Upload
cornelis-de-jager
View
590
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
ONTSTAAN VAN MAAN EN AARDE
Een heftige gebeurtenis
pij
pZeer pijnlijke bevallingp
Een blik op de maanDe voorkant: inslagkraters en maria ( = grote
basaltrijke inslaggebieden)
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 = 81 x maan. De kracht die de getijden veroorzaakt is evenredig met de diameter van de maan
Maandiameter = 0,27 aarde. Zo vinden we: getijdenkracht op de maan is nu
ca. 22 maal groter dan die welke de maan op aarde veroorzaakt. Vroeger was dat anders
Rotatietijd = revolutietijd
Miljarden jaren geleden stond de maan dichter bij
de aarde dan nu het geval is (wordt later in deze presentatie toegelicht)
De kracht die de getijden verorzaakt is omgekeerd evenredig met de derde macht van de afstand tussen de aarde en de maan
Toen de maan halverwege de huidige afstand stond was de kracht dus acht maal groter.
En zo voort Dat is de oorzaak van de gelijkheid van rotatie- en
revolutietijd
Miljarden jaren geleden
Deel van achterzijde. Pas gezien door de ruimtevaart. Meer kraters dan voorzijde?
En waarom?
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 ?
Het planetenstelsel. 4 binnen- en 4
buitenplaneten, meer dan halt miljoen planetoïden; duizenden ijsdwergen
Ouderdom planetenstelsel wordt o.m. bepaald d.m.v. chondrieten (de oudste
meteoorstenen)
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 (foto hiernaast )
Glanerbrug, 7 april 1990
Leeftijd bepaling: a: chondrieten; b: andere bronnen . Stelsel is 4567 miljoen jaar oud.
Planeten ontstonden tegelijk met ster uit de overblijvende
gas-/stof-wolk
Zo zag een schilder de geboorte van een ster en haar
planetenstelsel
De werkelijkheid: een proplyde (= protoplanetaire schijf) om een jonge ster in Orion
Proplyde IRAS 20068+4051
p
Protoplanetaire schijf om Bèta Pictoris (ster is afgeschermd)
Daarin is zelfs een planeet ontdekt. De vraag: hoe ontstaan
die planeten
Een computerpoging om het ontstaan van de 4 binnenplaneten te
simuleren. Rotsblokken van diverse massa’s en afstanden tot zon botsen en versmelten soms
Rotsblokken bewegen zich door het binnendeel van het zonnestelsel. Ze kunnen botsen en
versmelten
Enkele resultaten. Centraal diagram : actuele situatie
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
Zo ontstond ook ons planetenstelsel
Het gaat snel: de protoplanetaire gasschijf is na 5 - 10 miljoen jaar verdwenen en overgegaan in een immense verzameling rotsblokken, stenen
en gruis
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
Samengevat: de eerste fase
De kernvraag: zijn de satellieten ook zo
ontstaan?
Zijn ze als ‘kleine planetenstelsels’ ontstaan?Onderzoek daarvoor de hoeveelheid rotatie van de
satelliet ( = het impulsmoment). Ons stelsel blijkt bijzonder te zijn
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
Een belangrijke natuurwet
Voorbeeld: de getijden van de aarde
maan heeft geen getijden; steeds zelfde kant naar aarde
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 m.v.r blijft echter constant en daarom
neemt de afstand maan tot aarde toe, met 4 cm per jaar Dit kleine effect verklaart waarom de maan vroeger
zoveel dichter bij de aarde stond
Getijden zijn gevolg van aantrekking door maan
De massa van de maan is 81 maal kleiner dan die van
de aarde Het baanimpulsmoment blijkt 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 is een wanverhouding die onverklaarbaar groot lijkt !
Dit is een reden om aan te nemen dat het stelsel van aarde en maan niet is ontstaan als een ‘klein planetenstelsel’.
Bezie nu stelsel Aarde-Maan
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
Ontstaan planetenstelsel begon 4567 ± 2 miljoen jaar
geleden Ouderdom van aarde is 4.540 ( ± 50) miljoen jaar Maangesteenten uit hooglanden van de maan zijn ca.
4500 ( ± 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
Is de maan jonger dan de aarde?
(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
Een opsomming van theorieën
(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
Verdere opsomming
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.
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
Een van de vele computersimulatie; we zien de
maan ontstaan
Andere simulatie. Kleur geeft temperatuur aan. Het proces duurde hier 27 uren
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 ,valt deels terug op de aarde en een ander deel vormt ten slotte de maan. In sommige simulaties ontstond ook nog (eventjes) een tweede kleinere satelliet
Jonge maan aanvankelijk op niet te grote afstand van de aarde – dit gaf extreem sterke getijdenwerking ! rotatietijd = revolutietijd
Enkele aspecten van de grote inslag
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
Waren er dan niet nog meer botsingen?
Hoe dit te bevestigen of te ontkennen
Poging tot verificatie door onderzoek van beschikbaar maan-materiaal
Onderzoek van maanstenenVoornaamste bron: Apollo missies brachten 2415 maanstenen mee (382 kg); ook iets van Luna ruimtevoertuigen ( 0,32 kg).
(Ribbe van blokje is 2,5 cm)
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
En ook: maanmeteorieten !
Links: Alan Hills 81005; rechts: N-E Afrika 001
Wanneer gevonden?
Tot nu (2014) zijn 120 maanmeteorieten gevonden in noordelijke woestijngebieden en in
Antarctica
Combineer de gegevens
Stenen uit de maan onderzocht
Samenstelling van maan-meteorieten: ijzer tegen mangaan
Verschil tussen hooglanden, maria en ‘gewone’ chondrieten
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)
Wat het onderzoek leert
In gesteenten werden druppels vulkanisch glas
gevonden In die ‘druppels’ watermoleculen aangetroffen Dit betekent dat de proto-aarde reeds water
bevatte 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
(d) Speurtocht naar water in maanstenen
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.
(d) Bepaling van het deuterium gehalte in waterhoudend materiaal
(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
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
Steun voor Grote Inslag theorie
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: een Grote Inslag als oorzaak van de geboorte van de maan is wel een zeldzaam verschijnsel, maar lijkt toch de meest aannemelijke hypothese. Het was een pijnlijke bevalling die de aarde bijna haar leven kostte
Gelijke samenstelling van aarde en maan
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)