PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA 2011

Transkriptio

1 PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA 2011 Aikataulu, Kl Periodit III&IV; Luennoitsijat L.J. Pesonen, M. Poutanen ja K. Muinonen; kurssiassistenttina Olli Wilkman Luennot maanantaisin klo Physicum E206 ellei toisin mainita Kurssin esittely, käytännön asiat +Johdantoluento, Lauri, Karri ja Markku 2h Maailmankaikkeuden ja aurinkokunnan synty ja rakenne, Markku 2h Taivaanmekaniikan perusteet, satelliittien/planeettojen radat ja liikkeet, Markku 2h Lähiavaruuden asteroidit ja komeetat sekä törmäykset, Karri 2h Neptunuksen takaiset kohteet, Karri 2h Painovoima, vetovoima, vaikutukset ja mittaaminen, Markku 2h Jupiter-järjestelmä ja Galileo-luotain, Karri 2h Väliviikko: ei luentoa Harjoitusten I osan palautus (4 pakollista + 4 vapaaehtoista tehtävää), Olli Saturnus-järjestelmä ja Cassini-Huygens-luotain, Karri 2h Harjoitusten osan I tehtävien läpikäynti, Olli Uranus ja Neptunus-järjestelmät, Karri 2h Törmäyskraattereista, Lauri 2h Lauri J. Pesonen Meteoriittien ja asteroidien fysikaaliset ominaisuudet, Lauri 2h Kiinteän maan geofysiikka Maankaltaiset planeetat I, Lauri 2h Helsingin yliopisto Maankaltaiset planeetat II, Lauri 2h tänään! Pääsiäismaanantai: ei luentoa Harjoitusten II osan palautus (4 pakollista + 4 vapaaehtoista tehtävää), Olli Harjoitusten osien I/2 tehtävien läpikäynti, Olli 1h (Huom: laskarit ovat 20% ja ekskursio 5% arvosanasta!) Ekskursio geofysiikan laboratorioon (meteoriitteja, kuunäytteitä jne), Lauri 1h Tentti (Sali, aikataulu vielä auki)...75% arvosanasta

2 Maankaltaisten planeettojen havainnointimenetelmistä Astronomiset menetelmät Geodeettiset menetelmät - Laserkorkeusmittaukset - Tutkamenetelmät -VLBI-menetelmät I MoI = m pallo r 2 pallo - Mitataan MoI (normeerattu hitausmomentti eli MoI Geofysikaaliset menetelmät - Painovoimatutkimukset - Magneettiset luotaukset - Seismiset mittaukset - Sähkömagneettiset mittaukset pallo: 0.4 Geologiset tutkimukset Näytteenottomenetelmät - Törmäyskraatterikartoitukset - Tulivuoritoiminnan kartoitukset - Heijastuspektrit - Säteilymittaukset (Xray, gammasäde-, muut) - Pölynäytteenotto - Robottikädet - Meteoriitit

3 Maankaltaiset planeetat: mitä etsitään Pintageologia ja sen ikä Sisäinen rakenne ja koostumus Vulkaaninen ja seisminen aktiivisuus Tektoniset piirteet: repeymävallit, giganttiset juonet Painovoima ja magneettikenttä Ilmakehän olemassaolo ja koostumus Törmäyskraatteritiheys Pinnanmuodot, onko regoliittia

4 Planetaarinen geofysiikka: Luento 6 Terrestriset planeetat Tällä luennolla: - Maa ja Kuu - Mars kivi Auringosta: Maa:kolmas sininen planeetta Merkurius Venus Mars Maa Kuusta nähtynä

5 Tämä kuva on kaikille tuttu: satelliittikuva Maapallosta, fokuksena Afrikka. Peittävätkö pilvet (ilmakehä), valtameret ja sisävedet Maan kuoren todellisen historian, mukaanlukien meteoriittitörmäykset? Jos haluamme tietää mantereiden (esim. Afrikan) todelliset geologiset piirteet, meidän pitää poistaa ilmakehä, vesikehä ja peitteiset nuoret sedimentit. Tässä tulos! Hydrosphere Lithosphere Vredeforttörmäyskraatteri Mm. Etelä-Afrikassa on useita suuria törmäyskraattereita

6 MAAPALLON SFÄÄRIT litosfääri lähiavaruus ilmakehä vesikehä kiinteä maa ylävaippa alavaippa = plasmasfääri = atmosfääri = hydrosfääri = litosfääri = astenosfääri = mesosfääri ulkoydin (nestem.) Sisäydin (kiinteä)

7 Terrestriset planeetat: planeetta Maa Titius Boden laki planeetoille Huom: 1) Ehkä? Terrestrinen trendi Kaasuplaneettojen trendi Pluto poikkeaa hieman (ei enää planeetta) No 3 tässä laissa

8 Maankaltaiset planeetat...merkurius Magneettinen Titius-Boden laki Magneettinen Dipolimomentti (log.) Maa Uranus Merkurius Mars Venus Jupiter Neptunus Aurinko Saturnus Polariteetti N R Suhteellinen kiertoimpulssimomentti (log-yks.) Maalla on suhteellisen voimakas, sisäsyntyinen (99%), dipolaarinen (82%9 magneettikenttä: polariteetti N

9 TUTKIMUSMATERIAALIT MAAPALLON TUTKIMISESSA KITEET MINERAALIT KIVET TIMANTIT+VAIPAN NÄYTTEET SYVÄKAIRANÄYTTEET ARKEOLOGISET NÄYTTEET LUSTONÄYTTEET

