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Ringvorlesung HGF-Allianz, 15.10.2009
"Planetary Evolution and Life"
Asteroiden und Kometen als Impaktoren
Ekkehard Kührt, Carmen Tornow
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Ringvorlesung 15.10.2009
Gliederung1. Themen2. Kometen und Asteroiden - ein Steckbrief3. Reservoirs4. Untersuchungsmethoden5. Physikalische Eigenschaften6. Chemische Eigenschaften7. Kleine Körper und Entwicklung des
Planetensystems8. Kleine Körper und Entstehung des Lebens9. Asteroiden und Kometen als Impaktoren10. Kometen und Geschichte(n)11. Schlussfolgerungen Asteroid Itokawa
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1. Themen
Was sind Kometen und Asteroiden?
Woher beziehen wir unser Wissen über diese kleinen Körper?
Welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede gibt es zwischen Asteroiden und Kometen?
Welches sind ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften?
Wo halten sie sich auf?
Welche Bedeutung haben sie für die Entwicklung des Planetensystems?
Welche Rolle spielen sie bei der Entstehung des Lebens?
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2. Kometen und Asteroiden - ein Steckbrief
Kometen Asteroiden
Bahnen stark elliptisch schwach elliptisch
Zusammensetzung Eise, Silikate, organische Verbindungen
Minerale (zum Teil wasserhaltig), Metalle, organische Verbindungen
Reservoirs jenseits der snow line(Jupiter) im Kuiper-Gürtelund der Oortschen Wolke
Innerhalb der snow line, vorwiegend zwischen Mars und Jupiter (Hauptgürtel), aber auch in Erdnähe
Gesamtzahl >1012 > 106, fast 500000 bekannt
Gesamtmasse ~2x1026 kg(30 Erdmassen)
~2x1021 kg(1/3000 Erdmassen)
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3. ReservoirsKometen
TNOs (Transneptunian objects)Kuipergütel
a = 42…48 AEkleine e und ischeibenförmig
Scattered diskgroßes e
Oortsche Wolke2000….100000 AEkugelförmigz.B. Hale Bopp
äußerer Asteroiden-Hauptgürtel
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AsteroidenHauptgürtel (90%)
zwischen Mars und JupiterWegen Jupiter keine Planetenbildung
Objekte innerhalb Marsorbitaus Hauptgürtel gestreut
AmorsApollosAtens
Erdnahe Objekte (NEOs)p < 1,3 AE1000 NEOs > 1 km
3. Reservoirs
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3. Reservoirs
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4. UntersuchungsmethodenBeobachtungen von der Erde (Teleskope vom UV bis in de
Radiobereich, passive und aktive Verfahren)Kometen-Beobachtungen aus der Erdumlaufbahn (HST, Spitzer)Messungen mit Raumsonden vor Ort (8 Asteroiden, 4 Kometen)Modellrechnungen
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5. Physikalische Eigenschaften
Kometenkern
Größe: einige 100 m bis einige 100 km,unregelmäßige Form
Dichte: gering, halb so groß wie WasserBestandteile: Eise (H2O, CO2, CO), Staub (Silikate, CHON)Aktivität: Erwärmung des Kometenkerns durch die Sonne,
Verdampfung der Eise, Mitreißen von Staubkörnern, jetsProduktion: bis 300 t/s Gas und 1000 t/s StaubBahnen: stark elliptisch, alle Neigungen zur EkliptikKräfte: Gravitation Erde und Planeten, nicht gravitative Kräfte
durch Gasfluss
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Koma (”Atmosphäre”):
