ONTSTAAN VAN MAAN EN AARDE

Presentatie over: "ONTSTAAN VAN MAAN EN AARDE"— Transcript van de presentatie:

1 ONTSTAAN VAN MAAN EN AARDE
Een heftige gebeurtenis pij pZeer pijnlijke bevallingp

2 Een blik op de maan De voorkant: inslagkraters en maria ( = grote basaltrijke inslaggebieden)

3 Rotatietijd = revolutietijd
Maan keert steeds zelfde kant naar aarde Oorzaak is d getijdenwerking van aarde op maan Is dat gevolg van getijdenwerking van aarde op maan? Aardmassa = 80 x maanmassa Amplitude is evenredig met (afstand)2 en (diameter)3 Maandiameter = 0,27 aarde. Zo vinden we: op huidige afstand (gemiddeld km) is getijdenamplitude ca. 1,6 maal groter dan die van de maan op aarde Dat is te weinig om de gelijkheid van rotatie- en revolutietijd te verklaren

4 Een conclusie Op één tiende van de huidige afstand zou de getijdenwerking op de vaste korst 100 maal groter zijn – d.i. een amplitude van ca. 16 meter En als de maan toen nog vloeibaar was, zou die amplitude van de orde van 160 meter zijn geweest En zo voort De gelijkheid van rotatie- en revolutietijd suggereert dat de maan ooit dichter bij de aarde stond, misschien zelfs vloeibaar was.

5 Deel van achterzijde. Pas te zien door de ruimtevaart
Deel van achterzijde. Pas te zien door de ruimtevaart. Meer kraters dan voorzijde? En waarom?

6 Het planetenstelsel Is de maan tegelijk en/of op dezelfde wijze als de aarde en de andere planeten ontstaan ? Aarde en maan zijn onderdeel van het planetenstelsel. Hoe is het planetenstelsel ontstaan ?

7 Het planetenstelsel. 4 binnen- en 4 buitenplaneten, meer dan halt miljoen planetoïden; duizenden ijsdwergen

8 Ouderdom planetenstelsel wordt o. m. bepaald d. m. v
Ouderdom planetenstelsel wordt o.m. bepaald d.m.v. chondrieten (de oudste meteoorstenen)

9 Intermezzo: Vijf bekende Nederlandse meteorieten
Uden, 2 juni 1840 Utrecht (Blauwkapel), 12 juni 1843 Diepeveen, 27 oktober 1870, koolstofchondriet (ontdekt in 2013) Ellemeet en Serooskerke, 26 aug. 1924, chondrieten  Glanerbrug, 7 april 1990

10 Leeftijd bepaling: a: chondrieten; b: andere bronnen
Leeftijd bepaling: a: chondrieten; b: andere bronnen . Stelsel is 4567 miljoen jaar oud.

11 Planeten ontstonden tegelijk met ster uit de overblijvende gas-/stof-wolk

12 Zo zag een schilder de geboorte van een ster en haar planetenstelsel

13 De werkelijkheid: een proplyde (= protoplanetaire schijf) om een jonge ster in Orion

14 Proplyde IRAS p

15 Protoplanetaire schijf om Bèta Pictoris (ster is afgeschermd)

16 Daarin is zelfs een planeet ontdekt
Daarin is zelfs een planeet ontdekt. De vraag: hoe ontstaan die planeten

17 Een computerpoging om het ontstaan van de 4 binnenplaneten te simuleren. Rotsblokken van diverse massa’s en afstanden tot zon botsen en versmelten soms

18 Rotsblokken bewegen zich door het binnendeel van het zonnestelsel
Rotsblokken bewegen zich door het binnendeel van het zonnestelsel. Ze kunnen botsen en versmelten

19 Enkele resultaten. Centraal diagram : actuele situatie

20 Zo ontstond ook ons planetenstelsel
4567 miljoen jaren geleden vormden zich de eerste chondrieten in een protoplanetaire schijf Die schijf zal aanvankelijk wel min of meer bolvormig geweest zijn Hij zal ook wel langzaam om een as gewenteld hebben En door combinatie van de aswenteling, rotatie en zwaartekrachts-aantrekking wordt de wolk afgeplat Daarin ontstonden de planeten door botsingen en samenvoeging van gas en stof, mede onder invloed van de zwaartekracht Dit proces nam ca. 30 miljoen jaar. Alle planeten dus in hetzelfde vlak De allergrootste massa (> 99 %) kwam terecht in een centrale condensatie , dit werd de zon, maar pas nadat daar de centrale dichtheid en temperatuur hoog genoeg waren. Toen kon daar kernfusie optreden en begon de zon te stralen