10 Maapallo on geologisesti aktiivinen planeetta Maapallo on geologisesti aktiivinen ja dynaaminen planeetta. Edellisestä esimerkkinä 1.6 Ga sitten purkautuneet rapakivimassiivit ja 1.25 Ga sitten purkautuneet diabaasijuonet. Jälkimmäisestä konvektiot ja laattatektoniikan piirteet. Rapakivet 1.6 Ga Diabaasijuonet 1.25 Ga

11 Näytteitä Maan sisuksesta, ehkä jopa ydin/vaippa rajapinnalta, saadaan ns. kimberliittipiipuista löydettyjen vaipan xenoliittien kautta. Nämä kertovat ankarista P-, T- olosuhteista. Kimberliiteistä löydetään myös vaippaperäisiä timantteja! Näytteitä syvältä vaipasta ns. manttelixenoliitit kimberliittiesiintymiä

12 Maapallon liikkeet Pyörii akselinsa ympäri Kiertää aurinkoa ellipsin muotoista rataa Aurinkokunta (Maa mukana) etenee omassa galaksissamme eli Linnunradassa Linnunrata galaksimme etenee ja laajenee

13 Milankovichin syklit Maapallon kiertoradan eksentrisyys ( v.) Maapallon akselin kaltevuus ( v.) Prekessio, maapallon akselin hyrräliike ( v.)

14 Lisäksi Maa kokee nutaatiota (eräänlaista värrähtelyä), ns. Chandlerin huojahtelua ( wobble ) ja vapaita värähtelyjä (free oscillations, kuten Sumatran 2004 ja Japanin 2011 maanjäristysten jälkeen. Maankuori liikkuu koko ajan: maannousu ja maa-vuoksi-ilmiö (Aurinko-Kuun vetovoimien vuoksi). Vaippa on jatkuvassa liikkeessä (konvektio) ja sisäydin pyörii eri nopeudella kuin ulkoydin. moodi oso

15 Johdantoa terrestriset planeetat. Maa Maankaltaisten planeettojen hypsometriset piirteet. Maapallon hypsometria poikkileikkauksena Maa Maa on poikkeuksellinen kaksihuippuisen topografian vuoksi: suuret vuoristopiikit ja syvät trenchit

16 Globaaleja tapahtumapulsseja planeetta Maassa Isotooppiajoitukset viittaavat globaaleihin magmapulsseihin, jotka vuorostaan viittaavat supermantereihin Magmapulssit U-Pb zirkoni U-Pb (zirkon) ikä (Ga)

17 Globaaleja tapahtumapulsseja planeetta Maassa Isotooppiajoitukset viittaavat globaaleihin magmapulsseihin, jotka vuorostaan viittaavat supermantereihin Magmapulssit Kimberliittipulssit PANGEA RODINIA U-Pb zirkoni U-Pb (zirkon) ikä (Ga)

18 Geologista aktiivisuutta planeetta Maan pinnalla

19 Tulivuorten jakauma maanpinnalla

20 MAANJÄRISTYKSET (M> 4.0) KOKONAISMÄÄRÄ < 70 km km km

21 Planeetta Maa on yhä dynaaminen: tulivuoritoimintaa, esimerkkinä tulivuori Etnan purkaus vuonna (Stromboli-tyylinen purkaus) Yksi dramaattisimmista tulivuorenpurkauksista oli Krakataun räjähdyspurkaus vuonna 1880, jolloin ilmasto viileni muutamaksi vuodeksi noki-ja pölypilven vaikutuaksesta

22 Planeetta Maan rakenne geofysiikan valossa KU OR I V A I P P A yl ä al a ^ litosfääri astenosfääri mesosfääri ^ + + ^ ^ ^ ^ ^ ^ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ osittain 2890 km oliviinia, kiinteätä spinelli perovskiitti ^ sulaa 400 km 650 km 250 km vaipan vaihettumis vyöhykkeitä alhaisen nopeuden kerros! Lehmann-olkaus Y D I N 5154 km Fe, Ni, O, S, C { { nestemäinen ulkoydin kiinteä sisäydin

23 Seismologia.. Mohon syvyys Suomessa Andrija Mohorovičić ( ) Moho-olkauksen löytäjä Moho on kuoren ja vaipan välinen olkauspinta. Suomessa Moho on syvällä: km:n syvyydellä.

24 Seismologia..Esimerkki Suomen heijastusluotauksista FIRE-linja 1.64 Ga dyke swarm Suomen litosfäärin rakenne Meteorite impact structue 1.88 Ga dyke swarm

25 Maan muoto Painovoimatutkimuksissa riittävä muoto Maalle = vertailuellipsoidi Todellisuudessa Maa ei ole pyörähdysellipsoidi vaan geoidi. Geoidi on pinta, jonka pisteissä painovoima on kohtisuorassa tätä pintaa vasten. Geoidi on näinollen tasapotentiaalipinta. Valtamerten pinnat myötäilevät lähestulkoon geoidia. + + Geoidi N ellipsoidi + ylimäärämassa esim. alavaipassa aiheuttaa geoidihäiriön N N: m (max. 100 m) painovoima geoidi Satelliitti Geoidi Merenpinta Ellipsoidi

26 Plan. Geofys. 09, Luento: Terrestriset planeetat: Maan muoto Vertailuellipsoidi Päärynä-malli Muhkurainen Maa (~geoidi) c λ RE a

