene faller tilbake til grunntilstanden sendes det ut spektrallinjer på mange bølgelengder. Vi får nordlys og sørlys eller med et felles navn polar aurora. Nordlyset kan skinne i mange farger alt etter bølgelengden av de dominerende spektrallinjene som blir strålt ut. I dag kan nordlys og sørlys observeres ovenfra, fra satellitter som går i baner over polene. Her ser vi et bilde sammensatt av en rekke slike eksponeringer. Det viser nordlyssonen sammen med et kart som er tegnet inn. Vi ser hvordan Nord-Norge, især rundt Tromsø, er i en særstilling som et bebodd område midt i denne sonen. Nordlyset kan også observeres lenger sør. Det skjer gjerne når sola er meget aktiv. Et større antall partikler blir da injisert fra solvinden inn i området innenfor magnetopausen. Forøvrig vil nordlyssonen flytte seg med tiden fordi de magnetiske polene flytter seg på jordoverflaten. Om 300 år vil kanskje Oslo ligg midt i nordlyssonen og ha mer nordlys enn Tromsø! 19

20 Her gis en disposisjon for det som følger om månen. 20

21 Månens indre er kartlagt ved seismologi. Astronautene på månen plasserte ut seismometere som overfører data til jorda. Man har kommet fram til at månen har en kjerne med diameter på kilometer, omlag en tiendepart av månens diameter. Kjernen er rik på jern og er kanskje fortsatt flytende. Det siste bygger på at S-bølger ikke trenger inn i de sentrale delene av månen. Mange, men ikke alle av skjelvene synes å komme fra store dyp, kanskje fra grenseflaten mellom mantel og kjerne. Dette er forskjellig fra skjelvene på jorda, som kommer fra bunnen av jordskorpa, et mye grunnere område. 21

22 De neste to bildene er oversiktsbilder som gir et inntrykk av månens overflate. Her ser vi det store og flotte nedslagskrateret Tycho nederst på bildet. Lyse stråler løper radielt ut fra dette krateret. Det er som om masse er blitt kastet radielt ut fra kraterområdet. Tycho er et forholdsvis ungt krater, bare 100 millioner år gammelt. De fleste stedene på månen er, som vi skal se, mye eldre. De mørkere flatene, som utgjør ansiktstrekkene til mannen i månen, kalles hav fordi man opprinnelig trodde de besto av vann. De er imidlertid basaltsletter, lavastein, som jo er mørk som asfalt. En spesiell ting med havene er at de stort sett bare forekommer på den siden av månen som vender mot jorda. Kraterområder og fjellkjeder er lysere og representerer et mer ujevnt landskap. Månens overflate på dagsiden er varm, ikke minst fordi den er så mørk og absorberer det meste av lyset fra sola. Temperaturen kommer opp i 120 C midt på dagen. Baksiden kjøles ned i løpet av den lange månenatten og temperaturen kan falle til nesten -180 C. 22

23 Her gis en liste over ulike landskapstrekk karakteristisk for månen. Krater og hav er de mest slående og nevnes først. Kratrene kommer i alle mulig størrelser, fra størrelsesorden 100 km ned til noen få meter i diameter. Havene ble dannet ved nedslag av kjempemeteorer, men opprinnelig trodde man det var vannflater man så. De har flotte navn som Mare Imbrium Regnhavet, eller Oceanus Procellarum Stormenes hav. Fjellkjeder er ikke så framtredende, men de finnes. De er foldningsfjell, men til forskjell fra slike fjell på jorda skyldes foldningene ikke platetektonikk, men kom i forbindelse med meteornedslag, også de nedslagene som dannet havene. Nå følger bilder av de ulike typene formasjoner. 23

24 Dette er en vulkansk hvelvning, på månen. Aktive vulkaner finnes ikke. De få og små rester etter vulkaner som vi finner på månen, ligger gjerne ute i havene, hvor det en gang var mye vulkansk aktivitet som laget de lavasjøene som ble til havene - basaltsletter - da den størknet. 24

