Kurssi 535021 PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA KL …...Planetaarinen geofysiikka kl 2011 4 Luennot maanantaisin klo 12-14 Physicum E206 ellei toisin mainita17.1.11 Kurssin esittely, käytännön

Planetaarinen geofysiikka kl 2011

Lauri

Markku

Karri

Kurssin kotisivu: [email protected]

http://www.courses.physics.helsinki.fi/geo/planetargeo/

Kurssi 535021 PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA KL 2011LuK Aineopinnot....Pakolliset, 5 op

Olli


2

I. Luennot: jaksot III + IV L.J. Pesonen HY/GET M. Poutanen FGI K. Muinonen HY/GET

II. Kotisivun ylläpito ja Harjoitukset: 16 tehtävän paketti Olli Wilkman HY/GET

III. Ekskursio kiinteän maan geofysiikan labraan 2.5. meteoriitteja Mars-ja kuunäytteitä Törmäyskraatterijulisteet Euroopan vanhin kivi ja muuta

IV. Tentti 09.5.11 Tentti 75% Harj. 20% Ekskursiolle osallistuminen 5 %

Planetaarisen geofysiikan kurssi kl 2011 jaksot III-IVmaanantaisin klo 12-14 sali E 206

½ pakollisia½ bonusta

Lauri

Markku

Karri

Olli


Helsingin yliopiston Kiinteän Maan

Kivien, mineraalien ja meteoriittien fysikaalisten ominaisuuksien mittalaitteita

Kumpulan törmäyskraatterien tutkimuslaboratorio

• Mannerliikuntoja ja supermantereita

• kivien, meteoriittien ja arkeologisten näytteiden magnetismia

• Törmäyskraattereita

• Meteoriitteja

Tutkimme ja opetamme


4

Luennot maanantaisin klo 12-14 Physicum E206 ellei toisin mainita17.1.11 Kurssin esittely, käytännön asiat +Johdantoluento, Lauri, Karri ja Markku 2h 24.1.11 Maailmankaikkeuden ja aurinkokunnan synty ja rakenne, Markku 2h 31.1.11 Taivaanmekaniikan perusteet, satelliittien/planeettojen radat ja liikkeet, Markku 2h07.2.11 Lähiavaruuden asteroidit ja komeetat sekä törmäykset, Karri 2h 04.2.11 Neptunuksen takaiset kohteet, Karri 2h 21.2.11 Painovoima, vetovoima, vaikutukset ja mittaaminen, Markku 2h28.2.11 Jupiter-järjestelmä ja Galileo-luotain, Karri 2h 07.3.11 Väliviikko: ei luentoa 14.3.11 Harjoitusten I osan palautus (4 pakollista + 4 vapaaehtoista tehtävää), Olli 14.3.11 Saturnus-järjestelmä ja Cassini-Huygens-luotain, Karri 2h 14.3.11 Harjoitusten osan I tehtävien läpikäynti, Olli 21.3.11 Uranus ja Neptunus-järjestelmät, Karri 2h 28.3.11 Törmäyskraattereista, Lauri 2h04.4.11 Meteoriittien ja asteroidien fysikaaliset ominaisuudet, Lauri 2h 11.4.11 Maankaltaiset planeetat I, Lauri 2h 18.4.11 Maankaltaiset planeetat II, Lauri 2h 25.4.11 Pääsiäismaanantai: ei luentoa02.5.11 Harjoitusten II osan palautus (4 pakollista + 4 vapaaehtoista tehtävää), Olli02.5.11 Harjoitusten osien I/2 tehtävien läpikäynti, Olli 1h (Huom: laskarit ovat 20% ja ekskursio 5% arvosanasta!)02.5.11 Ekskursio geofysiikan laboratorioon (meteoriitteja, kuunäytteitä jne), Lauri 1h

09.5.11 Tentti (Sali, aikataulu vielä auki) ...75% arvosanasta

PLANETAARINEN GEOFYSIIKKAAikataulu, Kl 2011- Periodit III&IV; Luennoitsijat L.J. Pesonen, M. Poutanen ja K. Muinonen; kurssiassistenttina Olli Wilkman


5

Harjoitukset

Yhteensä 16 tehtävää, joista 8 pakollista (4 + 4) 8 bonustehtävää (4 + 4)

Harjoitusten painoarvo 20% Jätettävä kahdessa osassa; Osan I tehtävät palautetaan viimeistään 14.3.2011 luentoon mennessä, osan II tehtävät 2.5.2011 ekskursioon mennessä assistentti Olli Wilkmanille. Laskarit käydään lävitse 2.5. ks. Aikataulu. Kummankin osion pakolliset tehtävät oltava tehtyinä osion määräaikaan mennessä.

PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA



6

PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA tutkii aurinkokuntamme planeettojen ja niiden kuiden sekä pienkappaleiden rakenteita, koostumuksia ja kehitystä geofysiikan näkökulmasta alkaen aurinkokuntamme synnystä aina tämän päivän luotainten antamiin tuloksiin

Tutkimuksen kohteita ovat myös meteoriittien,

asteroidien ja komeettojen geofysikaaliset piirteet ja näiden jättämät törmäysjäljet ja törmäyskivet aurinkokuntamme kappaleiden pinnoilla Pyrimme myös päivittämään planetaarista tietämystämme ja uutuuksina ovat mm. eksoplaneetat ja astrobiologian saavutukset jne

Tutkimuksissa käytetään samoja geofysikaalisia tutkimusmenetelmiä, kuin Maan tutkimuksissa.