27 Globaali painovoimakartta Intian valtameren suuri painovoimakuoppa: näkyy myös geoidissa! Suurimmat vuoristot näkyvät positiivisina anomalioina Keski-Atlantin selänne ja Islanti näkyy positiivisina anomalioina GFZ-Potsdam

28 Painovoima - anomalioista Painovoimakartat, yhdessä anomaliatulkintojen kanssa ovat apuna tutkittaessa Maapallon pinnan ja litosfäärin geologista rakennetta, koostumusta jo kehitystä. Esimerkkejä: Suomen Bouguer-anomaliakartta granuliittikaari Lappajärven törmäyskraatteri Näränkävaaran Kerrosintruusio (positiivinen anomalia) Raahe-Laatokka vyöhyke (malmivyöhyke) Viipurin rapakivi (negatiivinen anomalia) Seppo Elo/GTK

29 Ytimeen liittyviä ei-dipolaarisen kentän anomalioita, jotka vaeltavat länteen ja kasvavat/pienentyvät Pohjois-Amerikan anomalia Siperian anomalia Ghanan rannikon anomalia Austraalian anomalia Etelä-Atlantin anomalia

30 Maan magneettikenttä elää koko ajan Nurmijärven Observatorion päärakennus Voimakkuus Suunta Aika Aika

31 Arkeomagnetismi antaa tietoa magneettikentästä viim v. ajalta Poltetut esineet tarjoavat loistavan mahdollisuuden Maan magneettikentän voimakkuuden jäljittämiseen ajassa taaksepäin n vuotta Suomenlinnan tiili Rooman ajan tiili Magneettikenttä heikkenee F. Donadini väitöskirja 2007

32 Geomagnetismi, geodynamo ja napakäännökset GAD-malli dynamoprosessissa Maapallon magneettikenttä syntyy nestemäisessä ulkoytimessä Perättäisiä napakäännöksiä sedimenteissä.napakäännöstaajuus n. 5/1 milj.v.

33 Magneettisten anomalioiden maailmankartta - nämä ovat kuoren/litosfäärin anomalioita Koska indusoitunut magnetismi on mukana erottuvat pallonpuoliskot toisistaan N Valtamerten magneettiset raitaisetanomaliat erottuvat Keski-Afrikan Banqui-anomalia Prekambriset kilpialueet erottuvat myös

34 Geomagnetismi.. anomaliat Esimerkki MAGSAT-kartoituksen litosfäärianomalioista Maan kuoren/litosfäärin suuria magneettisia anomalioita A. Kiiruna B. Suomenlahti C. Kursk D. Bangui (Afrikassa)

35 Geomagnetismi.. anomaliat Keski-Suomen graniittikompleksi Granuliittikaari Keski-Lapin graniittikompleksii Kerrosintruusioita Suomi on lentokartoitettu kahdesti a. Korkealentokartoitus b. Matalalentokartoitus (juuri päättynyt) Korkealentoaineistoon perustuva Suomen lentomagneettinen kartta1: 1 milj. pun: positiivisia häiriöitä sin = negatiivisia häiriöitä Kartta on suurena apuna tutkittaessa peitteisten maalajien alla olevan kallioperän rakenteita, tektoniikka ja kehitystä Planetaarinen geofysiikka kl 2011 Juha L.J. Pesonen...Terrestriset Korhonen/GTK planeetat II

36 Maan litosfääri liikkuu koko ajan: laattatektoniikka Maapallon vaipan yläosa on melkein käsin kosketeltavissa Islannissa, joka repeää kahteen laattaan keskellä Keski-Atlantin selännettä pitkin ja aosat erkaanatuva toisistaan n. 1 cm/v. Repeämän toinen puoli kuuluu Amerikan laattaan ja toinen puoli Eur-Aasian laattaan. Erkaantuminen n. 2 cm vuodessa eli samaa vauhtia kuin mitä ihmisen kynsi kasvaa.

37 Planeetta Maan geologinen kuva: mantereet vs. nuori merenpohja Intian Dharwarkratoni on yli 2.7 Ga vanha Lauri Pesonen ottamassa näytteitä Intiassa Intian mannerliikkeen mittauksia varten Mantereet ovat vanhoja ja pysyviä ( Ga) koostuen Prekambrisista kilpialueista (värilliset). Merenpohja on nuorta (alle 200 milj.v.) ja alati uusiutuvaa. Mantereet liikkuvat litosfäärilaattojen päällä

38 Terrestriset planeetat: Planeetta Maa ja laattatektoniikka

39 Pangaia Kivien magnetismin avulla on voitu laskea mantereiden liikkeet ja supermantereiden olemassaolo 2750 mil.v. ajassa taaksepäin Rodinia Hudsonland Ma Kenorland Ma Fennoskandian aikamatka Ma Ma

40 Helsingin yliopistossa rakennettu malli Supermanner Rodinialle (1000 milj.v.sitten) perustuien uusiin paleomagneettisiin mittauksiin. Mallin geologinen testaus: Laurentia- Baltica-Amazonia Pesonen et al (in print)

41 Supermantereet kautta aikojen 3 2 TIME (Ga) 1 0 Vaalbara Yilgarn Laurentia Baltica Kenorland Amazonia Laurentia Baltica Columbia N. China Siberia Ama Laur. Baltica R od ini a P an ge a P an ga ia Ul ti m a Dharwar Yilgarn Dharwar Ant. Supermannersykli on n. 500 milj.vuotta

