Water ijs
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

Like this? Share it with your network

Share

Water ijs

on

  • 1,271 views

water en ijs in het heelal; vooral het planetenstelsel

water en ijs in het heelal; vooral het planetenstelsel

Statistics

Views

Total Views
1,271
Views on SlideShare
1,048
Embed Views
223

Actions

Likes
0
Downloads
21
Comments
0

2 Embeds 223

http://www.cdejager.com 222
http://www.astroblogs.nl 1

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Microsoft PowerPoint

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

Water ijs Presentation Transcript

  • 1. WATER EN IJS IN HET HEELAL Water is een van de meest voorkomende moleculen in de kosmos C. de Jager
  • 2. Eerste vraag: wat is water? Het kleinste water-’deeltje’ is een watermolecuul
  • 3. Kern van een watermolecuul De kern is ca. 0,000 000 000 0001 meter klein Daaromheen wolk elektronen; ca. 10 000 maal groter
  • 4. Een vingerhoed water
    • Bevat heel veel watermoleculen
    • Ca. 10 000 000 000 000 000 000 000 moleculen per kubieke cm
    • Lading van de kern wordt gecompenseerd door de tegengestelde lading van een onringende wolk elektronen
    • Om de kern van een watermolecuul zweven dus tien elektronen
  • 5. Hoe ontstaat water in het heelal? Om water te maken hebben we dus waterstof en zuurstof nodig. In het beginnende heelal bestond nog geen zuurstof
  • 6. Ontstaan van de elementen
    • Bij de oerknal ontstonden de elementen waterstof (H; 75%, massa) en helium (He; 25%, massa) en daarnaast heel weinig deuterium (D) en lithium (Li).
    • Toen kon dus geen water ontstaan!
    • In de kernen van de zwaarste sterren worden aan het eind van hun leven zwaardere elementen gevormd: voornamelijk C, O, N, Ne, ook Mg, Si, en nog meer. Ze worden uiteindelijk de ruimte in gezonden. Dit gebeurde ca. 200 – 600 miljoen jaar na de oerknal.
    • Daar danken ook wij dus ons bestaan aan!)
    • Huidige relatieve massa hoeveelheden zijn: H (10.000), He (3.300), O (100), C (38), Ne (16), N(12)
  • 7. Waarom veel water?
    • De ‘edelgassen’ He en Ne vormen geen moleculen.
    • Vieratomige moleculen vormen zich moeilijker dan drie- of twee-atomige
    • Zo is te begrijpen dat combinaties van H en H en H en O zich het meest vormen: H + H + O –> H 2 O (atoomkern met 2 + 8 = 10 elektronen)
    • Ook wel die van H en C
    • Een gas als OH vormt zich niet snel; methaan (CH 4 ) juist wel
    • Dus veel H 2 O, ook wel CH 4 , minder CH 3 ; nog minder OH, HCN, CN, NO, enz.
  • 8. Deuterium in het heelal
    • Deuterium (D) is ‘zwaar waterstof’
    • De atoomkern van waterstof (H) bestaat uit één proton (één positieve lading)
    • Die van D uit een proton en een neutron (dus zelfde elektrische lading maar dubbele massa)
    • D ontstond in geringe hoeveelheid bij oerknal; het komt ca. 10.000 maal minder voor dan H
    • Zo verwachten we ook heel veel minder ‘zwaar water’ (HDO of D 2 O ) dan H 2 O in het heelal
  • 9. Drie toestanden (fasen) van water: gas, vloeistof, vast; getoond in het fasediagram
  • 10. Kritische punten
    • Als de druk > 218 atmosfeer en de temperatuur > 374 o C (kritisch punt) is er geen onderscheid meer tussen vloeibare en gasvormige fase; geen verschil in dichtheid
    • Voor drukken kleiner dan 0,006 atmosfeer (tripelpunt) bestaat geen vloeibaar water; slechts waterdamp en ijs
