Wieso gibt es Planeten, wie sind Planeten entstanden
Die Tatsache, dass es zwei verschiedene Arten von Planeten gibt – die felsigen terrestrischen Planeten und die gasreichen jovialen Planeten – lässt vermuten, dass sie unter unterschiedlichen Bedingungen entstanden sind. Sicherlich wird ihre Zusammensetzung von unterschiedlichen Elementen dominiert. Schauen wir uns die beiden Typen genauer an.
Inhalt
Wie sind Riesenplaneten entstanden
Bei den größten Planeten handelt es sich um den Jupiter und den Saturn, welche fast die gleiche chemische Zusammensetzung wie die Sonne haben. Denn sie bestehen hauptsächlich aus den beiden Elementen Wasserstoff und Helium, wobei 75 % ihrer Masse aus Wasserstoff und 25 % aus Helium bestehen.
Auf der Erde sind sowohl Wasserstoff als auch Helium Gase, weshalb Jupiter und Saturn manchmal als Gasplaneten bezeichnet werden. Diese Bezeichnung ist jedoch irreführend. Jupiter und Saturn sind so groß, dass das Gas in ihrem Inneren komprimiert wird, bis der Wasserstoff flüssig wird. Da der Großteil beider Planeten aus komprimiertem, verflüssigtem Wasserstoff besteht, sollten wir sie eigentlich Flüssigkeitsplaneten nennen.
Unter dem Einfluss der Schwerkraft sinken die schwereren Elemente in das Innere eines flüssigen oder gasförmigen Planeten. Sowohl Jupiter als auch Saturn haben also Kerne, die aus schwereren Gesteinen, Metallen und Eis bestehen, aber wir können diese Regionen nicht direkt sehen. Wenn wir von oben nach unten schauen, sehen wir nur die Atmosphäre mit ihren wirbelnden Wolken. Wir müssen die Existenz des dichteren Kerns im Inneren dieser Planeten aus Untersuchungen der Schwerkraft der einzelnen Planeten ableiten.
Uranus und Neptun sind viel kleiner als Jupiter und Saturn, haben aber ebenfalls einen Kern aus Gestein, Metall und Eis. Uranus und Neptun waren weniger effizient bei der Anziehung von Wasserstoff- und Heliumgas, so dass sie im Verhältnis zu ihren Kernen viel kleinere Atmosphären haben.
Chemisch gesehen wird jeder Riesenplanet von Wasserstoff und seinen zahlreichen Verbindungen dominiert. Nahezu der gesamte vorhandene Sauerstoff verbindet sich chemisch mit Wasserstoff und bildet Wasser (H2O). Chemiker bezeichnen eine solche wasserstoffdominierte Zusammensetzung als reduziert. Überall im äußeren Sonnensystem finden wir reichlich Wasser (meist in Form von Eis) und reduzierende Chemie.
Wie sind terrestrischen Planeten entstanden
Die terrestrischen Planeten sind ganz anders als die Riesen. Sie sind nicht nur viel kleiner, sondern bestehen auch hauptsächlich aus Gestein und Metallen. Diese wiederum bestehen aus Elementen, die im Universum insgesamt weniger häufig vorkommen. Die am häufigsten vorkommenden Gesteine, die so genannten Silikate, bestehen aus Silizium und Sauerstoff, und das häufigste Metall ist Eisen. Anhand der Dichte der Gesteine lässt sich erkennen, dass Merkur den größten Anteil an Metallen hat (die dichter sind) und der Mond den geringsten.
Erde, Venus und Mars haben alle eine ähnliche Zusammensetzung: Etwa ein Drittel ihrer Masse besteht aus Eisen-Nickel- oder Eisen-Schwefel-Kombinationen, zwei Drittel aus Silikaten. Da diese Planeten größtenteils aus Sauerstoffverbindungen bestehen (wie z. B. die Silikatminerale ihrer Krusten), wird ihre Chemie als oxidiert bezeichnet.
Betrachtet man die innere Struktur der terrestrischen Planeten, so stellt man fest, dass sich die dichtesten Metalle in einem zentralen Kern befinden, während die leichteren Silikate nahe der Oberfläche liegen. Wären diese Planeten flüssig, wie die Riesenplaneten, könnten wir diesen Effekt als das Ergebnis des Absinkens der schwereren Elemente aufgrund der Schwerkraft verstehen. Daraus lässt sich schließen, dass die terrestrischen Planeten, obwohl sie heute fest sind, einst heiß genug gewesen sein müssen, um zu schmelzen.