Kaasuplaneetta Saturnus renkaineen

Kuun painovoima-anomalioita


7

Kurssi: Planetaarinen geofysiikkaLauri J. Pesonen, M. Poutanen ja Karri Muinonen 2011

PLANETAARISEN GEOFYSIIKAN OPPIKIRJOJA

Planetaarinen geofysiikka yleisesti1. De Pater, I and Jack, K. Lissauer, 2001. Planetary Sciences, Cambridge Univ. Ppress. 528 p.2. McBride, N. and I. Gilmour, 2003. An Introduction to the Solar System. Cambridge Univ. Press, 412 p.3. John S. Lewis, 2003. Physics and Chemistry of the Solar System. Elsevier Academic Press, 2nd ed., 655 s.4. F.D. Stacey, 1992. Physics of the Earth. Brookfield Press, 512 s. Meteoriitit, asteroidit5. Harry Y McSween Jr, 2000. Meteorites and Their arent Bodies. Cambridge Univ. Press, 310 s.6. O.R. Norton, 2002. The Cambridge Encyclopedia of Meteorites. Cambridge Univ. Press, 354 s.

Planetaariset näytteet1. Papike.j.J. (ed.), 1998. Planetary Materials. Rev. in Mineralogy, v. 36, GSA, ...

Impaktikraatterit (yleisteos)1. French, B., 1998. Traces of catastrophes- A handbook of Shock Metamorphism effects in Terrestrial Impact Structures. LPI Contribution No 954 (Note: Downloadable from www.).2. Melosh, J. 1989. Impact cratering-a geological process. Oxford University Press., 245 s

Kirjallisuutta


Planetaarisen geofysiikan tutkimuksen historiasta- tämä osio siirtyy kurssin loppupuolelle

James ”Tuzo” Wilson

Gene Shoemaker

Karl Friedrich GaussNikolaus Kopernicus Ernst Chladni

1756-1827

1473-1543

1928-19971908-1993

1777-1855Meteoriittitutkimusten isäGeomagnetismin isä

Impaktitutkimusten isä

Laattatektoniikan tutkimusten isä

Meteoriitti ja joukkotuhot - tutkimusten aoittajat v. 1980


Planetaarisen geofysiikan historiaa voi oivallisesti lukea seteleistä ja postimerkeistä

Karl Friedrich Gauss

Nikolaus Kopernicus

Tunguska

Alfred WegenerKarl Friedrich Gauss


Planetaarisen geofysiikan tutkimusmenetelmiä: optiset havaintokeinot radioastronomia säteilyihin perustuvat keinot näytteenotto

Geofysiikan tarjoamat keinot painovoimakartoitus (+ ratojen vaihteluiden rekisteröinnit) magneettiset menetelmät seismiset mittaukset sähköiset luotaukset sähkömagneettiset luotaukset termiset menetelmät radioaktiiviset menetelmät petrofysiikan menetelmät (meteoriitit, pöly, ”sample return” – ohjelmat (Apollo jne) muut geofysiikan menetelmät

heijastus spektrit

PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA: johdantoa

kivimeteoriitti, jolla sulamiskuori

Mars-meteoriitti

Kuun magneettisia anomalioita

P S LR LO


Kurssi Planetaarinen Geofysiikka– YleistäKuinka saamme tietoa Maasta (ja) Maankaltaisista planeetoista?

Geodeettiset mittaukset • muoto• koko • painovoima• nykyliikunnot

Geofysikaaliset mittaukset• rakenne• koostumus• kehitys• muinaiset liikunnat

Tähtitieteelliset l. planetaariset mittaukset • mitä kappaleita• etäisyyksiä • koostumusarvioita• liikkeet


12

Planetaarinen geofysiikkauudistuu koko ajanhämmästyttävien löytöjen myötä. Esimerkkinä NASA:n tutkijoiden viime viikolla tekemä uusi eksoplaneettalöytö Kepler-10b, jonka massa on noin 4.6 kertaa Maan massa ja läpimitta noin 1.4 kertaa maan halkaisija. Nämä mittaukset viittaavaat tiheydeltään n. 8000 kgm-3 suuruiseen eksoplaneettaan, joka näin ollen olisi ”rautakuula” eli koostumukseltaan rautameteoriitti. NASA:n tutkijoiden mukaan kappale todellakin koostuu lähinnä raudasta ja kiviaineksesta eikä sillä liene kaasukehää lainkaan.

”Rautainen” eksoplaneettalöytö tammikuu 2011: Kepler-10b exoplanet


Planetaarinen geofysiikka (tutkimus) etenee huimaa vauhtia.- muutama uusi asia/käsite

• Planeetan määritys meni uusiksi: Pluto ”tipahti” pois ja tilalle ns. kääpiöplaneetat• Myös Marsin kuiden ”alkuperä” (vars. Phobos) kyseenalaistettu• Kuiperin vyöhykkeen ja Oortin pilven kappaleista saatu paljon uutta tietoa

• Eksoplaneettojen löytyminen n. 10 v. sitten • Nyt etsitään ”maankaltaisia” eksoplaneettoja

• Kaasu- ja jääplaneettojen joukkoon mahtunee ns. ”valtameriplaneetat” (vesijää, metaanijää hiilijää?, jne)• Meteoriittien merkitys kasvanut: erityisesti ”tuotiinko” elämä Maapallolle asteroidien/komeettojen/meteoriittien avulla jo n. 4 Ga sitten (eli., ns. panspermia-teoria)

• Meteoriittitörmäysten merkitys kasvanut: esimerkkinä Shoemaker-Levy-komeetan törmäys Jupiteriin v. 1994


HY:n Kiinteän maan geofysiikan labrassa on ”pala asteroidia”...hyvä tutkimusaihe esim. LuK, Gradu!!