    • Bij hoge druk (inwendige van planeten) hebben we te maken met verscheidene kristalvormen (niet getoond)
    • Het fasediagram wordt gecompliceerder bij combinaties van water met andere moleculen (ook niet getoond)
  • 11. Nog eens het fasediagram smelten-bevriezen; verdampen-condenseren; sublimeren-bevriezen
  • 12. Water in sterren In ‘koele’ sterren, zoals rode reuzensterren en protosterren komt ook water voor; in hetere sterren splitst het molecuul in zijn bestanddelen H en O
  • 13. Energierijke straling ioniseert
    • Soms kunnen moleculen een of meer elektronen uit de omringende elektronenwolk verliezen; ze worden ionen
    • Dat gebeurt door een botsing of doordat ze stralingenergie opnemen
    • In de buurt van hete sterren, die intense ultraviolette straling uitzenden, kunnen moleculen geïoniseerd worden door stralingsopname
    • Zo heeft een Nederlands ruimte-instrument (HIFI) onlangs OH + en H 2 O + ontdekt
    • Dit is gevonden in grote interstellaire gaswolken waarin veel pasgevormde hete sterren voorkomen
  • 14. HIFI in de satelliet Herschel
    • Nederlands instrument HIFI in de Europese satelliet Herschel
    • Maakt infrarode spectra
    • Spectroscopisch werd zo water ontdekt in jonge sterren en vooral in protosterren
    • HIFI ontdekte ook OH + , H 2 O + en zelfs D 2 O
  • 15. NGC 1333 – de ‘Embryonevel’. Bevat jonge en protosterren (zie M. Drummen; Zenit 2010, p.580)
  • 16. Waterdamp ontdekt in het spectrum van protoster IRAS 4B
  • 17. Spectra van hoge resolutie tonen meer; o.a. de beweging van gas om protosterren
  • 18. Het ontstaan van planetenstelsels Water is daarbij een belangrijk molecuul
  • 19. Water als samenvoegend molecuul
    • Uit gasdeeltjes in koele omgeving ontstaan moleculen
    • Moleculen kunnen samenvoegen tot stofdeeltjes en/of kristallen
    • Water slaat daar op gemakkelijk neer
    • Vormt heel dun ijslaagje, dat vastvriezen vergemakkelijkt
    • Zo ontstaan rotsblokjes en daaruit op langere duur zelfs planeten en hun satellieten
  • 20. Aardachtige planeten; hun mantels en atmosferen
    • De mantel van de aardachtige planeten wordt gevormd in < 5 miljoen jaar
    • Na nog eens 5 tot 10 miljoen jaar is de mantel voldoende afgekoeld om vast te worden
    • Eigenschappen van de overblijvende atmosfeer hangen af van de massa en temperatuur
    • Stofkorreltjes met 0,05% ijs (H 2 O) en 0,01% koolzuursneeuw (CO 2 ) in een protoplaneet zijn voldoende om een atmosfeer te vormen met een druk van ca. 100 bar (als bij Venus)
  • 21. En de oceanen?
    • Het ijs smelt bij afkoeling; zo ontstaan oceanen met voldoende water voor de aardse oceanen
    • Tanton et al., 2008 hebben zo het probleem van de herkomst der oceanen opgelost.
    • Komeetinslagen (zoals tot onlangs gedacht) zijn onvoldoende en blijken dus niet nodig
    • Het probleem is nu: waarom hebben Mars en Venus dan géén oceanen? (antwoord: geringe massa van Mars en hoge temperatuur van Venus)
  • 22. De periferie van het planetenstelsel:weinig materie; lage temperatuur Bij de lage temperatuur bevriezen gassen. Daar konden zo nog wel veel ijsachtige kleine objecten ontstaan. Weinig materie: kleine lichamen Verder ook gesteenten
  • 23. IJsdwergen en Trans-Neptunus Objecten (TNO) in de Kuiper gordel. In 2011 ruim 1400 bekend
  • 24. Toelichtend op voorgaand diagram: belangrijkste TNO categorieën en de plaats in hun baan op 12 februari 2010