Differenzierung ist der Prozess, bei dem die Schwerkraft dazu beiträgt, das Innere eines Planeten in Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung und Dichte aufzuteilen. Die schwereren Metalle sinken ab und bilden einen Kern, während die leichteren Mineralien an die Oberfläche schwimmen und eine Kruste bilden. Später, wenn der Planet abkühlt, bleibt diese Schichtstruktur erhalten. Damit sich ein Gesteinsplanet ausdifferenzieren kann, muss er auf den Schmelzpunkt von Gesteinen aufgeheizt werden, der in der Regel bei über 1300 K liegt.
Monde, Asteroiden und Kometen
Chemisch und strukturell gleicht der Erdmond den terrestrischen Planeten, aber die meisten Monde befinden sich im äußeren Sonnensystem und haben eine ähnliche Zusammensetzung wie die Kerne der Riesenplaneten, die sie umkreisen. Die drei größten Monde – Ganymed und Callisto im jovianischen System und Titan im saturnischen System – bestehen zur Hälfte aus gefrorenem Wasser und zur Hälfte aus Gestein und Metallen. Die meisten dieser Monde differenzierten sich während ihrer Entstehung und haben heute Kerne aus Gestein und Metall mit oberen Schichten und Krusten aus sehr kaltem und damit sehr hartem Eis.
Die meisten Asteroiden und Kometen sowie die kleinsten Monde wurden wahrscheinlich nie bis zum Schmelzpunkt erhitzt. Einige der größten Asteroiden, wie z. B. Vesta, scheinen jedoch differenziert zu sein; andere sind Fragmente von differenzierten Körpern. Da die meisten Asteroiden und Kometen ihre ursprüngliche Zusammensetzung beibehalten, stellen sie relativ unverändertes Material aus der Zeit der Entstehung des Sonnensystems dar. In gewissem Sinne fungieren sie als chemische Fossilien, die uns helfen, etwas über eine längst vergangene Zeit zu erfahren, deren Spuren auf größeren Welten ausgelöscht worden sind.
Welche Rolle spielen Temperaturen bei der Entstehung von Planeten
Im Allgemeinen gilt: Je weiter ein Planet oder Mond von der Sonne entfernt ist, desto kühler ist seine Oberfläche. Die Planeten werden durch die Strahlungsenergie der Sonne aufgeheizt, die mit dem Quadrat der Entfernung schwächer wird. Sie wissen, wie schnell die Wärmewirkung eines Kamins oder eines Heizstrahlers im Freien nachlässt, wenn Sie sich von ihm entfernen; der gleiche Effekt gilt für die Sonne. Merkur, der sonnennächste Planet, hat auf seiner sonnenbeschienenen Seite eine glühende Oberflächentemperatur von 280-430 °C, während die Oberflächentemperatur auf Pluto nur etwa -220 °C beträgt, kälter als flüssige Luft.
Mathematisch gesehen nehmen die Temperaturen ungefähr im Verhältnis zur Quadratwurzel aus der Entfernung von der Sonne ab. Pluto ist etwa 30 AE von der Sonne entfernt (das entspricht der 100-fachen Entfernung von Merkur) und etwa 49 AE von der Sonne entfernt. Die Temperatur des Pluto ist also um die Quadratwurzel aus 100, also um den Faktor 10, niedriger als die des Merkur: von 500 K auf 50 K.
Neben der Entfernung von der Sonne kann die Oberflächentemperatur eines Planeten auch stark durch seine Atmosphäre beeinflusst werden. Ohne unsere atmosphärische Isolierung (den Treibhauseffekt, der die Wärme im Inneren hält) wären die Ozeane der Erde ständig gefroren. Hätte der Mars in der Vergangenheit eine größere Atmosphäre gehabt, hätte er ein gemäßigteres Klima als heute haben können.
Ein noch extremeres Beispiel ist die Venus, deren dicke Kohlendioxidatmosphäre wie eine Isolierung wirkt und das Entweichen der an der Oberfläche angesammelten Wärme verhindert, was zu höheren Temperaturen als auf dem Merkur führt. Heute ist die Erde der einzige Planet, dessen Oberflächentemperaturen im Allgemeinen zwischen dem Gefrier- und dem Siedepunkt von Wasser liegen. Soweit wir wissen, ist die Erde der einzige Planet, auf dem Leben existiert.
