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Kapitel III: Das Planetensystem

Kapitel III: Das Planetensystem. Das Dreikörperproblem in der Himmelsmechanik. Bewegung einer kleinen Masse unter der Wechselwirkung mit zwei größeren Himmelskörpern ( m3 << m1, m2 ) Betrachtung im mitrotierenden Koordinatensystem der Körper m1,m2. y. m1. S. y. m2.

johnda
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Kapitel III: Das Planetensystem

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Presentation Transcript

  1. Kapitel III:Das Planetensystem

  2. Das Dreikörperproblem in der Himmelsmechanik • Bewegung einer kleinen Masse unter der Wechselwirkung mit zwei größeren Himmelskörpern (m3 << m1, m2) • Betrachtung im mitrotierenden Koordinatensystem der Körper m1,m2 y m1 S y m2

  3. Roche Potential und Lagrange-Punkte • m1 y1 = m2 y2 • m3 in der Rotationsebene von m1,m2 y r1 m1 m3 r y1 r2 a x S y2 m2

  4. Roche Potential und Lagrange-Punkte • Beschleunigungen auf m3: • Schwerebeschleunigungdurch m1: G m1/r12 • Schwerebeschleunigungdurch m2: G m2/r22 • Zentrifugalbeschleunigung: w2r • Für Kreisbahn gilt: w2 =4p2/P2 = G(m1+m2)/a3 • Beschreibung als Potential F: y r1 m1 m3 r y1 r2 a x S y2 m2 Mit G=1 und a=1: Roche-Potential

  5. Roche Potential und Lagrange-Punkte • Librationspunkte (Lagrangepunkte) für grad F = 0 mit a) x=0: Gl. 3. Grades für y: 3 Lösungen L1, L2, L3 L1 ca. 1.5 Mio km von der Erde entfernt.

  6. Roche Potential und Lagrange-Punkte b) und • Erfüllt für r1=r2=a • Librationspunkte L4, L5 • L1-L3 sind Sattelpunkte des Roche Potentials, • L4,L5 Maxima • Unter Berücksichtigung der Coriolisbeschleunigung bei bestimmten Massenverhältnissen stabile Bahnen um L4, L5

  7. Roche Potential und Lagrange-Punkte • L1, L2 des Erde-Sonne Systems werden als Orbits für Satelliten benutzt (SOHO , WMAP) • In L4 und L5 des Jupiter-Sonne Systems findet man eine Häufung von Asteroiden („Trojaner“).

  8. Eigenschaften der Planeten • Innere Planeten: Merkur, Venus • Äußere Planeten: Mars-Pluto

  9. Die terrestrischen Planeten • = Erdähnliche Planeten: Merkur, Venus, Erde, (Mond), Mars • Feste Oberflächen, bei einigen flüssiger Kern • Aufbau aus Gestein (Oxide von Al, Ca, Si, Mg, Fe) • Geringer Anteil an H, He

  10. Oberflächen der terrestrischen Planeten • Oberflächenstrukturen: • Einschlagskrater: Kollisionen häufiger in früher Phase, Hinweis auf alte Oberflächen

  11. Oberflächen der terrestrischen Planeten • Tektonik, vulkanische Strukturen Olympus mons Vulkan auf Venus (Radardaten) Ozeanischer Rücken

  12. Merkur • Oberfläche ähnlich Mond: Krater, aber keine Maria. Alte Oberfläche, keine tektonische Aktivität, fester Mantel. • Schwaches Magnetfeld => flüssiger, metallischer Kern • Rotation gebunden, Resonanz zw. Bahn und Achse. dsid=2/3 aM (dsid~59d, aM~88d) • Temperatur: -170oC - +430oC, wegen langer Tageslänge, Exzentrizität (0.206) • Keine nennenswerte Atmosphäre (vesc=4.25 km/s) Mariner10, 1974

  13. Merkur • Erste Raumsonde zum Merkur seit Mariner 10: • BepiColombo (Start ~2012) : 2 Orbiter (Kartierung, chemische Zusammensetzung, Magnetfeld)

  14. Venus • Sehr dichte Atmosphäre 100 bar, 97% CO2 • Wolkenschichten (Schwefelsäure H2SO4) • Temperaturen: -20oC Wolken, +460oC Oberfläche • Y-Form der Wolken durch Winde (scheinbare Rotation in 4d) • tatsächlich P=243d (>Venus-Jahr 225d) • Retrograd! • Kein Magnetfeld vermutlich wg. langsamer Rotation