42 Terrestriset planeetat: Maa ja termiset konvektiovirrat, jotka ajavat laattoja eteenpäin Konduktio Konvektio Konvektio solujen synty Lämmönlähteitä 1. Maan synnyn jälkilämpö 2. Vulkaanisuus ja magmaattisuus 3. Radioaktiivinen lämmöntuotto 4. Vuoksi-ilmiön kitka Stephan-Bolzmansäteily Lämmönsiirtyminen 1. Konduktio 2. Konvektio 3. Säteily

43 Tietoa Maapallon syvärakenteesta: tarvitaan ajoituksia Kiinteän maan geofysiikan menetelmä Seismiikka Painovoima Geomagnetismi Paleomagnetismi Geosähkömagnetismi Geotermiikka Radioaktiivisuus Muita Heijastuminen Kairaus Neutriinot Välittävä petrofysiikan suure elast. om, V p, V s tiheys, huokoisuus B, B= B(t) NRM = pysyvä magnetismi sähkönjohtavuus lämmönjohtvuus t ½ spektri - tiheys (?) Muisti (+)

44 Kallioperän ikä on saatu määritettyä Maailman geologinen kuva tänään U-Pb ajoitus Värilliset alueet ovat Prekambrisia kilpiä ( Ga), harmaa valtamerenpohjaa (alle 200 Ma)

45

46 Plan. Geofys. 09, Luento: Terrestriset planeetat: Maa

47 Aikaisemmin, ennen 1950-lukua, kiinteän maan tutkimus (ja tietämys) keskittyivät mantereisiin ja 1960-luvulla merenpohjan arvoitus ratkesi. Se on nuorta ja alati uusiutuvaa. Mantereet ovat passiivisia matkustajia ikäänkuin jäälautat virtaavassa vedessä. Merenpohjan (basalttia) magneettinen kartta paljastaa sen raitaisuuden: yksi. havainto joka johti laattatektoniikan kehittämiseen ja meren pohjan onnistuneeseen ajoittamiseen eli alle 200 milj.v.

48 Terrestriset planeetat: Maa

49 Maa poikkeaa kaikista muista planeetoista mm. ilma-, vesi- ja ennenkaikkea elokehänsä puolesta. Elämälle suotuisa etäisyys Auringosta sekä ilma- je vesikehän synty loivat edellytykset elämän synnylle Maassa.

50 Terrestriset planeetat: Maa Maapallon kaasukehän kaasujen syntyhistoria

51 Maapallo muuttumisen indikaattoreita: hiilen ja strontiumin isotoopit viimeisen 2500 milj.vuoden ajalta Hhuomaa ns. Jatuli- Lomagundi 13Cekskursio 2.3 Ga sitten, mikä saattaa johtua Kenorlandsupermantereen hajoamisesta. Huomaa myös 87 Sr / 86 Sr-suhteen ja 13 C- käyrän mahdollisesti (?) käänteinen korrelaatio. Piikit (kuopat) saattavat liittyä supermantereiden hajoamiseen.

52 Terrestriset planeetat: Maan ikä Maapallon ikä Ajoittaja milloin menetelmä Maan ikä Piispa Usher 1650 arvioi 4004 Ekr Lordi Hutton 1780 päätteli vanha Lordi Kelvin 1895 lämpövuoin avulla 40 Ma Goodchild 1896 stratigrafian avulla 700 Ma Rutherford 1906 radioaktiiovisuus 1500 Ma Patterson 1956 U-Pb ajoitus 4500 Ma nykytiede isotooppiajoit., kosmologia Ma Maapallon ikä on noin Ma Vanhimmat kivet ovat n Ma

53 Planetaarinen geofysiikka: Luento 6 Terrestriset planeetat Maankaltaisten planeettojen fysikaalisia ominaisuuksia R O /R O-E Pyör. aks. kaltevuus ratatasoon Massa/M E Keskityheys kgm -3 Magn. kenttä Dipole Moment Painovoima Merkurius ~ Venus ~ Maa Kuu ~ ~ Mars ~ Asteroidit ~ ~2500 eräillä? Meteoriitit ~3700 voim. 0.16

54 Terrestriset planeetat, Maa Maapallon kuoren koostumus poikkeaa meteoriittien koostumuksesta. Mutta vaippanäytteiden (ns. xenoliitit) koostumus on jo lähempänä hiilikondriittien koostumusta

55 Taulukko:Maan kemiallinen koostumus (massa %-osuudet, koko maapallon vaippa ja ydin) Kuori SiO MgO 0.11 FeO 7.0 Al 2 O CaO 6.4 Na 2 O muut 0.2 Vaippa Ydin SiO 2 32 MgO 23 FeO 7 Al 2 O 3 2 CaO 2 Na 2 O muut 1 Fe 27.5 Ni 2.5 O, S, C, Si, H 2.5

56 Taulukko: Mantereisen ja mereisen maankuoren koostumusten vertailu. Mukana kivilajit: graniitit, sedimentit ja basaltit Koostumus % SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 FeO MgO CaO Na 2 O 3 K 2 O Mantereinen Mereinen Tulos: mereinen kuori (basalttista) on emäksistä (suuremmat Mg-, Ca-arvot) ja mantereinen kuori on happamampaa, suuremmat Si- ja K-arvot