Geologische Aktivität veränderten die Planeten
Die Krusten aller terrestrischen Planeten sowie der größeren Monde wurden im Laufe ihrer Geschichte sowohl durch innere als auch durch äußere Kräfte verändert. Äußerlich wurde jeder Planet durch einen langsamen Regen von Geschossen aus dem Weltraum beschädigt, so dass seine Oberfläche von Einschlagskratern jeder Größe übersät ist. Es gibt gute Hinweise darauf, dass dieses Bombardement in der Frühgeschichte des Sonnensystems weitaus stärker war, aber es hält sicherlich bis heute an, wenn auch in geringerem Maße.
Während der Zeit, in der alle Planeten solchen Einschlägen ausgesetzt waren, haben die inneren Kräfte auf den terrestrischen Planeten ihre Kruste verbogen und verdreht, Gebirgsketten aufgebaut, Vulkanausbrüche verursacht und allgemein die Oberflächen neu geformt, was wir als geologische Aktivität bezeichnen. (Die Vorsilbe geo bedeutet „Erde“, daher ist dieser Begriff ein wenig „erdchauvinistisch“, aber er ist so weit verbreitet, dass wir uns der Tradition beugen.)
Von den terrestrischen Planeten haben die Erde und die Venus im Laufe ihrer Geschichte die meiste geologische Aktivität erfahren, obwohl einige der Monde im äußeren Sonnensystem ebenfalls erstaunlich aktiv sind. Im Gegensatz dazu ist unser eigener Mond eine tote Welt, auf der die geologische Aktivität vor Milliarden von Jahren eingestellt wurde.
Geologische Aktivitäten auf einem Planeten sind das Ergebnis eines heißen Inneren. Die Kräfte des Vulkanismus und der Gebirgsbildung werden durch die Hitze angetrieben, die aus dem Inneren der Planeten entweicht. Wie wir sehen werden, war jeder der Planeten zum Zeitpunkt seiner Geburt aufgeheizt, und diese ursprüngliche Hitze trieb zunächst umfangreiche vulkanische Aktivitäten an, sogar auf unserem Mond. Doch kleine Objekte wie der Mond kühlten bald ab.
Je größer ein Planet oder Mond ist, desto länger bleibt seine innere Hitze erhalten, und desto mehr erwarten wir an der Oberfläche Anzeichen für eine anhaltende geologische Aktivität. Der Effekt ähnelt unserer eigenen Erfahrung mit einer heißen Bratkartoffel: Je größer die Kartoffel, desto langsamer kühlt sie ab. Wenn wir wollen, dass eine Kartoffel schnell abkühlt, schneiden wir sie in kleine Stücke.
Die Geschichte der vulkanischen Aktivität auf den terrestrischen Planeten entspricht größtenteils den Vorhersagen dieser einfachen Theorie. Der Mond, das kleinste dieser Objekte, ist eine geologisch tote Welt. Obwohl wir weniger über Merkur wissen, scheint es wahrscheinlich, dass auch auf diesem Planeten die meisten vulkanischen Aktivitäten etwa zur gleichen Zeit wie auf dem Mond aufhörten.
Der Mars stellt einen Zwischenfall dar. Er war viel aktiver als der Mond, aber weniger aktiv als die Erde. Die Erde und die Venus, die größten terrestrischen Planeten, haben auch heute noch ein geschmolzenes Inneres, etwa 4,5 Milliarden Jahre nach ihrer Entstehung.
Zusammenfassung
- Die Riesenplaneten haben dichte Kerne, die etwa zehnmal so schwer sind wie die Erde und von Schichten aus Wasserstoff und Helium umgeben sind.
- Die terrestrischen Planeten bestehen hauptsächlich aus Gestein und Metallen. Sie waren einst geschmolzen, was eine Differenzierung ihrer Strukturen ermöglichte (d. h. ihre dichteren Materialien sanken zum Zentrum hin ab).
- Der Mond ähnelt in seiner Zusammensetzung den terrestrischen Planeten, aber die meisten anderen Monde, die die Riesenplaneten umkreisen, enthalten größere Mengen an gefrorenem Eis.
- Im Allgemeinen haben Welten, die näher an der Sonne liegen, höhere Oberflächentemperaturen. Die Oberflächen der terrestrischen Planeten wurden durch Einschläge aus dem Weltraum und durch geologische Aktivitäten unterschiedlichen Ausmaßes verändert.
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