Erityisesti meteoriittitörmäysten rooli Maapallon biologiselle elämälle on kasvanut. Ovatko eräät joukkotuhot /sukupuuttoon kuolemiset) meteoriittitörmäysten aikaansaannoksia?....astrobiologia

Planetaarinen geofysiikka kl 2011 South Pole mosaic 1500 UV-VIS pictures Clementine 1994

“Impact cratering is the most fundamental process for formation and evolution of the terrestrial bodies in the Solar System...”

Gene Shoemaker

1928-1997

Gene ShoemakerMoon


Impact craters archived in our Solar System I

Mars

Mercury Moon

Asteroid Eros

Earth


Impact craters archived in our Solar System II

Impact craters in satellites

Jupiter: Callisto Mars: Phobos Saturn: Mimas

Saturn: Dione Saturn: Phoebe Uranus: Oberon


SUURTEN METEORIITTITÖRMÄYSTEN ROOLI AURINKOKUNTAMME KEHITYKSESSÄ

• Kuu on todennäköisesti syntynyt Marsin kokoisen asteroidin (Theian) törmätessä Maahan n. 4.64 Ga sitten • Kaikki törmäyskraatterityypit ovat edustettuna Aurinkokuntamme kappaleissa alkaen meteoriiteista aina Jupiterin giganttisiin kuihin

• Todennäköisesti impaktoituminen on ”pyyhkinyt pois” Maan alkuvaiheen geologiset piirteet mukaanlukien varhaisemmat törmäykset ja vanhimmat kivet

• Törmäyksiä tapahtuu vielä, mutta vaimenemassa määrin

Asteroid Ida - moonlet Dactylus

56 km

Kuun synty törmäystuotteena

Comet Shoemaker-Levy on Jupiter, July 18, 1994


Num

bers

of

exti

nct

fam

ilies

Major mass extinctions in Earth‘s history

K/T

65 Ma ”rajapinnassa” impaktin todennäköisyys on suuri

Liitu-Tertäärikauden (65 Ma) rajasavikerros (ejektalaskeuma) on löydetty globaalisti kaikkialta


Esimerkki : Keurusselän törmäysrakenne

PDFs in quartz Keurusselkä Shatter cone

Meteoritics&Planetary Science, July 2010

KeurusselkäThe 11th proven impact structure in Finland

New DiscoveryS. Raiskila


Meteoriittikraatterit

Maapallon törmäyskraatterit

Suomen kraatterikartta

Suvasveden kaksoiskraatterit


FENNOSKANDIAN TÖRMÄYSKRAATTERIT

Söderfjärden, Finland

Combined magnetic and gravity


Airborne geophysics: excellent tool to find new and to study old impact structures

impact lake?

Twin Otter aircrafth 40 mL 150 m-magnetics-- EM-- radiometrics

Suvasvesi N impact structure, Finland

Total field magnetic anomaly map

D ~ 5 km Age: Permian

Impact melt body


Mars meteoriitti Mars

Asteroidien tiheys



Aurinkokunnassamme (ja sen ulkopuolella) on lukemattomia kappaleita, jotka ovat synnyltään, muodoltaan, pinnaltaan, koostumukseltaan ja sijainniltaan erilaisia

• Kiintotähti Aurinko

• Planeetat ja niiden kuut

• Kääpiöplaneetat

• Meteoriitit

• Asteroidit ja komeetat

• Pikkuplaneetat (Kuiperin kappaleet)

• Oortin vyöhykkeen kappaleet jne

eri syntyhistoria (etäisyys keskustähdestä, painovoima, syntyprosessi…..) tuottaa erilaisia olomuotoja (kivinen, kaasumainen, jäinen, ”merellinen”).Lisäksi shokkimenneisyys, ns. space weathering, ilmakehän läsnäolo jne vaikuttavat kappaleeseen ja erityisesti sen pinnanmuo toon.



Erilaisia olomuotoja: Planetaarinen kohde voi olla:

kivinen (Merkurius), kaasumainen (Jupiter), jäinen (Jupiterin kuu Europa), kappaleilla voi olla ilmakehä (Maa, Venus, Saturnuksen kuu Titan), kaasukehä (Jupiter), tai kappale voi olla ns. likainen lumipallo (lumen, jään ja kivipölyn seos) kuten useat komeetat (esim. Hale-Bopp, Halley) kappale voi olla differentioitunut (asteroidi Vesta) tai “hötöisä” (rubble pie, asteroidi Mathilde) kappaleen pinnoilla (ja sisuksissa) on suuria ja lämpötila – ja paine vaihteluita