25 Riller er kløfter på månen. Man tror at de er lavakanaler, steder hvor flytende stein har rent under bakken og hulet ut en kanal. Senere har taket i kanalen falt ned. Slike kanaler finner vi også på jorda, for eksempel på Hawaii, men da i mye mindre målestokk, bare omlag 10 km lange. Hadley Rille i Mare Imbrium er derimot 120 km lang, 1500 m bred og 300 meter dyp. Formasjonen er 3.3 milliarder år gammel. Hadley Rille er godt studert idet Apollo 15 landet like ved med to astronauter (se pilen på bildet). 25

26 Bakken på månen består av sand, grus og steiner. Dels er det partikler og steiner som har falt ned på måneoverflaten i løpet de 4,5 milliarder år den har eksistert, dels er det knusingsprodukter fra nedslag av utallige større meteorer. Slik grus og stein kalles regolitt og den finnes også på overflaten av asteroider. 26

27 Her ser vi det flotte og store krateret Copernicus. Bildet er tatt av astronautene idet romfartøyet Apollo 17 nærmer seg månen Legg merke til de fjellignende strukturene i sentrum av den kjempestore sletten som danner bunnen av krateret. Slike fjell er typisk i store kratre. Rundt krateret ligger ringfjellene som en festningsmur mot utsiden. Derfor kalles kratrene ofte ringfjell. Man tror at Copernicus krateret er 1 milliard år gammelt. Det betyr at det er et forholdsvis ungt krater. 27

28 Hva månekratrene var og hvordan de var dannet var lenge et mysterium og et hett diskusjonstema. Var de dannet ved kollisjoner med meteorer eller ved vulkansk aktivitet? En lang diskusjon om dette startet for nesten 400 år siden, men et allment akseptert svar kom først etter Vi skal se litt på diskusjonen og belyse de problemer man hadde med å finne en forklaring. 28

29 Noen kommentarer: Hooke var en stor engelsk fysiker, samtidig med og rival til Newton. Herschel er en av de største observasjonelle astronomer som har levd, oppdager av planeten Uranus i Men i dette stykket tok han grundig feil! Gilbert var sjefsgeolog i US Geological Survey. En caldera er krateret i en stor vulkan. Ordet betyr kjele og refererer til en stor fordypning, flere kilometer i tverrsnitt som man finner i vulkanske strøk. Calderaer finnes som kratre i skjoldvulkaner som vi har mange steder, bl.a. på Kanariøyene. Hawaii er et annet eksempel på en skjoldvulkan. Lenge før 1945 forfektet Baldwin teorien om at kratrene var dannet av meteornedslag. Han avgjorde spørsmålet ved å studere kratre som ble laget av granat- og bombeeksplosjoner og sammenligne dem med månekratrene. 29

30 En caldera er krateret i en vulkan. Vulkanen kan rage høyt til værs. Et stort krater med flat bunn befinner seg i toppen av vulkanen. Det er da omgitt av en ring av klipper. Mädler og Beer mente at dette var så likt et månekrater at vulkanisme måtte være prosessen begge steder, også på månen. Men bunnen i en caldera ligger alltid høyt over bakkenivå. Gilbert gjenopplivet et kanskje glemt, og i alle fall ignorert, arbeid av Schröter fra tidlig på 1800-tallet, lenge før Mädler og Beer. Fra detaljstudier av skyggelengder ved flere innstrålingsvinkler fant Schröter at bunnen i månekratrene alltid befant seg under nivået for den liggende månesletten, og omkring at volumet av ringfjellene rundt krateret svarte til det utgravde volum under bakken inne i krateret (Schröters regel). Slike argumenter viste at månekratrene var forskjellige fra vulkanske kratre og at de kunne være gravd ut i bakken. 30

31 Baldwins sammenligning mellom månekratrene og kratre som dannes etter at bomber og granater har eksploder var overbevisende. Forholdet mellom radius og dybde for begge typer av kratre ble satt inn i en større sammenheng. Et bombekrater dannes når bomben trenger ned i bakken og eksploderer under overflaten. Månekratrene dannes på liknende vis når meteoren fordamper og eksploderer under bakken. Dette forklarer den runde formen kratrene har selv når meteoren kommer inn på skrå. 31