  15. Venus • Hohe Temperatur auf der Oberfläche bedingt durch extremen Treibhauseffekt (GG-Temperatur 260 K) • Entwicklung der Venus-Atmosphäre: • - Anfangs dichte CO2 Atmosphäre und flüssige • Ozeane • - Feuchter Treibhauseffekt (CO2, H2O) • - Dann runaway Treibhauseffekt durch Verd- • dampfen der Ozeane. • - Verlust des Wasser durch Photdissoziation und • Entweichen von Wasserstoff. • - Vulkanismus entlässt sämtliches CO2 in Atm. • - Kein flüssiges Wasser, um CO2 zu sedimentieren

  16. Venus • Oberfläche durch Radar erkundet (Magellan 1990-1994) • 12 km hohe Gebirge • Wenige Krater, junge Oberfläche durch Vulkanismus geprägt. • Vulkane sind hoch, wahrscheinlich hot spot Vulkane (wie Hawaii), keine Anzeichen von heutiger Plattentektonik Venera 9 Lander

  17. Venus Magellan Radar-Karte

  18. Venus Vulkanische Landschaften aus Radar-Daten

  19. Mars • Rotation 24.6h, Achsneigung gegen Bahnachse 25o => Jahreszeiten ähnlich der Erde, jedoch länger und asymmetrisch wegen e=0.09 • Sonnenumlaufzeit T=669 d • Polkappen: aus CO2 und H2O: • Nordpol ganzjährig, Südpol nur im Winter • (-> ausgedehnte Zirruswolken) • Dünne Atmosphäre 0.006 bar, 95% CO2, 3% N2, Ar • Nur 0.03% H2O, jedoch Wasser in Polkappen und möglicherweise als Eis unter der Oberfläche. • Temperaturen: Äquator: -50...00C, Pole -100...-50oC • ~=GG-Temperatur, kaum Treibhauseffekt. • Geringes (fossiles) Magnetfeld => kein flüssiger Kern

  20. Mars • Oberfläche von Erde beobachtbar. Zahlreiche Raumsonden (Orbiter und Lander) • Südhalbkugel: Hochländer mit Kratern (ähnlich Mond-Terrae) • Nordhalbkugel: Tiefländer, Lavaflächen ähnlich Maria), Vulkane • Tektonische Strukturen (Faltungen, Grabenbrüche) • Erosionsstrukturen: Flussbetten (Frühere Wasservorkommen, Sandünen) • Gesteine: viel Fe2O3 (rot)

  21. Mars • Viking missionen (70er Jahre): 2 Orbiter und 2 Lander • u.a. biologische Experimente • Kein Nachweis von Leben Viking Lander 1976 Viking orbiter 1976

  22. Mars • einige weitere Mars (Lande-)Missionen... Pathfinder Mission (1997): Marsmobil (Rover) Sojourner Rover Spirit & Opportunity (2004) Raumsonde Phoenix (2008)

  23. Mars • 2 Marsmonde: Phobos und Deimos • Phobos: • 27x21x19 km • a=2.8 Marsradien, P=7.7 h • wird in 30 Mio wg. Gezeitenreibung auf Mars stürzen Phobos • Deimos: • 15x12x11 km • a=7 Marsradien, P=30 h Material ungleich Marsoberfläche, vermutlich eingefangene Asteroiden Deimos

  24. Mars Spuren von flüssigem Wasser (Mars Global Surveyor, 1998)

  25. Asteroiden • = Planetoiden = Kleinplaneten • Feste Körper, Gesteinsbrocken, • Am häufigsten im Asteroidengürtel zw. Mars und Jupiterbahn • Verhinderter Planet? Ceres, D=1000 km Pallas, D=523 km Vesta, D=500 km Heute zehntausende bekannt, Entdeckung meist durch Strichspuren auf Himmelsaufnahmen Hauptinteresse heute auf Erdbahnkreuzer => potenzielle Gefahr Gesamtmasse bis 0.5 MErde

  26. Asteroiden Himmelsmechanisch interessant: „Trojaner“ in stabilen Orbits um die Lagrangepunkte L4, L5 des Sonne-Jupiter Systems. Asteroid Eros beim Rendevous mit der Sonde NEAR, 2000

