Kurssi 535021 PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA KL 2011 LuK Aineopinnot...Pakolliset, 5 op Lauri Markku Karri Planetaarinen geofysiikka kl 2011 Kurssin kotisivu: olli.wilkman@helsinki.fi Olli http://www.courses.physics.helsinki.fi/geo/planetargeo/
Planetaarisen geofysiikan kurssi kl 2011 jaksot III-IV maanantaisin klo 12-14 sali E 206 I. Luennot: jaksot III + IV L.J. Pesonen HY/GET M. Poutanen FGI K. Muinonen HY/GET Lauri Markku Karri II. Kotisivun ylläpito ja Harjoitukset: 16 tehtävän paketti Olli Wilkman HY/GET Olli 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 % ½ pakollisia ½ bonusta 2 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Helsingin yliopiston Kiinteän Maan Tutkimme ja opetamme Kumpulan törmäyskraatterien tutkimuslaboratorio Mannerliikuntoja ja supermantereita Kivien, mineraalien ja meteoriittien fysikaalisten ominaisuuksien mittalaitteita kivien, meteoriittien ja arkeologisten näytteiden magnetismia Törmäyskraattereita Meteoriitteja Planetaarinen geofysiikka kl 2011
PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA Aikataulu, Kl 2011- Periodit III&IV; Luennoitsijat L.J. Pesonen, M. Poutanen ja K. Muinonen; kurssiassistenttina Olli Wilkman Luennot maanantaisin klo 12-14 Physicum E206 ellei toisin mainita 17.1.11 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 2h 07.2.11 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 2h 28.2.11 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 2h 04.4.11 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 luentoa 02.5.11 Harjoitusten II osan palautus (4 pakollista + 4 vapaaehtoista tehtävää), Olli 02.5.11 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 4 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA 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. http://www.courses.physics.helsinki.fi/geo/planetargeo/ 5 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
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 6 Planetaarinen geofysiikka kl 2011 Kuun painovoima-anomalioita
Kirjallisuutta Kurssi: Planetaarinen geofysiikka Lauri J. Pesonen, M. Poutanen ja Karri Muinonen 2011 PLANETAARISEN GEOFYSIIKAN OPPIKIRJOJA Planetaarinen geofysiikka yleisesti 1. 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, asteroidit 5. 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 näytteet 1. 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 7 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Planetaarisen geofysiikan tutkimuksen historiasta - tämä osio siirtyy kurssin loppupuolelle Karl Friedrich Gauss Nikolaus Kopernicus Ernst Chladni 1473-1543 Gene Shoemaker Geomagnetismin isä 1777-1855 James Tuzo Wilson Meteoriittitutkimusten isä 1756-1827 Impaktitutkimusten isä 1928-1997 Planetaarinen geofysiikka kl 2011 Laattatektoniikan tutkimusten isä 1908-1993 Meteoriitti ja joukkotuhot - tutkimusten aoittajat v. 1980
Planetaarisen geofysiikan historiaa voi oivallisesti lukea seteleistä ja postimerkeistä Nikolaus Kopernicus Karl Friedrich Gauss Tunguska Karl Friedrich Gauss Alfred Wegener Planetaarinen geofysiikka kl 2011
PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA: johdantoa Planetaarisen geofysiikan tutkimusmenetelmiä: optiset havaintokeinot radioastronomia säteilyihin perustuvat keinot näytteenotto Geofysiikan tarjoamat keinot painovoimakartoitus (+ ratojen vaihteluiden Kuun magneettisia rekisteröinnit) anomalioita 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 Mars-meteoriitti P S L R L O kivimeteoriitti, jolla sulamiskuori Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Kurssi Planetaarinen Geofysiikka Yleistä Kuinka saamme tietoa Maasta (ja) Maankaltaisista planeetoista? Tähtitieteelliset l. planetaariset mittaukset mitä kappaleita etäisyyksiä koostumusarvioita liikkeet Geodeettiset mittaukset muoto koko painovoima nykyliikunnot Geofysikaaliset mittaukset rakenne koostumus kehitys muinaiset liikunnat Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Rautainen eksoplaneettalöytö tammikuu 2011: Kepler-10b exoplanet Planetaarinen geofysiikka kl 2011 Planetaarinen geofysiikka uudistuu koko ajan hämmästyttävien 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. 12
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 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
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
Impact cratering is the most fundamental process for formation and evolution of the terrestrial bodies in the Solar System... Gene Shoemaker Moon Gene Shoemaker 1928-1997 South Pole mosaic 1500 UV-VIS pictures Clementine 1994 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Impact craters archived in our Solar System I Mercury Moon Earth Mars Asteroid Eros Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Impact craters archived in our Solar System II Impact craters in satellites Jupiter: Callisto Mars: Phobos Saturn: Mimas Saturn: Dione Saturn: Phoebe Uranus: Oberon Planetaarinen geofysiikka kl 2011