Merkurius Venus

Titan

Hale-Bopp


Onion rubble pie

Asteroid/meteorite

Europa


Kohteiden sisäiset rakenteet ovat erilaisia - esimerkkinä ytimen koko....jolla merkitystä kohteen magneettikentän synnylle dynamoprosessissa


Erilisia magneettikenttiä


Shokkimetamorfoosi

On tekijä mikä tekee planetaarisista kappaleista osittain erilaisen kuin Maa Suurin osa planetaarisista (ei-aktiivisista) kappaleista ovat kokeneet voimakkaan shokkimetamorfoosin (5...150 GPa)

Eräät ovat hajonneet törmäyksissä, eräiden kappaleiden pintaa DOMINOI giganttiset (lähes kappaleen itsensä kokoiset) törmäyskraatterit

Shokin huomioiminen geofysikaalisissa piirteissä ja näytteiden petrofysiikassa on tärkeä “planetaarinen” aspekti.



Aika

Myös geologinen aika pitää huomioida sillä useat kappaleet näkevät tai ovat nähneet aurinkokunnan synnyn (4. 56 Ga) aikaisia ja heti sen jälkeen (4.55-4.1 Ga) tapahtuneita prosesseja (akretio, törmäykset, magmamerivaihe, varhainen differentaatio, toistuvat törmäykset jne)

Esimerkiksi Maan kivissä (iät < 4.1 Ga) näitä ei enää nähdä muun aktiivisen toiminnan (törmäykset, vulkanismi, eroosio, laattatektoniikka) vuoksi.


Basalt

Merkurius


MAGSAT-satelliittikartoitus oli menestys. Se toteutettiin 1980-luvun alussa kv. yhteistyönä. Satelliitti ”eli” yli neljä vuotta. Onnistuneita, häiriöttömiä päiviä ei ollut kuin neljä! mutta nekin riittivät Maan magneettikentän tarkkaan kartoitukseen.

Sen jälkeen on toeutettu kaksi uutta satelliittikartoitusta: CHAMP ja OERSTEDT, jotka ovat tarkentaneet Maan magneettikentän mallia.

CHAMP-satelliitti (2000- )

Oerstedt satelliitti (1999- )

Tulossa: - ESA-Swarm satellite


GTK:n lentokartoitukset vuosina 1954-2007 mahdollistivat Suomen kallioperän tutkimisen ”magneettisen läpivalaisun” avulla.


+gravimeter

Twin Otter aeroplane

Myös painovoimamittaukset tulleet lentokoneeseen


Tiiu Elbra ja suprajahtava magnetometri HY-lab/2005

Satelliitin magnetometrin anturit

Näytteiden laboratoriomittaukset

Geofysiikan satelliittikartoituksen mittalaitteita


ESIMERKKINÄ MAGNEETTISIA MITTAUKSIA AURINKOKUNTAMME KAPPALEISTA


Geofysikaalinen anomalia

Häiriökappale(esim. meteoriitti)

Mitattu

Mallinnettu

- Petrofysiikan arvot

GEOFYSIIKAN MITTAUS JA MALLINNUS PLANETAARISESSA GEOFYSIIKASSA

- tiheys ja huokoisuus- magneettinen suskeptibiliteetti- Remanenssi NRM- sähkönjohtavuus


Magneettisten anomalioiden mallinnuksistaKs. kurssit:• sov. geofysiikka• magn. mallinnus• geofys. mallinnusjne

Suora tehtävä

aproksimaatio = prisma

todellinen lähde on monimutkaisempi

mitattu anomalia

laskettu anomalia

B

x

Mallinnuksen ”sisäänmenoparametreja”ovat k (suskeptibiliteetti), NRM, syvyys, leveys, korkeus (eli dimensiot)

k, NRM

Mallinnuksen tavoite on löytää lähellä oikeata oleva geologinen lähde: kiviesiintymä, rautamalmi, kimberliitti jne


Dipolista siirrytään sitten monimutkaisempiin geometrisiin kappaleisiin -alla”geologinen vastine”

Dipolin anomaliaPistenavan anomalia

•

sylinteri

=kimberliittipiippu

Laatta

= impaktisula

Prisma

=rapakivi

Levy

= diabaasijuoni

pahku

= gabro

”möykky”

=sulfidimalmi

ΔB

xx

ΔB

+

-





Painovoima-anomaliat......tiheyden rooli on tärkeäPainovoimatutkimuksissa tiheydellä on tärkeä rooli:

- tiheys on mukana Bouguer-korjauksessa- tiheyserot aiheuttavat painovoimahäiriöitä

Tiheys määritellään:

Kivilajien tiheys riippuu :• onko kyseessä sedimenttikivi, magmakivi vai metamorfinen kivi

• mineraalikoostumuksesta

• huokoisuudesta (voidaan usein huomioida mittauksilla)

• lämpötilasta ja paineesta

€

missä ρ[ ] = kgm−3 v

v

v

v

v

huokosputki

eri mineraaleja

matriksi


Painovoima………tiheyden rooli

Tiheyden mittaus Arkimedeen periaatteella

ρ = tiheys [kgm-3]m = massa [kg]V = tilavuus [m3]

Ilmapunnitus miVesipunnitus mu

ρn = käytetyn nesteen tiheys

[ ]

[ ]


Painovoima………tiheys trendejä

Yleinen trendi: kivien tiheys kasvaa kiven emäksisyysasteen mukana

Chromite 4.30...4.60Pyrrhotite 4.50...4.80Magnetite 4.90...5.20Pyrite 4.90...5.20Cassiterite 6.80...7.10Galena 7.40...7.60

Malmimineraalit ρ

Emäk

sisy

ysas

te

Tiheys

syvä

kive

tpi

ntak

ivet

sedi

men

ttiki

vet


Suomi on lentokartoitettu kahdesti

a. Korkealentokartoitus 1954-1970

b. Matalalentokartoitus 1970-2007 (juuri päättynyt)

Korkealentoaineistoon perustuva Suomen lentomagneettinen kartta1: 1 milj.

