Atmosfeer en zwaartekracht. De ontsnappingssnelheid is de snelheid die een object moet hebben om aan de zwaartekracht te ontsnappen.

Transcriptie

1 De binnenplaneten De zon en de planeten Relatief klein Hoge dichtheid Paul van der Werf Sterrewacht Leiden Lage massa Kleine straal Voornamelijk rotsachig materiaal Veel zware elementen Vast oppervlak Weinig satellieten +HW OHYHQG KHHODO IHEUXDUL De buitenplaneten Hoge massa Grote straal vloeibaar water (7% van het oppervlak) vast oppervlak zuurstofrijke atmosfeer Voornamelijk gasvormig Voornamelijk H en He Geen vast oppervlak Vloeibaar water in het zonnestelsel Lage dichtheid Waarom is er leven op aarde? Relatief groot schermt UV af beschermt tegen meteorieten thermostaat (broeikaseffect) gelijkmatige verwarming Veel manen 5 Mercurius en Venus te heet voor vloeibaar water Mars en reuzenplaneten te koud voor vloeibaar water Aarde precies goed 6

2 De aardatmosfeer Waarom geen H en He atmosfeer? Waar komt het water vandaan? Hoe kan de aarde een atmosfeer vasthouden? 7 Atmosfeer en zwaartekracht De ontsnappingssnelheid is de snelheid die een object moet hebben om aan de zwaartekracht te ontsnappen. Dus: E = 0 tot v = GmM mve = r e GM r Wat is de snelheid van moleculen in de atmosfeer? De snelheidsverdeling is de Maxwellverdeling: rms mv kt F( v) dv e v dv met als typische snelheid v kt m dus om een molecuul vast te houden GmM bv. v > 0v T < e rms 50kr 8 = Atmosferen van binnenplaneten Mercurius: te heet om atmosfeer vast te houden Venus, Aarde, Mars: kunnen zware moleculen vasthouden, lichte moleculen ontsnappen Maan: te licht om atmosfeer vast te houden, zelfs zware moleculen ontsnappen 9 Evolutie van de aardatmosfeer T 00 K dus v rms >v e voor H en He oorspronkelijke atmosfeer (H + He) verloren! Tweede atmosfeer: "outgassing" vulkanisme: H O, CO, N, (H ontsnapt) kometen: H O H O vormt oceanen, lost meeste CO op CO opgesloten in kalksteen O vrij recent: ~ miljard jaar geleden, fotosynthese (dus gevolg van leven!) O geioniseerd door UV in hoge atmosfeer, vormt ozon O O beschermt leven op land Broeikaseffect Zon verwarmt aarde tot ~00 K dus aarde straalt vooral bij ~0 0µm (wet van Wien). Broeikasgassen (CO, CH ) absorberen bij 0 0µm dus atmosfeer warmt op. broeikaseffect! meer broeikasgassen hogere temperatuur, klimaatveranderingen Delicate balans! Broeikasgassen en temperatuur temperatuur CO in de atmosfeer 0

3 Voorbeeld synchrone rotatie: aarde-maan Klimaat en getijden Synchrone rotatie: omlooptijd = rotatieperiode (jaar = dag) Bij synchrone rotatie geen gelijkmatige verwarming Getijden remmen de rotatie van een planeet af totdat die in synchrone rotatie komt: "tidal lock" Mars Getijden zijn sterker dichter bij een ster: tidal lock van belang voor binnenste planeten Maan veroorzaakt getijden op aarde Venus vloedpieken worden door wrijving met aarde meegenomen: lopen iets voor gravitationele krachten op de vloed-pieken remmen de rotatie van de aarde af gravitationele kracht van vloedpieken trekken de maan vooruit in zijn baan behoud van impulsmoment en energie afstand aarde-maan neemt toe (~ cm/jaar) Getijden langzamere rotatie + grotere afstand Lang geleden: maan veel dichterbij, getijden veel sterker en vaker Verre toekomst: maan veel verder weg, getijden zwakker en minder vaak Eindpunt: synchrone rotatie aarde (dag = maand) Venus heeft ongeveer dezelfde massa als de aarde. De atmosfeer van Venus is rijk aan CO. Anders dan op aarde wordt die niet door oceanen geabsorbeerd extreem broeikas effect met temperatuur van 750K (warmer dan Mercurius overdag!) Oppervlak niet zichtbaar door wolken radarkartering Retrograde rotatie Erosie op Mars: vroeger vloeibaar water 5 Leven op Mars? Mars heeft ongeveer half de straal en 0% van de massa van de aarde. Vrij sterk bekraterd maar ook vulkanisme (dood) en erosie door water (vroeger) en wind (vroeger en nu) Actieve atmosfeer (stormen) Seizoenen Vroeger water leven? 877: Schiaparelli: canali door sommigen voor planetair irrigatie systeem gehouden 898: H. G. Wells War of the Worlds 98: Orson Welles radio uitzending 976: Viking opname: het gezicht op Mars Viking Mars Explorer 6 7 8