Zusammensetzung: verdampfte Elternmoleküle und Tochtermoleküle (ca. 130)
Ausdehnung: 10000...1000000 kmGasdichte: ~ 1 Millionstel der Erdatmosphäre, gutes Vakuum
Form: Gashülle nahezu kugelsymmetrischStaubkörner: 0.1 µm...1 m
5. Physikalische Eigenschaften
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Kometenschweif
Staubschweif- Beschleunigung des Staubes durch
Strahlungsdruck der Sonne
- Länge: bis 50 Mill. Km
Gasschweif- Gasmoleküle aus der Koma werden
- durch UV- Strahlung der Sonne und
- andere Mechanismen ionisiert
- der elektrisch geladene Sonnenwind
- bläst die Ionen weg
- Länge: bis 250 Mill. km
5. Physikalische Eigenschaften
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• NASA Mission• 1999: Start• 2004: Vorbeiflug Komet (240
km)• 2006: Landung Probenkapsel
auf Erde• Auflösung Kamera: ~ 10 m
Stardust: Comet Wild-2
5. Physikalische Eigenschaften
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Ergebnisse Stardust
Sehr raue Oberfläche
lokalisierte Aktivität (jets)
sehr dunkel (Albedo: 0.03)
nichts sphärischer Kern (1.65 x 2.00 x 2.75 km3)
Einige Minerale im Staub haben hohe Temperaturen erfahren (T ~ 2000 K)
5. Physikalische Eigenschaften
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• NASA Mission• 1/2005: Start• 7/2005: Vorbeiflug Komet (500
km)• und Einschlag Impaktor
(370 kg, 10 km/s), ca.4 t TNT• Auflösung Kamera: ~ einige m
Deep Impact: Comet Tempel-1
5. Physikalische Eigenschaften
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Ergebnisse Deep Impact
raue und glatte Oberflächengebietegeringe Dichte: 400...600 kg/m37,6 × 4,9 km Festigkeit:???20000 t Material bei Impakt verlorenlokalisierte Aktivitätvielfältige Landschaftsformen (Täler, Berge, Krater, Spalten, Abhänge,...)nur wenig Eis direkt auf der OberflächeOberfläche relativ warm (270 bis 340 K)1/100000 der Oberfläche ist Wassereis
5. Physikalische Eigenschaften
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Asteroiden
Größe: einige 100 m bis 1000 km, unregelmäßige Form
Dichte: etwa doppelt so hoch wie Wasser
thermische Trägheit: gering
Zusammensetzung: Metalle, Minerale, Mineralwasser, organics
Bahnen: schwach elliptisch, geringe Neigung zur Ekliptik
Kräfte: Gravitation Sonne und Planeten, Yarkovski-Effekt
physikalische Eigenschaften wichtig für Abwehrmaßnahmen
Asteroid Ida
5. Physikalische Eigenschaften
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Jupiter’s orbit
Sun
Hauptgürtel
Jupiter
Hier sindwir!
Hier sindwir!
NEOs
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• JAXA Mission• 2003: Start• 2005: Annäherung Asteroid (10
- 20 km), Probenantnahmedurch touch down
• 2010 Probenrückführung• Auflösung Kamera: einige dm
Hayabusa: Asteroid Itokawa (NEO)
5. Physikalische Eigenschaften
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Ergebnisse Hayabusa
535 × 294 × 209 mgeringe Dichte: 1900 kg/m3Albedo : 0,53rubble pile? (keine Krater, geringe Dichte)S-type (Silikate)nur wenige Krater
5. Physikalische Eigenschaften
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6. Chemische Eigenschaften
Wie bestimmt man die chemische Eigenschaften von Kometen / Asteroiden?