Juha Korhonen/GTK

pun = positiivisia häiriöitäsin = negatiivisia häiriöitä

Kartta on suurena apuna tutkittaessa peitteisten maalajien alla olevan kallioperän rakenteita, tektoniikkaa ja kehitystä

Granuliittikaari

Keski-Lapin graniittikompleksi

Keski-Suomen graniittikompleksi

Kerrosintruusioita

Rapakivi


suorat mittaukset kappaleiden ratojen ja kiertoaikojen avulla (Keplerin lait) epäsuorasti luotainten ratapoikkeamien avulla

Tiheys mitataan kappaleiden tilavuus ja massa.......lasketaan tiheys g = m/V arvioidaan hitausmomentin M avulla (pallomainen Maa: hitausmomentti C =0.4 Ma²) . Huomi C:n mittukset antavat 0.331 Johtopäätös: Maan massajakauma keskittynyt syvälle! (ydin) kiertoimpulssimomentin L avulla meteoriittianalogia: Maan sisuksen täytyy olla painavaa materiaalia, esim FeNi-ydin, joka toteuttaa Maan keskitiheyden (5500kgm³). Meteoriiteissa on Fe-Ni. (tiheys ~ 7200 kgm-3) epäsuorasti mittaamalla kappaleen heijastusspektriä pinnan mineraalikoostumus tiheysjakauma

1. Painovoimamenetelmät

Painovoima petrofysiikka

välittävä TiheysPainovoima = vetovoima + keskipakovoima


Magnetometri mittaa magneettikenttää - esim. Lunahood: Kuun magneettikenttä, Venera-luotain: Venus, Mariner: Merkurius jne - “flyby”- mittaukset (esim: NEAR-luotain ohitti asteroidi Gaspran ja mittasi sen magneettikentän) - Jupiterin Ganymede-kuun kenttä (Galileo-luotain)

Jos kappaleella on “globaali magneettikenttä”, kuten Aurinko, Merkurius, Maa, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus, Ganymede, Gaspra jne....onko kappaleella nesteydin, jossa toimii dynamo (esim: Maa) vai jokin toinen mekanismi? Elektronien heijastumismittaukset antavat tietoa magneettikentästä Erilaiset magneettiset anturit (magneetit joihin tarttuu pölyä, irtomaata jne) Mössbauer-spektroskopia (mm. Mars Express) “Sample-return” mittaukset: mm. kuunäytteiden magnetismi, meteoriitit, Mars-meteoriitit, jne. Kuulla ei tänä päivänä ole Magneettikenttää, mutta kuu-näytteet osoittautuivat verrattain magneettisiksi! - Oliko Kuulla joskus magneettikenttä, jonka se menetti?

2. Magneettiset menetelmät suskeptibiliteetti, NRM petrof.


3. SEISMISET MENETELMÄT Tietoa kappaleen sisuksen rakenteesta ja koostumuksesta

- asennetaan kappaleen pinnalle seismometrit, jotka rekisteröivät seismisiä tapahtumia (earthquakes, Moonquakes, Mars-quakes, ”galactic” quakes jne)

- mitataan näytteistä seismisiä parametreja (elastiset ominaisuudet, nopeudet) ultraäänellä


Kumpula ultrasonic device


4. SÄHKÖISET JA SÄHKÖMAGNEETTISET MENETELMÄT sähkönjohtavuus, dielektrinen vakio, polarisaatot

Antavat tietoa kappaleen rakenteesta, koostumuksesta, lämpötilasta

5. TERMISET MENETELMÄT johtavuus, ominaislämpö, lämmöntuotto

suorat lämpötilamittaukset kappaleen pinnalta: arviot lämpövuosta ja kappaleen sisuksen lämpötilasta, radioaktiivinen lämmöntuotto

6. MUUT GEOFYSIIKAN MENETELMÄT planeettojen pintojen heijastusminaisuudet (reflection spectra,

albedo) meteoriittien, asteroidien heijastusominaisuudet


• Radioastronomisin keinoin saatu tieto

• Optisilla ja muilla tähtitieteen laitteilla saatu tieto• Luotainten antama tietoaineisto

• Laskeutujien ja ”mönkijöiden” keräämä tieto: anturit, mittalaitteet, robottikädet jne• Avaruusnäytteet

- astronauttien keräämät näytteet ja mittaukset - interplanetaarinen pöly (IDP`s)

- CAI-hiukkaset (Aurinkokunnan syntyä edeltäviä näytteitä) - meteoriitit: tavalliset meteoriitit, Kuumeteoriitit, Mars-meteoriitit (SNC`s), eksoottiset kappaleet