  27. Jovianische Planeten Pluto spielt eine Sonderrolle

  28. Jovianische Planeten • Zusammensetzung: 70% H, 30% He, 1% schwere Elemente • Aufbau: von aussen nach innen: • -Atmosphäre aus H2, He, CH4 • -weiter innen metallischer Wasserstoff (Jupiter, Saturn) bzw. H2O, NH3 (Titan, Uranus) • - kleiner fester Kern aus Eisen, Silikate, Eise • Ring-Systeme: auf Keplerbahnen in der Äquator-Ebene umlaufende Partikel, innerhalb der Roche-Grenze (starke Gezeitenkräfte) • Viele Monde

  29. Jovianische Planeten • Ring-Systeme: auf Keplerbahnen in der Äquator-Ebene umlaufende Partikel, innerhalb der Roche-Grenze (starke Gezeitenkräfte)

  30. Jupiter • Parallele Wolkenbänder • Großer Roter Fleck: seit Jahrhunderten stabiler Zyklon • Abplattung 7% (bedingt durch schnelle Rotation von 9h) • Sonnenumlaufzeit T=12y • Temperatur d. Wolkenobergrenze: 130 K • Abstrahlung (vor allem IR) = 2x Sonneneinstrahlung, Energiequelle ist Gravitations-Kontraktion. • Starke Magnetosphäre: Radiostrahlung und Aurorae

  31. Jupiter • Bisher 63 Monde bekannt (Stand 2004) • Die 4 größten: (Galileische Monde) • Io: r=1816 km, a=6rJup, rotiert gebunden, vulkanisch sehr aktiv, wird durch starke Gezeitenreibung geheizt, starkes B-Feld • Europa: r=1563 km, a=9.5rJup • weiss, eisbedeckt, möglicherweise Ozean aus flüssigem Wasser. • Ganymed: r=2638km, a=15.1 rJup, größter • Mond des Sonnesystems > Merkur, ebenfalls eisbedeckt. • Callisto: r=2410km, alte Oberfläche mit Kratern.

  32. Jupiter Ringsystem (infrarot Aufnahme, APOD 970205)

  33. Voyager Missionen (gestartet 1977) Voyager 1: Jupiter, Io, Kallisto Saturn + Monde Voyager 2: Jupter, Europa, Ganymed Saturn, Uranus, Neptun Besuch aller 4 Gasplaneten durch eine Sonde erst wieder in 200 Jahren möglich! Voyager: Sounds of Earth

  34. Voyager: Jupiter Jupiter-Ring

  35. Voyager: Jupiter Großer roter Fleck

  36. Voyager: Io Vulkane

  37. Saturn • Auffälligstes Merkmal: Ausgeprägtes Ringsystem • sehr dünn 10...100 m, in der Äquatorebene • Umlaufende Eisklumpen cm bis m, Keplerbahnen mit • P=6h ... 15 h • Feine Unterteilung durch schmale Lücken (z.B Cassini- • Teilung), bedingt durch Resonanzen mit Monden • Wolkenstruktur ähnlich Jupiter, aber weniger Kontrastreich • ca. 30 Monde: Titan ebenfalls > Merkur • Rotation P=10h32m, T=29y • Abplattung 11%

  38. Voyager: Saturn

  39. Voyager: Saturn

  40. Voyager: Saturn Saturnmond Titan mit Atmosphäre

  41. Uranus • Erforscht von Voyager 2, 1986 • Fast strukturlose Wolkenschicht • Rotation mit P=17h, T=84y • Inklination 98o => „rollt“ auf seiner Bahn • Magnetfeld 60o gegen Rotationsachse geneigt • Aufbau: • Silikatkern H2O und NH3 (leitend) • H, He, Methan • Ringsystem aus sehr dunklem Material • 5 grössere Monde + 10 weitere von Voyager entdeckt

  42. Voyager: Uranus

  43. Voyager: Uranus Uranus – Ringsystem

  44. Voyager: Uranus Von Voyager 2 entdeckte Uranus-Monde

  45. Neptun • Erkundung durch Voyager 2, August 1989 • Entdeckung von Galle 1846 nach Berechnung der Position (1o genau) durch Le Verrier aufgrund von Bahnstörungen des Uranus • P=19h, T=163y • Einige Wolkenstrukturen erkennbar • Schmale Ringe ähnlich Uranus • Magnetfeld 50o geneigt.

  46. Neptun Neptun , Voyager 2

  47. Neptun Voyager 2: Neptun-Ringe

  48. Neptun Voyager 2: Neptun-Ringe

  49. Neptun Voyager 2: „großer dunkler Fleck“

  50. Neptun Voyager 2: Neptun und Triton

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