    • Wit: objecten in resonantie met de omloop van Neptunus – Pluto is het kruisje
    • Rood: de ‘klassieke’ niet-resonerende ijsdwergen
    • Oranje: Centaurs – ijsdwergen die naar binnen zijn verstrooid; dus geen TNO’s
    • Blauw: periodieke kometen (horen ook niet bij de TNO’s)
  • 25. De grootste ijsdwergen
  • 26. Spectraal scheikundig onderzoek
    • Bij 50% der TNO’s: waterijs op het oppervlak
    • Bij de meeste TNO’s (voorbeeld: Orcus) zijn dat ijs kristallen ; dit duidt er op dat het ijs eens ‘verwarmd’ was tot boven 160 graden onder nul
    • Voor die lichte verwarming is weinig nodig – inslagen?
    • Bij de grootste (Pluto, Eris, Sedna en Quaoar) sporen van atmosferisch methaan
    • Bij sommigen ziet men ook wel eens sporen van complexe organische verbindingen
  • 27. Andere ijslichamen: kometen
  • 28. Kern, coma en staarten
    • De kern: ‘vuil ijs’: waterijs verontreinigd met stof en gruis; ook andere ‘ijzen’; omvang ~ 10 km
    • De coma: gas dat uit de kern is verdampt; omvang ~ miljoen km
    • Staart: geïoniseerd gas dat door de zonnewind wordt meegesleurd; lengte honderden miljoenen km
    • De Oort wolk: bron van kometen
  • 29. Het raadsel van de kometen; de Oortwolk in verband met de Kuipergordel
  • 30. Oort en Kuiper
    • Oort ontdekte (1949) de Oortwolk: kometen komen van zeer ver; >~ 100.000 Astronomische Eenheden; maar op die grote afstanden kan geen komeet ontstaan?
    • Kuiper onderstelde (1950) dat de Oortwolk eens uit een meer naar binnen gelegen gordel had moeten ontstaan.
    • Zo ontstond het idee van de Kuipergordel, de gordel van de Trans Neptunus Objecten (= TNO’s = ijsdwergen)
    • Maar dan moesten er ~ 6 miljard kometen in de Oortwolk zijn; meer kan de Kuipergordel niet leveren
    • Het aantal is echter veel groter: ca. 100 miljard! Waar komen die wel vandaan? Had Kuiper wel gelijk??
  • 31. Kometen ontstaan, zoals ook sterren enz., in een jonge gaswolk – voorbeeld: Orion nevel
  • 32. Bron van jonge en protosterren
    • In een gaswolk als de Orion nevel ontstaan sterren door accumulatie van gas (en stof)
    • Sterren ontstaan daar bij tientallen tot honderden
    • Er ontstaan ook nog veel meer kleinere tot zeer kleine lichamen: ijsklompen die bij nadering tot een ster deels verdampen – kometen
    • ‘ Onze’ kometen zijn ook zo ontstaan in een gasnevel! De meeste (alle?) kometen zijn dus indringers ! !
    • De natuurlijke grens van de Oortwolk is de afstand halverwege andere sterren (~ 150.000 AE)
  • 33. De vier buitenplaneten Rijk aan satellieten
  • 34. De satellieten van de buitenplaneten
    • Jupiter: meer da 60 manen. De vier Galileaanse satellieten; 12 kleinere en de rest heel klein (< 40 km)
    • Saturnus: 7 vrij grote (de grootste: Titan) en ca. 60 kleinere tot heel klein (< 40 km)
    • Uranus: 4 grote en 16 kleinere, gemiddeld ca. 40 km
    • Neptunus: één grote (3000 km); vijf van ~ 250 km en 7 klein ( < 100 km)
  • 35. Herkomst van deze manen
    • Grofweg in twee klassen te verdelen:
    • De grote satellieten: voor zover bekend een mengsel van rotsen en waterijs of andere ijzen
    • Deze zijn tegelijk met, en evenals hun planeet ontstaan door samenklontering
    • De kleinere zijn eerder ingevangen ijsdwergen of kometen
  • 36. Galileaanse satellieten van Jupiter Io, Europa, Ganymedes en Callisto