57 Myös Maapallo on kokenut useita jäätiköitymisiä kuten tämä pohjoismaita peittänyt jäätiköityminen, tässä n v. sitten

58 Planeetta Maa on kokenut globaaleja jäätiköitymisiä Samanaikaisia jäätiköitymisiä kaikkialla: - supermantereen (ehkä koko maapallon) jäätiköityminen Lumipallomaa Urkkavaaran 2.3 Ga vanha diamiktiitti Jäätiköitymisiä 0.65 Ga Varangian 2.30 Ga Huronian

59 Impact structures on Earth ~ 180 craters known...earth s impact database Ø 15 m 300 km Popigai Sudbury Ries Barringer Chicxulub Vredefort Gosses Bluff

60 Maankaltaiset planeetat... Maa ja törmäyskraatterit Törmäysten rooli oli suuri varsinkin Maan kehityksen alkuvaiheessa ns. suuren meteoriittipommituksen aikana Ga sitten Suuria törmäyskraattereita Maan pinnalla

61 Planetaarinen geofysiikka09: Luento 6 Maankaltaiset planeetat...kuu Kuu Kuun geofysikaaliset tutkimukset: painovoimakartoitus magnetismi ja paleomagnetismi seismiset kokeet (Apollo 15, 16) impaktitutkimukset Seismisten mittausten perusteella on Kuun sisäinen rakenne saatu hahmotettua verrattain luotettavasti.

62 Impact cratering is the most fundamental process for formation and evolution of the terrestrial bodies in the Solar System... Gene Shoemaker Moon Gene Shoemaker South Pole mosaic 1500 UV-VIS pictures Clementine 1994

63 Maankaltaiset planeetat...kuu Kuukartoitukset: Lunahood Apollo-lennot (10, 11, 12, 14, 15, 16, 17) Magellan-kartoitus (myös Kuun takapuoli) Clementine kartoitus (myös Kuun takapuoli) Apollo 11 ja astronautti? Tekemässä seismisiä. Mittauksia kuun pinnalla Kuun pinnan kartoitusta Apollo 15 laskeutujan tuoman Roverkulkuneuvon avulla

64 Maankaltaiset planeetat...kuu T vaihtelee -153 o C oC ei ilmakehää voimakkaasti kraatteroitunut pinta ei globaalia magneettikenttää (ehtynyt) ei nykyistä vulkanismia eikä tektoniikkaa navoilla vesijäätiköitä Fysikaaliset vakiot et. maasta km kiertoaika 27.3 d pyör.aika 27.3 d massa (Maa =1) tiheys 3340 kgm -3 painovoima 0.165

65 Kuun rata ja vaiheet Kuu kiertää maata keskimäärin km:n etäisyydellä. Todellisuudessa Maa ja Kuu kiertävät niiden yhteistä painopistettä, joka on Maan sisuksessa n km Maan ytimestä. Yksi kierros kestää 27.3 vuorokautta joka on yhtä suuri aika kuin Kuun pyörähdys oman akselinsa ympäri. Siksi Kuu näyttää aina saman (etupuolensa) Maata kohti. Kuun kiertäessä Maata sen sijainti Aurinkoon nähden muuttuu, mistä johtuvat Kuun eri vaiheet täysikuusta (Kuu on vastapäätä Aurinkoa) aina uuteenkuuhun, jolloin Kuu on Maan ja Auringon välissä).

66 Eräiden maankaltaisten planeettojen/kuiden kuoren paksuuskartat perustuen painovoimakartoituksiin Kuu marealtaat hyvin ohuita vuoristojen alla paksu kuori. aina 100 km saakka Mars N-pallonpuolisko ohutta S-pallonpuolisko paksua keskimääräinen paksuus 45 km Tharsis-vuoristo: paksu kuori Venus keskimääräinen paksuus 35 km muutama vuorenhuippu joiden alla paksuuntunut kuori

67 Kuun topografia, painovoima ja näistä laskettu geoidi laskettuna palloharmonisen analyysin perusteella, mukana painovoima-, pyörimis- ja vuoksihavainnot Topografia Takapuoli Etupuoli Takaosa paljon vuoristoisempaa kuin etuosa S-navan Aitken törmäysalla näkyy yli 2000 km altaana Painovoima Etuosan törmäysaltaat näkyvät positiivisina anomalioina, joita kutsutaan masconseiksi eli massaylijäämäalueita S-navan Aitken törmäysallas näkyy yllättäen negatiivisena Geoidi Kuun geoidin vaihtelu on jopa 700 m (Maa: 100m) Jossain määrin Kuun geoidi seuraa painovoimakarttaa (kuten Maassa)

68 Kuu korkeus painovoimakartta Maskonit; pinnanalaisia basalttilaattoja; pv. anomaliat ovat positiivisia.

69 Maankaltaiset planeetat...kuu Kuun topografia Ylätasangot runsaasti törmäyskraattereita kivet ovat törmäysbreksioita tai anortosiittia vanhoja n Ga Mare-altaat vähän törmäyskraattereita vulkaanisia altaita (mare-basalts), jotka syntyneet suurten törmäysten tuloksina kivet Ti-rikkaita basaltteja joissa ei ole vettä juuri lainkaan nuoria Ga (toki on myös 4.3 Ga ja eräät 1.0 Ga!)

70 Kuun lokaalisia magneettisia anomalioita The overall structure of this magnetic field is fairly noisy, although the structures in the magnetic field do correlate roughly with topographic features.

71 terrestriset planeetat. Kuu Maankaltaisten planeettojen hypsometriset piirteet.