• Im Labor → mit den Methoden der analytischen Chemie (Titration, Gravimetrie, Chromatographie, Massenspektrometrie, .. )
• Geringste Entfernung: 63000 km → 2. März 2009: Objekt 2009 DD45 (~30 m), Explosion → einige 100 kT (1 kT ≈ 4,2×1012 J) → evtl. in unterer Stratosphäre
Möglichkeiten
Beobachtungen mit Teleskopen
Rendez-vousMissionen
chem. Analyse von Meteoriten
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Rendez-vous Missionen: Stardust (81P/Wild 2), Deep Impact (9P/Temple 1), Dawn(4 Vesta, 1 Ceres), Rosetta (67P/Churyumov-Gerasimenko)
Analyse von Meteoriten: felsiges und/oder eisenhaltiges Material, Proben → Methoden der analytischen Chemie
6.1 Erkundung der Chemischen Eigenschaften
Meteorit Hoba,
Nordwestnamibia, ~ 60 Tonnen
Fe: 82.3%, Ni: 16.4%, Co: 0.8%
Einschlag vor < 80.000 Jahren
→ Messung der 59Ni Aktivität
Bestrahlungsalter: 400×106 Jahre
→ 36Cl/36Ar-Verhältnis
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6.2 Chemischen Eigenschaften der Meteoriten
Eisenmeteorit (1,3 kg) Stein-Eisenmeteorit (3 kg)
Chondrite: Undifferenziertes Material
Achondrite: Differenziertes Material→ radioaktive Isotope→ Gravitation
Steinmeteorit: 2.1-3.8 g/cm3 (58%)
Stein-Eisen-Meteorit: 4.2-4.8 g/cm3 (13%)
Eisenmeteoriten: 7-8 g/cm3 (13%)
Steinmeteorit (0.45 kg)
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6.2 Chemischen Eigenschaften der Meteoriten
Achondrite: keine Chondrule, wenig Metall (Fe, Ni)wenig FeS (Troilite)
Chondrite: Chondrule, Metall (Fe, Ni)FeS (Troilite)
Primitiver Achondrite
Ureilite
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Chondren: amorphe und kristalline sub-mm bis mm große kugelförmige Silikate
Olivine - Mg2SiO4 , (Fosterite) ↔ Fe2SiO4 (Fayalite)
Pyroxene: MgSiO3 (Enstatit)
Siliziumdioxid: SiO2 (Quarz, Kieselerde)
6.2 Chemischen Eigenschaften der Meteoriten (Chondrite)
Si, Mg, Fe, O
Alle Chondrite, außer CI (urtümlichster C Chondrit)
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Ca-Al-Einschlüsse: mm bis cm große Aggregate (amorphe/kristalline )
Hibonite: CaAl12O19
Plagioklase: CaAl2Si2O8 (Anorthit)
Spinel: MgAl2O4
6.2 Chemischen Eigenschaften der Meteoriten (Chondrite)
Al, Ca, Si, Mg, O
Alle kohligen Chondrite, außer CI
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6.3 Beziehungen zwischen Meteoriten und Asteroiden
Asteroiden Klassifikation
S-Typ: Fe,Mg-Silikate + metallisches Fe-Ni, wenige flüchtige Verbindungen, innerer Asteroiden Gürtel
E-Typ: Ähnlich, näher an der Sonne
M-Typ: metallisches Fe-Ni, innerer Asteroiden Gürtel
C-Typ: Kohliges Material, flüchtige Verbindungen, äußerer Asteroiden Gürtel
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Radio observations of 30 comets, black: Jupiter-family comets (scattered disk → inward directed interaction)red: long-period comets (Oort cloud → outward directed interaction)
Halley-type comets (scattered disk → not quite clear)
6.4 Chemische Eigenschaften der Kometen
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7. Beziehung zur Bildung des Planetensystems
molekulare Dunkelwolke
gravitativer Kollaps
Protostern undAkkretionsscheibe
T Tauri Sternund dünne
Scheibe
Sonnensystem
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mm große Chondren → 4564.7±0.6 Myr
cm große CAIs → 4567.11±0.16 Myr
Allende Meteorit, 1969 in Mexico, nur 4% der gefundenen Meteoriten
sind kohlige Chondrite
Matrix Material mit 50 μm großen pre-solaren Staubkörnern
Altersbestimmung unter Verwendung von26A/27Al, 207Pb/206Pb und 17O/16O, 18O/16O
7.1 Chronologie der Entstehung des Sonnensystems
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7.2 Bedeutung für die Entstehung der Erde
flüchtig hitzebeständig
Element MantelKruste
Kern Element
0.010
0.012
0.0002
44.0
0.025
0.009
Fe
Si
Mg
Ni
Ca
Al
MantelKruste
Kern
H
C
N
O
S
P
0.060
0.200
0.0075
0.0
1.9
0.35
6.26
21.0
22.9
0.196
2.53
2.35
85.0
6.0
0.0
5.2
0.0
0.0
Elementanteile
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Sauerstoff-IsotopenVerhältnis
7.3 Auffinden von Ähnlichkeiten zur Chemie der Erde
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?