21 Het gaat snel: de protoplanetaire gasschijf is na miljoen jaar verdwenen en overgegaan in een immense verzameling rotsblokken, stenen en gruis

22 Samengevat: de eerste fase
De planeten vormden zich uit het restje van de stofwolk. Hun totale massa is minder dan een procent van die van de zon Verscheidene dergelijke hemellichamen ontstonden op soortgelijke afstand van de zon als de aarde. Door botsingen bleef daar uiteindelijk slechts de aarde over (met de maan) Tussen 4,0 en 3,8 miljard jaar ondergingen ze het late hevige bombardement van rotsblokken enz., zoals uit tellingen van maankraters en ouderdomsbepalingen van meegebrachte maanstenen is afgeleid

23 De kernvraag: zijn de satellieten ook zo ontstaan?
Zijn ze als ‘kleine planetenstelsels’ ontstaan? Onderzoek daarvoor de hoeveelheid rotatie van de satelliet ( = het impulsmoment). Vergelijk de manen van Jupiter met het aarde-maanstelsel. Ons stelsel blijkt bijzonder te zijn

24 Een belangrijke natuurwet
Wet van behoud van impulsmoment; dit is de wet van behoud van hoeveelheid rotatie Noem de massa m, de afstand tot het rotatiemiddelpunt r en de rotatiesnelheid v Dan is voor een gesloten systeem het product m.v.r constant (zo lang er geen wisselwerking is met de omgeving). Dus: m, zowel als v als r kunnen veranderen, maar hun product niet – dat blijft constant Als voorbeeld de beweging van de maan om de aarde

25 Voorbeeld: de getijden van de aarde maan heeft geen getijden; steeds zelfde kant naar aarde

26 Getijden zijn gevolg van aantrekking door maan
Twee getijdengolven aan weerskanten van de aarde De golf draait eenmaal in 27 dagen in het rond, parallel aan de omloop van de maan Aarde draait daar eenmaal per 24 uur onder door De wrijving tussen vloedgolf en aarde veroorzaakt afremming van de aarde Aarde gaat langzamer draaien en zo wordt de dag in een eeuw 1,7 milliseconde langer Impulsmoment mvr blijft echter constant en daarom neemt de afstand maan tot aarde toe, met 4 cm per jaar

27 Hoe zijn de vier grote satellieten van de planeet Jupiter ontstaan
Hoe zijn de vier grote satellieten van de planeet Jupiter ontstaan? (de Galileaanse satellieten)

28 Ontstond als klein planetenstelsel !
Want: De satellieten liggen keurig in het equatorvlak Ook het impulsmoment is redelijk verdeeld. Neem als voorbeeld de grootste Jupitermaan: Ganymedes De massa is maal kleiner dan die van Jupiter Het impulsmoment van de baanbeweging is ca maal kleiner dan dat van de rotatie van Jupiter Soortgelijke getallen vinden we voor de drie andere Galileaanse satellieten Het impulsmoment is dus vrij gelijkmatig verdeeld tussen Jupiter en zijn vier grote satellieten.

29 Bezie nu stelsel Aarde-Maan
De massa van de maan is 80 maal kleiner dan die van de aarde Het baanimpulsmoment is echter vrijwel gelijk aan dat van de rotatie van de aarde In getallen: het impulsmoment van de omloop van de maan is ca. 0,6 van het impulsmoment van de aard-rotatie. Dit lijkt onverklaarbaar groot! Dit is een reden om aan te nemen dat het stelsel van aarde en maan niet is ontstaan als een ‘klein planetenstelsel’, zoals wel het geval lijkt te zijn bij het Jupiter-stelsel

30 Het dilemma van de maan Hoe kan de geboorte van de maan met dat enorme impulsmoment dan wèl begrepen worden ? ‘Iets’ moet ‘eens’ de maan een zeer krachtige zet gegeven hebben

31 Is de maan jonger dan de aarde?
Ontstaan planetenstelsel begon 4567 ± 2 miljoen jaar geleden Ouderdom van aarde is ( ± 50) miljoen jaar Maangesteenten uit hooglanden van de maan zijn ca ( ± 50 ) miljoen jaar oud. Is de maan dus zo oud? Te onnauwkeurig voor een goede chronologie Op zijn best suggereren de getallen dat de maan vrijwel gelijktijdig met de aarde en het planetenstelsel ontstond (nauwelijks iets later ?) Hoe verliep het ontstaan? Daar zijn verscheidene theorieën over