32 Hvis vi har så mange kratre på månen hvor er de tilsvarende kratrene på jorda?, innvendte noen av skeptikerne. I fire punkter gis noen svar på dette Noen kommentarer til punktene. Punkt 1: Vi kjenner til enkelte ganske store meteornedslag der det ikke er laget kratre. Punkt 3: Den høyere gravitasjon gjør det vanskeligere å kaste masse langt av gårde. Kratrene blir mindre. Økt fallenergi som følge av gravitasjon kan delvis motvirke dette, men ikke i en avgjørende grad, fordi meteorene har en fart utenfor jordas innflytelsesområde på km/s. I fallet mot jordas overflate vinnes til sammenligning vel 10 km/s. Punkt 4: Kratrene på jorda ble funnet da man begynte å kartlegge jordoverflata systematisk fra fly og senere fra satellitter. De gamle kratrene er sterkt eroderte, men sees fra luften eller verdensrommet. Utforsking på bakken må likevel til for å stadfeste at et krater virkelig skyldes et meteornedslag. Etter hvert har man funnet nær på 200 store kratre og flere mindre formasjoner. 32

33 Da denne figuren ble laget kjente man 160 sikkert bekreftede kratre fra meteornedslag på jorda. Dette er et rimelig stort antall, men svært få sammenlignet med antallet i et tilsvarende areal på månen. Eventuelle kratre i hav ene er vanskelig å finne, men vi kjenner altså kratre fordelt ut over 30 % av jordoverflata. Med en kratertetthet som på månen ville vi ha ventet at 100,000 kratre var synlige på kontinentene. 33

34 Tidlig i solsystemets historie, like etter at månen og jorda og de andre planetene var dannet hadde vi en periode med mange kollisjoner mellom planeter og meteorer i alle størrelser. Meteornedslagene laget et stort antall kratre. Dette regner vi skjedde i tidsrommet milliarder år siden. På månen finnes disse kratrene den dag i dag fordi det meste av månens overflate ikke er blitt fornyet. De største kollisjonene skjedde med planetesimaler eller asteroider. Disse tyngste kollisjonene grov ut bassengene der vi finner havene på månen. Tunge kollisjoner skjedde nok i hele tidsrommet men flere av disse tyngste kollisjonene fant sted sent i epoken for kollisjoner, mellom 4 milliarder og 3.8 milliarder år siden. Denne perioden kalles Late Heavy Bombardment og det finnes spor av den på planeter som Mars og Merkur. Fullt utviklede månehav ble så dannet ved at oppstigende basalt magma med lav viskositet steg opp fra det indre og brøt igjennom den oppsprukne og tynne skorpen i bunnen av disse bassengene. Magma fløt utover, fylte etter hvert opp havbassengene og dannet havene. Dette fortsatte inntil for omlag 3.2 milliarder år siden. Havene er altså yngre enn de fleste andre delene av månens overflate. Det ser vi ved at de nettopp ikke har så mange kratre. Høy kratertetthet er tegn på en gammel skorpe. De er også yngre enn de bassengene de fyller, kanskje med så mye som en milliard år. Var da månens indre mer flytende enn i dag? Det kan tenkes, og en grunn kan ha vært radioaktiv oppvarming, som senere naturlig nok har avtatt. Den viten vi har om aldre og dannelsesprosesser av de ulike delene av måneskorpen er basert på gransking av stein hentet på månen av astronautene under Apolloferdene (måneferdene). Fjell ble dannet langs kanten av havene så sent som for 3 milliarder år siden. De siste 3 milliarder år har vært en rolig tid på månen. Noen store kratre har nok kommet til. Eksempler er Copernicus og Tycho. 34

35 Vi understreker forbindelsen mellom alder av skorpe og tettheten av kratre. På jorda har vi få kratre fordi jordskorpa er ung på grunn av platetektonikk. Prosessene som driver tektonikken har å gjøre med hvor levende planetens indre er. En faktor som erosjon kan også telle litt med, men er ikke avgjørende viktig. Selv kratre som er sterkt forvitret, eroderte, kan oppdages fra bilder tatt fra fly og satellitter. 35