- mikrometeoriitit• Törmäyskraatterinäytteet ja niihin sitoutuneet ekstraterrestri- set ainekset kuten meteoriittinen pöly, Ir, palasia asteroideista, palasia kääpiöplaneetoista, kometaarinen pöly? jne

Planetaarisen geofysiikan tutkimusmateriaaleista


Mittakaavoista



Maailmankaikkeus eli Universiumi

• Alkuräjähdystä (Big Bang) seurannut universiumin laajeneminen ja ikääntyminen-tästä on todisteena kosminen taustasäteily ja ns. punasiirtymä

• maailmankaikkeuden dimensiot ovat 3 avaruusulottuvuutta ja yksi aikaulottuvuus• Universiumin neljä vaikuttavaa voimaa: - vahva ydinvoima - heikko ydinvoima - sähkömagneettinen voima - painovoima

• maailmankaikkeuden edelleen laajetessa planeettasysteemit ja galaksit alkavat hajota päätyen mustiin aukkoihin, jotka nekin lopulta höyrystyvät energiatiheyden laskiessa universiumissa



Maailmankaikkeuden ”ajat”

Menneisyys

Nykyaika

Tulevaisuus



Aurinkokuntamme on eräällä Linnunrata-galaksin kierteellä



I. Nebula II. Tiivistyvä Nebula

Planetaarinen geofysiikka: aurinkokunta syntyy



III. Protoplanetaarinen kiekko IV. Aurinko Ja Planetesimaalit

Planetaarinen geofysiikka: aurinkokunta syntyy


Planetaarinen geofysiikka: alkuräjähdyksestä atomeihin I

A: Alkuräjähdys

syntyy aika, aine, energia ja avaruus: lämpötila on huikea, alkaa laajeneminen ja jäähtyminen

B: Kvarkit syntyvät ensin ja yhdistyvät

protonit, elektronit ja neutronit syntyvät myöhemmin


Kerratkaa: atomin rakenne


C: Nukleosynteesi D: Ensimmäiset atomit

Planetaarinen geofysiikka: alkuräjähdyksestä atomeihin I

Kevyiden alkuaineiden (lähinnä He) ytimiä syntyy protonien ja neutronien törmäyksissä

300 000 v alkuräjähdyksen jälkeen H- ja He- ytimet sitoivat elektroneja atomi (T < = 3000 K): samalla vapautuu fotoneja ja maailman kaikkeudesta tulee läpinäkyvä


Alkuaineet maailmankaikkeudessa•Alkuräjähdyksen jälkeen syntyi heliumia (He) ja vetyä (H)

• Raskaammat alkuaineet aina rautaan asti (Fe) muodostuivat tähtien sisuksissa ydinreaktioissa (fuusioitumalla) kevyemmistä alkuaineista korkeissa lämpötiloissa: eli H-He-C-O-Si-Fe

• Rautaa raskaampien alkuaineiden valmistamaiseen tarvitaan energialtaan oikeita paikkoja kuten supernovaräjähdykset, jättiläistähtien pinnat, tähtienvälinen aine+kosmiset säteet, galaksien keskustat jne

• Suurimassaiset tähdet räjähtävät supernovina levittäen raskaita alkuaineita ympäristöönsä (muodostaen interstellaarisia kaasu- ja pölypilviä)


Kurssi Planetaarinen geofysiikka– Kiinteä maa / Aurinkokunta

Galaksiohittaapölypilven

.

.....

.... ..

..

...

...

.

.......

...

.

......

.....

... .... ..

.... .. ... .. .. ..

.. ...... .. .

..... .. ... .. .. . ... .. . .

. ... .. ... ..... . ... .. ... ...

.... ... ..

.. ..

..... .. .. ... .. ... .. .. ..

.. ......

.. .... .... ..

. ... .. ... . ... ..... ... .. ... .... .

.

...

.. .... .. ... . ... . . ...

..... .. ..

. ....

. .. . ....

... ...

.... .... .. .. pölypilvi

Pilvi tiivistyyKiekoksi.Syntyy keskustähti

Lämpötila kohoaa>106 K• ydinreaktio käynnistyy

raskas materia siirtyy keskus- tähden ulkopuo- lelle

H He

Raskaatalkuaineet

Planeetat syntyvätAuringon tiivistymisenyhteydessä


Kurssi 53501 Geofysiikan perusteet – Kiinteä maa / Aurinkokunta

Tiivistyminen

EtäisyysA

ika

KiviplaneetatKaasuplaneetat

Jäiset kappaleet

Aluksi: Planetesimaalit

planeetatTörmäykset

Kuumen-tuminen

• törmäys E• gravitaatio• radioakt. lämmön tuotto

Planeetta suli ja differentioitui


Kurssi 53501 Geofysiikan perusteet – Kiinteä maa / Aurinkokunta

Jäähtyminen, jähmettyminen

magma-meri

Kuori sulanutUseita kertoja

- sulakuori- magma- merivaihe jne.

Vähitellen törmäykset laantuvat

Syntyy aurinkokuntaAurinko

• Kiviplaneetat ja niiden kuut• Asteroidit• Kaasuplaneetat• muita pikkuplaneettoja + komeetat

Törmäysten rooli ensimmäisen miljardin vuoden aikana erittäin suuri!Törmäykset ovat pyyhkineet pois maan alkuajan muun geologisen rekordin.