72 Maankaltaisten kappaleiden seisminen aktiivisuus matalat kuujäristykset Mars&Venus: havaitut Marsjäristykset (ainakin yksi?), termolastiset mallit ja siirrosten laskenta Maa: rekisterit

73 Maankaltaiset planeetat...kuu Mare-basaltti. Näyte A15016 Apollo 15 Ikä 3.3 Ga Näyte Kuun geokemian erityispiirteitä runsaasti Ti, Mg, Al, Ca köyhtynyt Fe, Na, P jne

74 Maankaltaiset planeetat...kuu Kuun geologisen kehityksen kolme tärkeintä prosessia: törmäyskraatteroituminen magmatismi vulkanismi

75 Planetaarinen geofysiikka09: Luento 6 Maankaltaiset planeetat...kuu Orientale impaktikraatteri (monirenkainen) D ~ 950 km Ikä ~ 3.85 Ga

76 Maankaltaiset planeetat...kuu...törmäyskraatterit Esimerkkejä kuun törmäyskraattereista Maljamaisia yksinkertaisia törmäyskraattereita, esimerkkinä Mendelejev kraatteri Kuun takapinnalla. NASA/Apollo 10

77 IMPACT FLUX OF EARTH 4.6 Ga - PRESENT Tieto saadaan Kuusta ja Merkuriuksesta, jotka ovat säilyttäneet törmäyskraatteroitumishistoriansa pinnallaan Kraatteroitumisvuo lasketaan kraatterit/pintaala -periaatteella. Samalla saadaan ao. pinnan suhteellinen geologinen ikä

78 Maankaltaiset planeetat...kuu Impaktikraattereiden määrä kertoo Kuun stratigafiasta eli lohkojen keskinäisistä ijistä

79 Maankaltaiset planeetat...kuu pink brown selitys valmisteilla luen engl.kielinen teksti

80 Luento 6 Maankaltaiset planeetat...kuu Suurimmat mare-basalttialtaat Kuun pinnalla Mare Imbrium Mare Tranquillatis Mare Nectaris Mare Nubium Mare-altaat ovat syntyneet suuren törmäystapahtuman kraatterialtaaseen vulkaanisesti. Toisinsanoen, impakti on laukaissut basalttisen vulkanismin Kuun manttelista pinnalle.

81 Luento 6 Maankaltaiset planeetat...kuu...magmameret Alussa 4.5. Ga sitten Kuun pintaa peittivät magmameret

82 Kuun seisminen aktiivisuuskartta laskettuna todellisista seismisistä tapahtumista (moonquakes), törmäystaåahtumista ja keinotekoisista järistyksistä

83 Maankaltaiset planeetat...kuu Kuun sisäinen rakenne seismisten mittausten avulla Kuun sisäinen rakenne kuori vaippa mahdellinen ydin

84 Maankaltaiset planeetat...kuu regoliitti eli irtokerros basaltteja gabbroja anortosiitteja vaippa: oliviinirikas kivi

85 Maankaltaiset planeetat...kuumeteoriitti ALHA Allan Hills, Antarctica Sulamiskuori (oksidoitunut= rapautunut) Anortosiittinen regoliittibreksia Kuun ylätasangotta D ~ 38 mm 31.5 g anortosiitti-fragmentti matriksi (osittain basalttista)

86 Maankaltaiset planeetat...kuu a) Kuun paleomagnetismia voidaan tutkia joko näytteiden tai magneettisten anomaloiden tulkinnan avulla. Koska näytteet eivät olleet suunnattuja, saadaan niistä tietoa lähinnä vain Kuun muinaisen kentän voimakkuudesta. Kuun pinta b) Paleomagnetismi on tiede, joka tutkii kivien pysyvän magnetismin (NRM) avulla planeetan magneettikenttää ja tektoniikkaa ajassa taaksepäin (vrt. geomagnetismi tutkii tämän päivän kenttää). Tutkimuksissa oletetaan, että kenttä on luonteeltaan dipolaarinen. NRM NRM suunnattu näyte Kuun kallioperästä NRM on vakio. Apolloastronautit ottivat muutamia suunnattuja näytteitä. Kuun irtolohkareita NRM on satunnainen

87 Luento 6 Maankaltaiset planeetat...kuu Kuunäytteiden paleomagnetismi tuotti SUUREN yllätyksen tutkijoille. Näytteet osoittautuivat verrattain magneettiseksi ja stabiileiksi. Tätä Ei osattu odottaa koska Kuulla ei ole tänä päivänä globaalia magneettikenttää. Tämä johti neljän erilaisten selitysteorioiden keksimiseen. 1. Kuulla on ollut vanha planetaarinen magneettikenttä ulkopuolinen lähde aurinkoperäinen terrestrinen Kuun sisäinen (dynamo) 2. Vanha remanentti kenttä 3. Paikallisia transienttikenttiä 4. 0-kenttäteoriat

88 Maankaltaiset planeetat...kuu Kuun muinainen magneettikenttä on saattanut olla dipolaarinen Kaikki geofysikaaliset mittaukset tukevat, että Kuulla oli ydin, jiossa on voinut toimia dynamo Kuulla on edelleen (pieni) ydin mutta se lienee sammunut.