36 En god teori må kunne forklare disse karakteristiske trekkene ved jord-måne systemet. Viktige trekk som må stemme er verdien for månens middeltetthet, som er lavere enn jordas middeltetthet, og at månen har relativt mindre av de grunnstoffene som har lav fordampingstemperatur Oversikten (sliden) legger vekt på de forskjeller vi har mellom jorda og månen og som en teori må kunne forklare. Men der er også likheter, som for eksempel relative hyppigheter av tungt fordampelige grunnstoffer. En teori må også kunne si noe riktig om likhetene. 36

37 Vi skal se på fire teorier for månens dannelse. Tre av dem er nå forlatt, men den fjerde ser ut til å kunne beskrive en mulig måte å danne månen på. Her angir vi i overskrifts form de fire teoriene. Kollisjonsteorien, den nyeste, anses i dag som både mulig og sannsynlig. 37

38 Fisjonsteorien. George Darwin var sønn til den mer berømte Charles. Teorien går ut på at jorda opprinnelig spant så raskt rundt sin egen akse at den begynte å bulne ut. Dette førte til at månen ble avsnørt og gjorde seg fri fra jorda. Bremsing fra tidevann i det indre av jorda og månen gjorde at de to himmellegemene drev fra hverandre. Etter hvert ble teorien forkastet av de grunnene som er gitt ovenfor og kommentert nedenfor. 1. Månen er en tid innen for Roche grensen (se neste side) og siden den da enda er flytende vil den rives i stykker av tideeffekter, forskjellen i gravitasjon mellom de to sidene eller endene av månen. Massen vil da spres og aldri bli samlet til en måne. 2. Det er ikke mulig å få til avsnøring uten en veldig rask rotasjon og tilsvarende stor spinnmengde. En så stor mengde spinn kan ikke mistes i ettertid, for eksempel gjennom vekselvirkning med sola. 3. Her regnet Darwin baklengs og fant ut når månen måtte ha vært helt inne ved jorda. Men vi vet at vi har bergarter både på jorda og på månen som er eldre enn 2 milliarder år! 4. I følge denne teorien må massen til månen i sin helhet kommer fra jorda. Månen skulle da ha samme kjemiske sammensetning som jordas mantel, noe som ikke er tilfelle. 38

39 Oppsamlingsteorien. I følge oppsamlingsteorien er månen dannet fra materiale som var til overs etter at jorda ble dannet. Dette skjedde før disse restene ble spredt utover i verdensrommet. En oppsamlingsteori løser tidevannsproblemet som sier at tidevannskrefter ville ha revet i stykker en fisjonerenede måne mens den ennå var nær jorda. Det var nettopp Albert Roche som påpekte at det finnes en avstand fra en planet som for eksempel en måne ikke må komme innenfor dersom den skal unngå å bli revet i stykker av tidekrefter, forskjeller i gravitasjon på en nær og en fjern side i forhold til planeten. Denne avstanden kalles i dag Rochegrensen og beregninger viser at den vanligvis svarer til 2.5 planetradier. Man kan imidlertid bemerke at denne verdien for Roche grensen referer til en måne dannet av væske og holdes sammen bare av sine egne tyngdekrefter. En måne av stein vil ikke så lett bli revet i stykker. Men over milliarder av år vil også måner av fast stoff bli brutt i stykker. Dessuten vil nok både månen og jorda være i flytende eller myk (deformerbar) form like etter at de er dannet. 39

40 Innfangingsteorien. Den tredje teorien foreslår at månen er et legeme som kommer fra en helt annen del av solsystemet og som er blitt fanget opp av jorda. Punktene 1-3 skisserer trekk ved innfangningsteorien. Punkt 4 var ment å støtte teorien, men gjør det neppe. Dersom månen for eksempel opprinnelig kommer fra de ytre delene av solsystemet venter man å finne mer lettfordampelige grunnstoffer i månen enn i jorda, fordi disse grunnstoffene kondenserte dårlig nær sola og ble blåst ut i det ytre del av planetskiva i form av gass eller damp. Men månen har altså relativt mindre av de lett fordampelige grunnstoffene en jord. Motargumentet i punkt 5 er kanskje ikke så sterkt. Forholdene i solsystemet var helt annerledes for milliarder av år siden og store objekter fantes i sluttfasen for planetdannelsen. Punktene 6 og især 8 er gode argumenter mot teorien. Men især utgjør punkt 7 et sterkt motargument. Det kreves nemlig enorme krefter for å bremse et legeme som faller inn fra en annen del av solsystemet slik at det kan fanges inn av jorda. Med en slik nødvendig samstilling av tre store legemer blir hele teorien nokså lite trolig. 40