4 Fossiel bacterieel leven? Europa 997: mogelijke fossiele bacteriën in Mars-meteoriet gevonden in Antarctica 9 maan van Jupiter gebarsten ijsoppervlak met waarschijnlijk daaronder vloeibaar water 00 x 0 km 0 IJsschotsen op Europa Titan DWPRVIHHU koolmonoxide, methaan, ethaan, waterstof cyanide en andere verbindingen aangetoond op Titan (maan van Saturnus) methaan is vloeibaar en speelt de rol van water op aarde.7 x km rijke chemie onder invloed van invallend zonlicht YDQ DFKWHUHQ YHUOLFKW x km waterstof cyanide (HCN) is een cruciale bouwsteen voor sommige aminozuren, de basisstoffen van eiwitten en DNA prebiotische chemie?

5 Vorming van het zonnestelsel Differentiatie Leeftijd van het zonnestelsel Newton: vorming zonnestelsel valt buiten de fysica en is het gevolg van een scheppingsdaad. Aartsbisschop James Ussher stelde in 66 dat de aarde was ontstaan in 00 v.chr., op 6 oktober, om 9 uur 's ochtends, en dus ongeveer 6000 jaar oud was. Begin van moderne discussie: nevelhypothese van Immanuel Kant (7 80) en Pierre-Simon de Laplace (79 87) Pas sinds enkele tientallen jaren onderwerp van actief sterrenkundig onderzoek GRRU WHPSHUDWXXU YHUVFKLOOHQ YRUVWOLMQ LMV &+ + + zon vormt na ~0 7 jaar temperatuur neemt af met straal binnenplaneten: zon blaast gas weg en alleen materialen met hoog smeltpunt condenseren: rotsachtige planeten met dunne atmosfeer buitenplaneten: gas ingevangen in dikke atmosferen, vorming van ijslichamen Ondanks aartsbisschop Ussher beweerden geologen al in de 8de en 9de eeuw op grond van rotslagen en fossielen dat de aarde tientallen miljoenen jaar oud was, maar absolute datering was moeilijk. Absolute datering werd mogelijk met ontdekking van radioactief verval in 896 door Becquerel en de Curies. Radioactieve datering toont aan dat de oudste rotsen op aarde.8 miljard jaar oud zijn, maanrotsen. miljard jaar en meteorieten.5.7 miljard jaar. Het zonnestelsel is dus ongeveer.6 miljard jaar oud Ontstaan van leven op aarde oudste rotsen: ~.8 miljard jaar oud oudste fossielen: ~.5 miljard jaar oud bacteriën oudste eukaryoten (cellen met kernen): ~ miljard jaar oud valt samen met toename van zuurstof in atmosfeer oudste meercellige organismen: ~550 miljoen jaar oud eerste mensen: ~5 miljoen jaar geleden Leven op aarde: implicaties Leven ontstaat bijna onmiddellijk gemakkelijk proces? zie Miller-Urey experiment maar: >80% van de geschiedenis van het leven tot nu toe bestaat uit eencellige organismen meercelligheid is moeilijk? Menselijke intelligentie verschijnt pas in de laatste 0.00% van de geschiedenis van het leven intelligentie is moeilijk? Extreme aardse levensvormen (extremofielen) Anaeroben geen vrije zuurstof Thermofiel hoge temperaturen (>70º C) Psychrofiel lage temperaturen (~0 C) Acidofiel hoge zuurgraad (ph ~ 0) Alkalofiel sterk basisch (ph ~ 0) Halofiel hoge zoutconcentratie Barofiel hoge druk Xerofiel extreme droogte Anaerobe schimmel Er bestaan ook levensvormen die bestand zijn tegen straling of in rotsen leven (endolithisch, zelfs kilometers onder aardoppervlak). 8 NB: redenering op grond van slechts voorbeeld is riskant 9 0 5