Energy
Water
Organic matter?
?
Protocell: LUCA ?
8. Bedeutung für die Entstehung des Lebens
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Quantitative amounts of volatiles:
1. UV photolysis: 108 – 109 kg/yr
2. Lightning107 – 108 kg/yr
2. Hydrothermal vents108 – 109 kg/yr
3. Interplanetary dust particles108 – 109 kg/yr
4. Comets and asteroids109 -1010 kg/yr
8.1 Transport Organischer Materie und Wasser zur Erde
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Organic matter Water Volatile Compounds (C,H,O,N,S)
Element composition in %
8.2 Elementzusammensetzung von Zellen und Eis
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Wo und wie bilden sich diese Moleküle?
Hot corino
8.3 Komplexe Moleküle im Eis
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CC = carbonaceous chondrites, LL3-IW and -PS = interstellarand protostellar water in Semarkona (LL3 meteorite)
Modellierung des Modellierung des Solaren Nebels und Solaren Nebels und seiner Chemieseiner Chemie
8.4 D/H zur Identifikation der Quellen von H2O
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Modellierung des Solaren Modellierung des Solaren Nebels und seiner ChemieNebels und seiner Chemie
8.5 15N/14N zur Identifikation der Quellen von N2
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9. Asteroiden und Kometen als Impaktoren
Saturnmond
Phoebe
Saturnmond
Phoebe
Mond (Rückseite)Mond (Rückseite)
Kollisionengravitative und nicht gravitative Störungen können auf Kollisionskurs untereinander, mit der Sonne, den Planeten und ihren Monden führen
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Koeberl, 2006
Nice-Modell
Jupiter und Saturn haben sich nach WW mit kleinen Körpern in 1:2 Resonanz bewegt und dann chaotische Verhältnisse im PS ausgelöst (LHB)
9. Asteroiden und Kometen als Impaktoren
The late heavy bombardement
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9. Asteroiden und Kometen als Impaktoren
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Sizes and Impact Frequencies of NEOs
DustDust
Boulder
Boulder
Buildin
g
Buildin
g
MountainMountain
Second
Second
WeekWeek
Millenniu
m
Millenniu
m
500,000 yr500,000 yr
100 Myr
100 Myr
Leonid meteor showerLeonid meteor shower
Peekskill meteoritePeekskill meteorite
Tunguska, 1908
SL9 hits
Jupiter 1994
SL9 hits
Jupiter 1994
K-T mass extinctor, 65 Myr ago
Smallest, most frequent
Smallest, most frequent
Huge, extremely rareHuge, extremely rare 15 km
15 km
9. Asteroiden und Kometen als Impaktoren
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Konsequenzen von ImpaktsOberflächenformung (Altersbestimmung)AtmosphärenveränderungenEintrag von Wasser und organischen MolekülenEnergieeintrag (Vernichtung der Biosphäre)Triggern von LebenArtensterben
Abwehrmaßnahmen möglich!
9. Asteroiden und Kometen als Impaktoren
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10. Kometen und Geschichte(n)
Kometen haben die menschliche Geschichte beeinflusst
Kometen galten lange Zeit als GötterbotenErmordung von Julius Cäsar (44 v.u.Z.)Schlacht bei Hastings 1066 (Komet Halley)vermeintliches Kriegsglück für Napoleon (Russlandfeldzug 1811)Panikreaktionen der Bevölkerung noch 1910 (Halley) mit Selbstmorden
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11. ZusammenfassungAsteroiden und Kometen
sind Überbleibsel der Entstehung des Planetensystemsbilden die Klasse der kleinen Körper (100 m bis 1000 km) im Sonnensystem und haben sich daher nur wenig verändertsind daher wissenschaftlich von hohem Interessewechselwirken auch heute noch mit Planeten und Mondenhaben einen direkten Zusammenhang mit dem Leben auf der Erdesind faszinierende und mystische Objektesind Ziel von Raummissionen (bisher 13 Missionen, davon 4 auf Oberfläche)