41 Kollisjonsteorien er den mest moderne teorien for månens dannelse. Den ble framsatt uavhengig av Hartmann og Davis og av Cameron. Den postulerer at jorda ble truffet av et legeme med en masse like stor eller større enn massen til Mars. Dette skjedde på et tidlig tidspunkt, kanskje før jorda var ferdig dannet. At kollisjonen skjedde tidlig, gjør at alle spor nå er borte. Massen av det kolliderende legemet må være stor nok til at kollisjonen løfter minst en månemasse over Rochegrensen, hvor den kan kondensere og bli til vår måne, uten å bli spredt av tidekrefter. Å finne så store kropper å kollidere med var lettere tidlig i solsystemets historie enn det ble senere da planetesimalene i stor grad var samlet i planeter i fastlagte baner. Kollisjonen kan ha endret jordas rotasjon, fart og retning av jordaksen. Videre kan teorien forklare både likheter og forskjeller i kjemisk sammensetning mellom månen og jorda. Likhetene kommer av at månen og de ytre delene av jorda i stor grad er dannet av den samme massen. Men varmen under kollisjonen ville koke vekk noen av de lett fordampelige grunnstoffene i det som ble til månen. Dermed kan teorien forklare både likheter og ulikheter med den kjemiske sammensetningen i jordas mantel. Det greier verken fisjonseller oppsamlingsteorien. 41

42 Her ser vi en beregnet sekvens av hvordan månen dannes ved en kjempekollisjon. Kollisjonen må være sterk nok til å slynge en månemasse ut i en avstand større enn Roche grensen. Derfor må massen til det legeme som kolliderer med jorda være så stor. Det går imidlertid raskt å få månen dannet gjerne under ett år. Kollisjonshypotesen er den beste man har i dag. Men er den god nok? Den løser ikke alle problemer og bare tiden kan felle en dom. Andre teorier har vært framsatt og senere forkastet. Kanskje det samme skjer igjen? Katastrofeteorier som kollisjonsteorien er et eksempel på, er ikke de mest ønskelige. Det kan virke som om de er lagd for å forklare en enkeltstående hendelse. Det blir lett en slags vitenskapelig overtro av slikt. Nå er kollisjonsteorien langt fra overtro. Beregningene er gode, men er konseptet godt nok? Man får bare vente og se om teorien blir avløst av andre hypoteser. 42

43 Kjempekollisjonen. Nå skal vi se nærmere på noen av detaljene rundt kollisjonen som kan ha ført til at månen ble dannet. Den kolliderende kroppen, en planet i fosterstadiet om man vil, må ha hatt en masse omlag som massen av Mars, det vil si som 10% av jordas masse. Mesteparten av denne massen har endt opp i jorda, som før kollisjonen må ha hatt 90 % av sin nåværende masse. Kollisjonen må være sterk nok til å løfte en månemasse, 1/80 jordmasse, utenfor Rochegrensen slik at gassen kan kondensere og danne månen uten å bli spredt av tidekrefter. I tillegg gikk sikkert noe masse tapt under kollisjonen. Å finne så store kropper å kollidere med var lettere tidlig i solsystemets historie enn det ble senere da planetesimalene i stor grad var samlet i planeter i fastlagte baner. Det kolliderende objektet har blitt gitt et eget navn, Theia. Trolig er det dannet nær jorda. Da kollisjonen skjedde var metallkjerner dannet både i Theia og i jorda; de var allerede differensierte kropper. Man tror at under kollisjonen falt det meste av kjernen til Theia rett ned på jordas kjerne, slik det antydes i figuren. Alternativt kan den ha blitt smeltet til dråper som hang en tid i et magmahav før de falt inn til jordkjernen, men dette er mindre trolig. Dette forklarer hvorfor månens kjerne er så liten. Vi husker at den var omlag 500 km i diameter, litt over 1/10 måneradius med en masse på høyst 2% av månens masse. Av jordas masse er derimot nesten 1/3 samlet i kjernen av jern. 43

44 44