69


70


71


Oman Aurinkokuntamme menneisyysAika Tapahtuma Syntyy13.7. Ga Alkuräjähdys eli big-bang aika, aine, energia , avaruus

-aluksi maailmankaikkeus oli pieni, tiheä, kuuma ja alkoi laajeneminen, jäähtyminen10-9 s maailmankaikkeus laajeni 109 km ja lämpötila oli n. 109 oC: kvarkit, elektronit ja säteilevät hiukkaset (fotonit) syntyvät ja muodostavat ”puuron”. Huom: eräät kosmogeeniset hiukkaset katosivat ja protonit ja neutronit eivät vielä ole muodostuneet

10-6 s protonit ja neutronit muodostuvat kvarkkien yhdistymisestä, protoneista syntyy vetyatomin ytimiä

1s protoneista ja neutroneista syntyy H, He, Li ja Be-atomien ytimiä: ei vielä atomeja

3 min Maailmankaikkeuden lähes kaikki He-ytimet ovat syntyneet mutta eivät vielä atomeina koska tiheys liian suuri300 000 v l-tila nyt vain 3000 oK ja ytimet kykenevät sitomaan elektroneja: syntyy H- ja He- atomeja: painovoiman vuoksi atomijoukot menevät kierteisiksi kaasupilviksi

13 Ga ensimmäiset kaasupilvet ja galaksit yhdistyvät: - syntyy kaasutihentymiä ja niiden sisään tähtiä - tähdissä alkaa ydinreaktioita (fuusioita) jotka tuottavat valoa ja lämpöä mutta alkuaineista (nyt atomeina) kuitenkin yhä vain kevyet: H, He, Li ja Be


Oman Aurinkokuntamme menneisyys II

Aika Tapahtuma Syntyy13 Ga Alkaa fuusioituminen ja raskaammat alkuaineet (Si, O jne) aina rautaan (Fe) asti syntyvät fuusioitumalla H:stä ja He:sta 13-0 Ga Maailmankaikkeuden Fe:tä raskaammat aineet syntyvät kuitenkin ns. supernovissa eli jättiläistähtien räjähdyksissä. Nämä alkuaineet, kuten kevyemmätkin, sinkoutuvat maailmankaikkeuteen ja joutuvat kaasupilviin (nebuloihin) ja siellä tulevien aurinkokuntien rakennusaineiksi.

Oma Aurinkokuntamme11 Ga syntyy kotigalaksimme ”Linnunrataan” akretoitumalla (kasaantumalla): täällä mm. oma Aurinkokuntamme syntyy myöhemmin kaasu- ja pölypilvestä4.565 Ga Aurinkokuntamme syntyy liikkuvasta ja pyörteisestä nebulasta (pöly- ja kaasupilvi) siten, että painovoiman vaikutuksesta keskelle syntyy prototähti, Aurinko. Painovoima vetää kappaleita Aurinkoon, jossa alkaa ”uusi” fuusioreaktoritoiminta ja jälleen vedystä syntyy heliumia jne.


Oman Aurinkokuntamme menneisyys III

Aika Tapahtuma Syntyy

4. 565 Ma Muualla kiekoksi painuneessa kaasupilvessä, joka sisältää pölyä, kivenmurikoita, jäätä ja kaasua, raskaimmat ainekset kokoontuvat kivisiksi planetesimaaleiksi lähelle keskustähteä ja kevyemmät, kaasumaiset - ja jäiset kappaleet kokoontuvat kaasuplaneetoiksi kauemmas keskustähdestä. Aurinkotuuli auttaa sinkoamaan kaasumaiset planetesimaalit kauemmaksi.

n. 8 Ma:n vuoden kuluessa ovat syntyneet mm. asteroidit (ja komeetat?) todennäköisesti materiaalista, joka koskaan ei kerääntynyt planetesimaaleihin. Meteoriitit lienevät enimmikseen asteroidien emokappaleiden törmäystuotteita. Kaasuplaneettojen kuiksi saattoi kuitenkin syntyä myös tiiviimpiä, tai ”aktiivisia”, kappaleita kuten Io, Enceladys, Ganymeda, Titan ja Europa n. 120 Ma kuluessa terrestriset eli maankaltaiset planeetat ovat syntyneet ja muotoutuneet tuleviksi kiviplaneetoiksi. Maan oma Kuu syntyi ”muutama miljoona vuotta” Maan (4.565 Ga) synnyn jälkeen Mars-kokoisen asteroidien törmätessä Maahan.

4.565 Ga -> Kullakin planeetaalla oma ”terminen” ja tektoninen historia. Meteoriittipommituksella ja kokonaisten kappaleiden sulamisilla tärkeä rooli planeettojen ”kuorimallien” synnyn kannalta. Myös radioaktiivisella hajoamisella tärkeä rooli.