6 IJswormen! Leven bij andere sterren In 997 werd een bizarre duizendpootachtige worm op 700 m diepte ontdekt in de Golf van Mexico. Ze leven van methaan hydraat, methaan-water ijs dat vormt onder extreme druk en koude. geschikte sterren: leeftijd lang genoeg onwaarschijnlijk dat leven zich ontwikkelt in de korte evolutieperiode van een zware ster matig lichte sterren (types FGKM) leven lang genoeg genoeg zware elementen bouwstof voor planeten stabiele sterren, stabiele banen geen dubbelsterren geen zeer lichte sterren (vaak onstabiel) Stars within 5 pc M K G conclusie: zeer veel geschikte sterren 0 I II III IV V WD F A B vulkanische pijpen en de kokerwormen die er leven Protoplanetaire schijven >50% van de jonge sterren heeft een protoplanetaire schijf afmetingen schijven vergelijkbaar met zonnestelsel massa's schijven ongeveer % van massa van de ster: genoeg voor vorming van een zonnestelsel Exoplaneten Teng Mu (de eeuw): "Hoe onredelijk zou het zijn, te veronderstellen dat behalve de aarde en de hemel die we zien, er geen andere hemelen zouden zijn, noch andere aardes." Giordano Bruno (6de eeuw): "Er zijn ontelbare zonnen en ontelbare aardes die rondom hun zonnen draaien, precies zoals onze zeven [sic] planeten hun baan rond de zon volgen." Probleem: bij een aarde-achtige planeet rond een zon-achtige ster is de ster 0 9 zo helder als de planeet exoplaneet kan niet direct worden waargenomen Oplossing: meet de verschillen in radiële snelheid van een ster, veroorzaakt door de aantrekkingskracht van de rond de ster draaiende planeet: Doppler-spectroscopie 5 Doppler-spectroscopie beweging van de ster naar aarde beweging van de planeet Doppler-effect λ = λ Hoe zwaarder de planeet, hoe groter het snelheidsverschil. alleen zware (~Jupiter) planeten kunnen op deze manier aangetoond worden 6 v c 6

7 5 Pegasi Resultaten: v p = 5 m s P =.5 dagen! We weten: v p en P (uit Doppler metingen) M ster (uit spectrum) We kunnen dan berekenen: M p (massa planeet) R p (afstand planeet-ster) Zware exoplaneten Resultaat voor planeet rond 5 Peg: massa 0.7 M jupiter zware planeet baanstraal 0.05 AU! heel dichtbij ster (vgl. Mercurius: 0.6 AU) Bizar! Wat is dit voor planeet? Afstand tot ster suggereert een rotsachtige planeet, want gasreuzen kunnen niet zo dicht bij ster vormen. Maar: rotsachtige planeten rond de zon zijn veel kleiner. kunnen we de straal van deze planeet bepalen? Straal uit eclips fotometrie Resultaat: R p =. R jup : gasreus Hete Jupiters Alle zware exoplaneten op korte afstand van hun ster waarvan we de straal hebben kunnen meten blijken gasreuzen te zijn: "hete Jupiters" Er zijn nu >00 van deze zg. "epistellaire reuzenplaneten" bekend. Ze zijn waarschijnlijk op grotere afstand gevormd, en naar binnen gemigreerd (door wrijving van gas/stofschijf en interacties met andere planeten). Er worden ook sterk elliptische banen gevonden. Vanwege deze migratie is het onwaarschijnlijk dat deze sterren aard-achtige planeten hebben, maar de reuzen-binnenplaneten kunnen wel bewoonbare manen hebben. Waarschijnlijk hebben de meeste enkelvoudige sterren planeten. Epistellaire reuzenplaneten NB: waarom alleen zware planeten gevonden? Omdat dit de enige planeten zijn die zo gevonden kunnen worden ("selectie-effect"). De bewoonbare zone Vloeibaar water waarschijnlijk essentieel voor leven Planeten moeten de juiste temperatuur hebben Temperatuur hangt af van afstand tot en lichtkracht van ster bewoonbare zone Probleem bij kleine baanstraal: tidal locking Probleem bij grote baanstraal: gasreuzen Probleem bij zware sterren: leven te kort Probleem bij lichte sterren: te onstabiel 7

8 Planeten in bewoonbare zones Sommige exoplaneten bevinden zich in bewoonbare zones NB: dit zijn voornamelijk gasreuzen Deze kunnen rotsachtige manen hebben die geschikt zijn voor leven (Titan is net zo groot als Mercurius) Extrasolar planets Hoe vinden we een atmosfeer? Bv. broeikasgassen (CO ) Bv. natte atmosfeer (H O) Bv. zuurstof atmosfeer: niet in chemisch evenwicht, dus aanwijzing voor leven Mid-infrarood spectroscopie kan ons dit vertellen Zoeken naar exo-leven Zoek een H O/O atmosfeer. O wordt voortgebracht door leven (fotosynthese) CO + H O + hν (H CHO) + O + H O. O : zeer reactief, verdwijnt in ~ 0 7 jaar, tenzij continu aangevuld Aanwezigheid van O = teken van leven MITS geen abiotische productie 5 6 Het probleem Licht detecteren van exoplaneten is moeilijk: Planeet zendt slechts enkele fotonen/sec/m uit bij 0 µm Ster zendt 0 6 zo veel uit Planeet dicht bij ster (bewoonbare zone) Stof rond de ster 00 helderder dan planeet Zoeken van een vuurvliegje naast een zoeklicht op een mistige nacht Kontrast ster-planeet gunstigst in infrarood Ruimte-interferometrie moet dit mogelijk maken 7 8