  • 37. Ganymedes: ruig ijsoppervlak met vlakten, kloven en inslagkraters
  • 38. IJsoppervlak en daar onder een oceaan bij Europa
  • 39. Onder het ijs een oceaan
    • Oceaan onder het ijs is zeer waarschijnlijk bij Europa maar zal ook wel voorkomen bij andere satellieten (Ganymedes)
    • Het hangt af van de warmtetoevoer: uit het inwendige door radioactiviteit uit kern, door resonantie van de baanbeweging; chemische reacties in de oceaan …
    • Daardoor wordt ijs verwarmd; wordt vloeibaar
  • 40. Warme of koude oceaan?
    • Andere factor: chemische samenstelling
    • Te verwachten is CH 4
    • In een oceaan is neerslag van sedimenten op de bodem
    • Deze laag werkt als een isolator en reduceert de warmtestroom naar boven
    • Al deze factoren (en nog meer!) leiden tot twee modellen: een ‘warme’ of een ‘koude’ oceaan
  • 41. De oceaan van Europa: het koude model
    • De oceaan van Europa ligt waarschijnlijk op een dikke bodem van sedimenten van zouten (= combinaties van positieve en negatieve ionen)
    • Dit werkt isolerend
    • Daardoor is de oceaan betrekkelijk kouder dan in het ‘warme’ model, waar door opstijgende bewegingen warmte omhoog gevoerd wordt
  • 42. De grootste satellieten van Saturnus
  • 43. De ringen van Saturnus; schematisch
  • 44. Belangrijkste ringen A ring tussen 122.000 en 136.000 km
  • 45. Ringen: slierten ijsklompjes
  • 46. Zon verduisterd door Saturnus; zwakke buitenringen zichtbaar buiten de A ring
  • 47. De E-ring (180.000-480.000 km); een zeer ijle buitenring. Bevat de satelliet Enceladus
  • 48. De bijzondere E-ring; elektrische lading
    • Is enigszins gericht door het magneetveld van Saturnus
    • Bevat dus elektrisch geladen deeltjes
    • Dat blijkt ook uit spectroscopisch onderzoek
    • De ring blijkt onder meer uit ionen van waterdamp te bestaan; daarnaast fijne ijskristallen en nog meer
    • Die ionen ontspringen uit Enceladus
  • 49. De kleine satelliet Enceladus (diameter 500 km); inslagkraters en opvallende breuklijnen die laatste in het zuiden
  • 50. Detail: Rillen en breuken in het ijs
  • 51. Noordpool vrij van breuken Deze maan is te klein om een atmosfeer te kunnen hebben
  • 52. Bijzondere ontdekking in zuidelijk deel: gas uitstoting in geisers !
  • 53. Een grote geiser: waterdamp
  • 54. Andere opname (zon staat hier achter Enceladus)
  • 55. De bron
    • Fijne ijskristallen en waterdamp stijgen op uit breuken
    • Dit betekent: er is ijs en water dicht onder het oppervlak
    • Maar ook moet er geologische activiteit zijn
  • 56. Samenstelling van de E-ring vertelt iets over de ondergrond van Enceladus
    • Geïoniseerd waterdamp (H 2 O + ) en ijskristallen
    • O + , O ++ , OH
    • Maar ook CO 2 , CH 4 , natrium
    • Ook ammonia (lost snel op in water en houdt water vloeibaar bij lage temperatuur)
    • Ten slotte: Eenvoudige organische moleculen
  • 57. Herkomst van dit materiaal
    • Lijkt afkomstig uit water (oceaan?) onder de ijslaag
    • Geisers ontstaan ofwel door (1) water onder druk onder het ijs dat door breuken ontsnapt
    • Of misschien (2) door verdamping van verwarmd ijs
    • Enceladus lijkt een wereld om te zoeken naar tekenen van buitenaards leven
  • 58. We zijn lang niet uitgepraat: elke satelliet in ons planetenstelsel vertelt een eigen verhaal! Presentatie is na te lezen op www.cdejager.com/presentaties Klik op ‘water ijs’