75


1. Planeettojen radat ovat ~ samassa tasossa l. auringon ekvaattoritasossa (ekliptika)2. Planeettojen radat ovat ~ ympyröitä auringon ympäri (ellipsejä!) poikkeuksena muutamat pikkuplaneetat 3. Planeettojen kiertosuunta on sama (vastapäivainen) kuin auringon poikkeuksena eräät kuut, komeetat 4. Planeetat pyörivät akselinsa ympäri vastapäivään, paitsi: Venus, pyörii hitaasti myötäpäivään Uranus pyörimisakseli ~ kohtisuorassa ratatasoon nähden5. Impulssimomentit: Planeetat 99% I = mv×r Aurinko 1%

Planeetat 0.15% Massat Aurinko 99% Loppu pölyä

Planetaarisen mallin on selitettäva (a)


Planetaarisen mallin on selitettäva (b)

6. Planeettojen etäisyyksille pätee Titius-Boden laki a = 0.4+0.3.2n n = planeetan nro

7. Planeettojen koostumus muuttuu etäisyyden funktiona Trendi: kiviplaneetat → kaasuplaneetat Pluto näiden välissä poikkeuksena eräät kuut, komeetat

8. Planeetat pyörivät akselinsa ympäri vastapäivään, paitsi: Venus, pyörii hitaasti myötäpäivään Uranus pyörimisakseli ~ ratatasoon





























































137


Mars-Orbiter 2016


Tiiu Elbra ja suprajahtava magnetometri HY-lab/2005

Mittalaitteiden rakentamisella on aina ollut tärkeä rooli geomagnetismissa: Gaussin rakentamat peruslaitteet ja Nervanderin rakentama tangenttibussoli jne. Vuonna 1976 Bill Goree (1946 - 2005) rakensi ensimmäisen suprajohtavuuteen perustuvan huippuherkän magnetometrin (SQUIDin). Tällainen magnetometri on myös Kumpulassa, kiinteän maan geofysiikan laboratoriossa.

Satelliitin magnetometrin anturit


Painovoiman mittaamisesta kentällä

• Painovoima mittaukset maailmalla IAG

• Painovoima mittaukset Suomessa GL GTK Malmiyhtiöt

• Kivien tiheysmittaukset: GTK:n petrofysiikan tietokanta}

Painovoimamittauksia Geodeettisen laitoksen LaCoste-Rombergin jousigravimetrilla Keurusselän törmäyskraatterilla v. 2004


Kiinteän maan geofysiikan perusteet I , Luento 5: Painovoimasta……. yksiköt

Painovoimatutkimuksissa käytetään “hieman outoja” yksiköitä:

Käytetty yksikkö on 1Gal = 1cms-2 = 0.01ms-2

Käytännössä toimivampi on 1mGal = 10-3 Gal =10-5 ms-2

• hyvin herkät gravimetrit 1µGal = 10-6 Gal• suprajohtavat gravimetrit 1nGal = 10-9 Gal

Putoamiskiihtyvyys Kumpulassa on 9.81901 ms-2. Näin ollen painovoima Kumpulassa on 9.81901x10-5 mGal

Huom: Joissakin maissa (mm. Ruotsissa) käytetään painovoimayksikköä 1 gu= “gravity unit” = 0.1mGal = 10-6 ms-2

Gravimetrion laite joka mittaapainovoimaa. Se perustuu hyvinherkkään jouseen. Nykyäänpudotuskokeisiin perustuvatlaitteet lisääntyneet.


Luento 9. magneettisten -anomalioiden tulkinnoistaTulkinnassa (tehdään tietokoneella, esim. GravMag ja Model Vision oh-jelmat) on syytä tuntea erilaisten geometristen kappaleiden magneettiset -anomaliat. Useille tunnetuille geometrioille kuten pallo, sylinterija prisma teoreettinen anomalia on verrattain helppo laskeaanalyyttisesti. Laskuissa lähdetään lähes aina magneettikentän potentiaalia W, josta kenttä Bsaadaan gradienttina:

€

W =µ04π

f (r,Δk,MR )

potentiaalivakio

etäisyys

pistenapa

€

W = −µ04π

mr

Yleisesti:

z

y

x

(x, y, z)

dx,dy,dz

€

W = −µo

4πm1 −m2( )

r∫∫∫ dr€

ΔB = −∇W

[ ]

[ ]

m


Planetaarinen geofysiikka III ja IV periodi, kevät 2011.Luennot prof. Lauri Pesonen (Fysiikan laitos) prof. Karri Muinonen (Fysiikan laitos) prof. Markku Poutanen (Geodeettinen laitos).Assistentti Olli WilkmanLuennot maanantaisin klo 12-14 Physicumin salissa E206. Poikkeuksista pyritään tiedottamaan sähköpostitse weboodin kautta ilmoittautuneille.

Harjoitukset Olli Wilkman ([email protected])

Harjoitukset koostuvat yhteensä 16 tehtävästä. Ensimmäiset tehtävät palautetaan III periodin lopussa ja toiset IV periodin lopussa (ks. aikataulu). Molemmissa tehtäväkokoelmissa on kahdeksan tehtävää, joista neljä on pakollisia ja neljästä saa bonuspisteitä. Harjoituksista saadut pisteet muodostavat 20% arvosanasta.

Harjoitukset tulevat tälle sivulle lähiaikoina.

Harjoitukset palautetaan assistentille (Olli Wilkman), joko sähköpostitse pdf-muodossa tai paperisena



Geophysical signatures of the Bosumtwi Impact Structure, Ghana

Note distinct multiring anomalies reflecting terrace patterns of the target granite?

D 10.5 km, Age 1.09 Ma

Documents

Kurssi 535021 PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA KL …...Planetaarinen geofysiikka kl 2011 4 Luennot maanantaisin klo 12-14 Physicum E206 ellei toisin mainita17.1.11 Kurssin esittely, käytännön