32 Een opsomming van theorieën
(1): De maan is elders ontstaan en daarna gevangen door de aarde; zo kwam hij in zijn baan (een oude theorie; recent opnieuw voorgesteld door S.F. Singer). Dat kan niet als hij daarbij niet tegelijk afgeremd wordt. Hoe en waardoor? Niet echt uitgesloten maar ook niet aanvaardbaar zolang de afremming niet verklaard worden Maar: voor de buitenste satellieten van Jupiter enz. is vangst wel de meest aanvaarde hypothese. Hoe zit dat? Botsingen misschien? (2) Uitstoting. Een snel roterende aarde stootte een deel van de massa uit door middelpuntvliedende kracht (G. Darwin). Maar hoe dan wel ? En hoe kwam die maan in een bijna cirkelvormige baan? En deze onderstelling verklaart evenmin het enorme impulsmoment van de omlopende maan

33 Verdere opsomming (3) Explosie van een georeactor , gesitueerd op de aardse kern-mantel grens (De Meijer, Van Westrenen) Maar hoe werkte deze kernbom? Met name: het explosieve karakter. Waarom heeft Venus dan geen maan? Hoe kwam de maan in deze theorie aan zijn impulsmoment en zijn vrijwel cirkelvorige baan? Dit verklaart wel de gelijke chemische compositie van aarde en maan, maar weer niet het grote impulsmoment. Er zijn zo heel wat bespiegelingen die uiteindelijk onvruchtbaar(b)lijken

34 De Grote Inslag (Giant Impact Hypothesis)
Het meest waarschijnlijk lijkt de onderstelling dat de maan ontstond door een rakelingse botsing van een groot hemellichaam met de aarde.

35 Een daarvan wordt Theia gedoopt.
Rakende botsing In de eerste fase van het planetenstelsel bestond een aantal hemellichamen met banen, die ongeveer even ver van de zon verwijderd waren als die van de aarde. Een daarvan wordt Theia gedoopt. Een rakende botsing bracht het impulsmoment over en dat betekende tevens het einde van Theia Computersimulaties kunnen nagaan of de maan zo kan zijn ontstaan

36 Een computersimulatie; we zien de maan ontstaan

37 Andere simulatie. Kleur geeft temperatuur aan
Andere simulatie. Kleur geeft temperatuur aan. Het proces duurde hier 27 uren

38 Enkele aspecten van de grote inslag
Computer simulaties tonen dat het lichaam ongeveer zo zwaar moet zijn geweest als Mars. De invalshoek was 45 graden; de relatieve snelheid 4 km/seconde Botsingenergie verhit het materiaal Deel van het materiaal vormt een lange arm van zeer heet stof en gas Een deel daarvan (20%) verdwijnt de ruimte in en een ander deel (50%) koelt af, condenseert, klit tezamen en vormt ten slotte de maan. In sommige simulaties ontstond ook nog (even) een tweede kleinere satelliet Jonge maan aanvankelijk op niet te grote afstand van de aarde – sterke getijdenwerking !  rotatietijd = revolutietijd

39 Waren er dan niet nog meer botsingen?
Zonder twijfel: ja! Maar slechts zelden leidt dat tot de vorming van een planeet en zijn maanachtige satelliet Eerder zal zo een protoplaneet verder aangroeien Ofwel de twee objecten worden verbrijzeld en dat draagt zo bij tot de veelheid van planetoïden

40 Hoe dit te bevestigen of te ontkennen
Poging tot verificatie door onderzoek van beschikbaar maan-materiaal

41 Onderzoek van maanstenen Voornaamste bron: Apollo missies brachten 2415 maanstenen mee (382 kg); ook iets van Luna ruimtevoertuigen ( 0,32 kg). (Ribbe van blokje is 2,5 cm)