89 Maankaltaiset planeetat...kuu Yhteenveto kuunäytteiden magnetismista 1. Mittauksia tehty yli sadasta näytteestä vuosina Näytteiden NRM oli yllättävän suuri vaihdellen mam -1 (Maalla mam -1 ) 3. Impaktibreksioiden NRM magmakivien NRM (shokin vaikutus?) 4. Magnetismin 3 komponenttia - paramagnetismi: pyrokseeni ja oliviini - superparamagnetismi:...pienet Fepartikkelit - ferromagnetismi: pieniin Fe-domaineihin sitoutunut - TRM (termoremanenssi)? tai - SRM (shokkiremanenssi)?

90 Maankaltaiset planeetat...kuu Kuun magneettikentän kehitys geologisen ajan funktiona Suhteellisen voimakas magneettikenttä mahdollisen kuudynamon toimiessa Kenttä alkaa vaimeta dynamon hiipuessa Kentän voimakkuus (Oe) Aika biljoonissa vuosissa

91 Maankaltaiset planeetat...kuun impakti ja tulivuoriaktiivisuus

92 Maankaltaiset planeetat...kuun syntyteorioista Marsin kokoinen asteroidi (Theia) törmää Maahan ja törmäysheitteleistä syntyy Kuu Marsin kokoinen asteroidi (Theia) törmää Maahan ja törmäysheitteleistä syntyy Kuu Kuu on Maan kaappaama pikkuplaneetta ilman törmäystä Kuu on Maasta varhaisessa aggregaatiossa irronnut pala Maa ja Kuu syntyivät kokoamavaiheessa itsenäisiksi kappaleiksi mutta Kuu pienempänä jäi kuuksi

93 Maankaltaiset planeetat...kuun synty vaihe asteroiditörmäyksen jälkeen Marsin kokoinen asteroidi (Theia) törmää Maahan ja törmäysheitteleistä syntyy Kuu

94 Terrestriset planeetat: Kuun kemiallisesta koostumuksesta Jos Kuu on syntynyt törmäyksessä Maahan pitäisi sen koostumuksen olla lähellä Maan vaipan koostumusta

95 Taulukko: Maan ja Kuun kemiallaisia eroja...vain muutama elementti otettu vertailuun Alkuaine Kuu Maa He C N Na Mg% Si% Ca% Ti Fe% Sr Alkuaine Kuu Maa Ag ppb Ba La Nd Re ppb Ir Au Zr

96 Taulukko: Maan ja Kuun geokemiallisia eroja verrattuna myös C- kondriittien keskiarvokoostumukseen (ns. primitiivinen terrestrinen planeetta) selkeitä eroja Maan ja Kuun välillä

97 Planetaarinen geofysiikka: Luento 6 Terrestriset planeetat Maankaltaisten planeettojen fysikaalisia ominaisuuksia R O /R O-E Pyör. aks. kaltevuus ratatasoon Massa/M E Keskityheys kgm -3 Magn. kenttä Dipole Moment Painovoima Merkurius ~ Venus ~ Maa Kuu ~ ~ Mars ~ Asteroidit ~ ~2500 eräillä? Meteoriitit ~3700 voim. 0.16

98 MARS Punainen planeetta Mars: neljäs kivi Auringosta ja kaukaisin maankaltainen planeetta (sitten vielä asteroidivyöhyke!)

99 Terrestriset planeetat Mars Planeetta Mars perustietoa Viking Luotain Mars Pathfinder Mars Observer kiertoaika 687d: hidas pyörähdysaika 1.02 d T päivä - 30 o C T yö -100 o C Marsilla on kaksi kuuta: Phobos ja Deimos Fysikaaliset vakiot Mars Pathfinder + Sojoyner painovoima/maan painovoima = 0.38 Marsilla on ehkä? heikko, globaali magneettikenttä. Marsilla on todennäköisesti ollut globaali (dipolaarinen) magneeettikenttä päätellen siitä, että SNC-meteoriitit ovat (Marsperäiset) magneettisia. Marsilla on hyvin heikko (ohut) ilmakehä. Marsin pinnalla on todennäköiesti virrannut vettä tai ollut jäätä päätellen Marsin pinnalla olevista virtausmaisista piirteistä.

100 Terrestriset planeetat. Mars: pinnan topografia l. hypsometria Maankaltaister planeettojen hypsometriset piirteet. selkeästi yksihuippuinen: puuttuu suuret syvänteet, rotkot, trenchit

101 Plan. Geofys. 07, Luento: Terrestriset planeetat Mars impaktiheitteleitä vvulkaanisia kiviä (?) tuulieroosiota Marsin kivikkoista pintaa. Viking Orbiter Spacecraft photograph

102 Mars topografia ja Huom. tulivuorialueiden voimakas positiivinen painovoima-anomalia. Valles Marineris alueella (vasemmanpuol. kuvissa kanjoni lähellä ekvaattoria) massavajaus (voimakas negatiivinen anomalia)

103 Terrestriset planeetat: Mars Tulivuoria Marsin topografia Olympus Mons Tharsis-bulge Murrosrakoja (Vallis Marines) Hellas Impaktiallas (D 2000 km) NASA

104 Terrestriset planeetat Mars Valles Marines Kanjoni Marsin pinnalla Suuria maanvyöryjä

105 Terrestriset planeetat Mars Todennäköisesti monimutkainen vesi?uomasysteemi Marsin pinnalla Huomaa myös törmäyskraatterit

106 Marsin pinta on myös aktiivinen: tuulieroosiota, maanvyöryjä jne. Kuvassa näkyy nuorta sedimenttitoimintaa eli kerrostumista vuosina

107 Terrestriset planeetat...mars Impaktikraattereiden lisäksi Marsissa on huikeita tulivuoria, joista esimerkkinä Olympos Mons:

108 Terrestriset planeetat...mars Marsin pinta aurinkotuulen kuljettaman materiaalin, törmäyskraattereiden ja törmäysejektan peittämä irtomaa eli regoliitti laajaa vulkaanista toimintaa, joka nyt ehtynyt pyöreitä basin altaita kuten Kuussa: todennäköisesti suurten törmäysten tekemiä magmaattisia (margma ocean-) altaita kanjonimaisia piirteitä joissa joskus virrannut vesi tai vesijä sekä vesieroosion merkkejä riftirakenteita, mahdollisesti jonkinlaisen tektoniikan tekemiä

109 Marsin kuoren magneettikentän anomalioita The Mars Global Surveyor spacecraft measures the direction and strength of the local magnetic field as it passes over the Mars crust. The global map below is built up from many thousands of orbits at constant altitude...

110 Planeettojen ytimien vertailua Marsilla on kohtuullisen suuri ydin mutta ei kuitenkaan merkittävää globaalista magneettikenttää. Onko sulaa ydintä lainkaan ja mitä tapahtui ytimen dynamolle joskus?

111 Terrestriset planeetat Mars Marsin pintaa peittää myös törmäyskraattereiden verkosto. Johtuen kuitenkin vulkanismista, mahdollisesta tektoniikasta ja muusta geologisesta toiminnasta, törmäyskraattereita ei ole niin runsaasti kuin Merkuriuksessa ja Kuussa mutta runsaammin kuin Maassa ja Venuksessa

112 Marsin seisminen aktiivisuuskartta laskettuna siirrosten tiheydestä tietyn todennäköisyyden perusteella Marsquakes/ one Earth year

113 Terrestriset planeetat...mars Marsin geologiasta Marsilla on kuori, vaippa ja ydin ja paksu litosfääri laajaa vulkaanista toimintaa, joka ehtynyt. Marsilla on Fe-rikas oksidoitunut basalttinen kuori. pyöreitä basin altaita kuten Kuussa: todennäköisesti suurten törmäysten tekemiä magmaattisia (margma ocean-) altaita vulkanismia tektoniikkaa eroosiota impakteja pohjoinen pallonpuolisko: vulkaanista tasankoa ikä n. 3.9 Ga. Enemmän sedimenttien peittämä. Vähemmän törmäyskraattereita. eteläinen pallonpuolisko: vanhempaa vuoristomaisemaa ja runsaammin törmäyskraattereita ( Ga). S-napaaluetta peittää napajäätikkö. riftirakenteita, mahdollisesti jonkinlaisen tektoniikan tekemiä kallioperä eri ikäistä: ikäpiikit 4.5 Ga, 3.8 Ga, 3.5 Ga, 1.3 Ga ja 0.5 Ga...heijastuu myös SNC-meteoriittien ijissä.

114 Planetaarinen geofysiikka07: Luento 5 Maankaltaiset planeetat...mars Magneettinen Titius-Boden laki SNCmeteoriitit Magneettinen Dipolimomentti (log.yks.) Maa Uranus Merkurius Mars Venus Jupiter Neptunus Aurinko Saturnus Polariteetti N R Suhteellinen kiertoimpulssimomentti (log-yks.)

115 Terrestriset planeetat... Mars Marsilla on todennäköisesti ydin ja sula ulkoydin: sen dynamotoiminta on kuitenkin ehtynyt?

116 Planetaarinen geofysiikka09. Luento 5 Terrestriset planeetat...mars 4.6 Voimakas meteoriittipommitus, suuret altaat; vanha kuo ri syntyy. 4.4 Ensimsimmäiset SNC-meteoriitit sinkoutuvat Marsista törmäystuotteina 4.2 Paksu basalttinen kuori syntyy Mantteliplumeja ja magmameriä Suurten impaktien aikaansaannoksia Ga 1.3 SNC-meteoriittitapahtume Marsissa 0,5 Nuorin SNC-meteoriittitapahtume Marsissa SNC meteoriittien Mars alkuperästä: 18 O-pitoisuudet ajoitukset

117 Maankaltaiset planeetat...mars Marsin kuut: Phobos ja Deimos radat poikkeavat toisistaan vain vähän kiertonopeudet kuitenkin erilaiset molemmilla suuria (kokoon nähden) törmäyskraattereita ei vulkaanista toimintaa Saattavat olla kaapattuja pikkuplaneettoja (asteroideja) varsinkin Phobos Phobos Phoboksen suuri Stickney törmäyskraatteri Phobos löytäjä Asaph Hall 1877 R 9400 km T 0.32 d D 27x21x19 km tiheys 1900 kgm -3 Deimos löytäjä Asaph Hall 1877 R km T 1. 26d D 15x12x11 km tiheys 2200 kgm -3 Deimos

118 Planetaarinen geofysiikka: Luento 6 Terrestriset planeetat Maankaltaisten planeettojen fysikaalisia ominaisuuksia R O /R O-E Pyör. aks. kaltevuus ratatasoon Massa/M E Keskityheys kgm -3 Magn. kenttä Dipole Moment Painovoima Merkurius ~ Venus ~ Maa Kuu ~ ~ Mars ~ Asteroidit ~ ~2500 eräillä? Meteoriitit ~3700 voim. 0.16

119 Marsin seisminen aktiivisuuskartta laskettuna siirrosten tiheydestä tietyn todennäköisyyden perusteella