42 En ook: maanmeteorieten !
Meteoorstenen die van de maan afkomstig zijn ! Kan dat? Ja, dat kan! Bij inslag van een interplanetair lichaam in de maan spatten stukken gesteente op de ontsnappingssnelheid is klein : 2,38 km/sec (vergelijk: de aarde: 11,2 km/sec; bovendien heeft de maan geen atmosfeer) en zo kan een deel van het opspattende gesteente ontsnappen. De meeste stukken verdwijnen in de ruimte maar een enkel brokstuk kan op aarde terechtkomen Dat het meteorieten zijn blijkt dan o.m. uit de smeltkorst die ontstaat na verwarming bij de tocht door de aardatmosfeer Maar ze verschillen ook van andere meteorieten in hun chemische samenstelling

43 Links: Alan Hills 81005; rechts: N-E Afrika 001

44 Wanneer gevonden?

45 120 maanmeteorieten gevonden in noordelijke woestijnen en in Antarctica

46 Stenen uit de maan onderzocht
Combineer de gegevens Stenen uit de maan onderzocht

47 Samenstelling van maan-meteorieten: ijzer tegen mangaan

48 Verschil tussen hooglanden, maria en ‘gewone’ chondrieten

49 Wat het onderzoek leert
Enkele resultaten: (a) Veel voorkomend mineraal is anorthiet (CaAl2Si2O8, hoge concentratie Al en Ca); dit blijkt ook veel voor te komen in onderzochte delen van de maankorst in de hooglanden (b) Er zijn weinig of geen vluchtige bestanddelen; dit betekent dat het maanmateriaal eens zeer verwarmd moet zijn geweest, waardoor vluchtig materiaal ontsnapte. (c) Ook weinig waterhoudende mineralen; zelfde verklaring Verder: (d) De isotopen compositie van het ingesloten water (zie hierna), en (e) De isotopen van zink en andere elementen (zie hierna)

50 (d) Speurtocht naar water in maanstenen
In gesteenten werden druppels vulkanisch glas gevonden In die ‘druppels’ watermoleculen aangetroffen Dit betekent dat de aarde reeds water bevat had in de tijd dat de maan werd gevormd De intense hitte van de botsing deed toch niet alle water verdampen (en in de ruimte verdwijnen) Een deel van het water overleefde blijkbaar de inslag Dit water werd onderzocht op de isotopen samenstelling

51 (d) Bepaling van het deuterium gehalte in waterhoudend materiaal
Gehalte aan deuterium is onderzocht in mineralen afkomstig uit de oudste delen van de maankorst Het gehalte aan het deuterium isotoop blijkt vrijwel gelijk te zijn aan dat in het aardse water Terwijl andere planeten, planetoïden en kometen een ander gehalte hebben van het deuterium isotoop. Dit sugereert een zelfde oorprong voor aarde en maan en terloops ondergraaft dit de onderstelling dat het aardse water uit kometen afkomstig zou zijn.

52 (e) Isotopen onderzoek
Onderzoek van isotopen van W, Ti, Cr en Zn. De eerste drie atomen hebben dezelfde onderlinge isotoop verhoudingen als op aarde Zink is vrij vluchtig en toont merkbare verschillen met aarde Van het zwaarste zink-isotoop is het meeste aanwezig; van het lichtste het relatief minste

53 Steun voor Grote Inslag theorie
De verklaring : Het verhitte gas tijdens en na de inslag verloor voornamelijk de lichtste van de isotopen van zink Van zwaardere isotopen bleef een groter deel aanwezig; van de zwaarste het meeste Dus: relatief genomen des te meer naarmate het zink-isotoop relatief zwaarder is. Fractionering van de zink-isotopen Ook dit resultaat bevestigt de Grote Inslag theorie

54 Gelijke samenstelling van aarde en maan
Dat betekent dat het materiaal van Theia en van de aarde door de botsing goed vermengd is Dit moet wel zo zijn: zie de hoge temperatuur die bereikt werd tijdens en na de botsing Daardoor werd deze materie dooreen gemengd en zo gehomogeniseerd Besluit: de hypothese van de Grote Inslag als oorzaak van de geboorte van de maan is wel zeldzaam, maar lijkt toch de meest aannemelijke. Het was een pijnlijke bevalling die de aarde bijna haar leven kostte

55 Dus: de Grote Inslag Hypothese?
Intussen gaat het onderzoek voort. De zeldzaamheid is ongemakkelijk. Waarom of juist daarom gebeurde dit niet met Venus of Mars. Recente onderstellingen: zoals botsing van twee nog grotere lichamen en een andere van een botsing met en afremming van een snel draaiende aarde of toch nog vangst moeten bekeken worden Niets is zeker en ook dit niet (Multatuli)