SUURTEN METEORIITTITÖRMÄYSTEN ROOLI AURINKOKUNTAMME KEHITYKSESSÄ Kuu on todennäköisesti syntynyt Marsin kokoisen asteroidin (Theian) törmätessä Maahan n. 4.64 Ga sitten Kuun synty törmäystuotteena 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 Comet Shoemaker-Levy on Jupiter, July 18, 1994 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Major mass extinctions in Earth s history Numbers of extinct families 65 Ma rajapinnassa impaktin todennäköisyys on suuri K/T Planetaarinen geofysiikka kl 2011 Liitu-Tertäärikauden (65 Ma) rajasavikerros (ejektalaskeuma) on löydetty globaalisti kaikkialta
Esimerkki : Keurusselän törmäysrakenne S. Raiskila New Discovery Keurusselkä The 11th proven impact structure in Finland Keurusselkä Shatter cone PDFs in quartz Meteoritics&Planetary Science, July 2010 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Meteoriittikraatterit Suomen kraatterikartta Maapallon törmäyskraatterit Suvasveden kaksoiskraatterit Planetaarinen geofysiikka kl 2011
FENNOSKANDIAN TÖRMÄYSKRAATTERIT Söderfjärden, Finland Combined magnetic and gravity Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Airborne geophysics: excellent tool to find new and to study old impact structures impact lake? Suvasvesi N impact structure, Finland Total field magnetic anomaly map D ~ 5 km Age: Permian Twin Otter aircraft h 40 m L 150 m -magnetics -- EM -- radiometrics Impact melt body Planetaarinen geofysiikka kl 2011
PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA Asteroidien tiheys Mars meteoriitti Mars Planetaarinen geofysiikka kl 2011
PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA: johdantoa 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. Planetaarinen geofysiikka kl 2011
PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA: johdantoa 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 Asteroid/meteorite Titan Merkurius Venus Onion rubble pie Hale-Bopp Planetaarinen geofysiikka kl 2011 Europa
Kohteiden sisäiset rakenteet ovat erilaisia - esimerkkinä ytimen koko...jolla merkitystä kohteen magneettikentän synnylle dynamoprosessissa Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Erilisia magneettikenttiä Planetaarinen geofysiikka kl 2011
PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA: johdantoa 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. Planetaarinen geofysiikka kl 2011
PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA: johdantoa 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) Merkurius Esimerkiksi Maan kivissä (iät < 4.1 Ga) näitä ei enää nähdä muun aktiivisen toiminnan (törmäykset, vulkanismi, eroosio, laattatektoniikka) vuoksi. Basalt Planetaarinen geofysiikka kl 2011
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. Oerstedt satelliitti (1999- ) CHAMP-satelliitti (2000- ) Tulossa: - ESA-Swarm satellite Planetaarinen geofysiikka kl 2011
GTK:n lentokartoitukset vuosina 1954-2007 mahdollistivat Suomen kallioperän tutkimisen magneettisen läpivalaisun avulla. Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Myös painovoimamittaukset tulleet lentokoneeseen +gravimeter Twin Otter aeroplane Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Geofysiikan satelliittikartoituksen mittalaitteita Näytteiden laboratoriomittaukset Satelliitin magnetometrin anturit Tiiu Elbra ja suprajahtava magnetometri HY-lab/2005 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
ESIMERKKINÄ MAGNEETTISIA MITTAUKSIA AURINKOKUNTAMME KAPPALEISTA Planetaarinen geofysiikka kl 2011
GEOFYSIIKAN MITTAUS JA MALLINNUS PLANETAARISESSA GEOFYSIIKASSA Geofysikaalinen anomalia Mallinnettu Mitattu Häiriökappale (esim. meteoriitti) - Petrofysiikan arvot - tiheys ja huokoisuus - magneettinen suskeptibiliteetti - Remanenssi NRM - sähkönjohtavuus Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Magneettisten anomalioiden mallinnuksista Suora tehtävä B mitattu anomalia Ks. kurssit: sov. geofysiikka magn. mallinnus geofys. mallinnus jne laskettu anomalia k, NRM aproksimaatio = prisma todellinen lähde on monimutkaisempi x Mallinnuksen sisäänmenoparametreja ovat k (suskeptibiliteetti), NRM, syvyys, leveys, korkeus (eli dimensiot) Mallinnuksen tavoite on löytää lähellä oikeata oleva geologinen lähde: kiviesiintymä, rautamalmi, kimberliitti jne Planetaarinen geofysiikka kl 2011
ΔB Pistenavan anomalia ΔB Dipolin anomalia x - x + Dipolista siirrytään sitten monimutkaisempiin geometrisiin kappaleisiin - alla geologinen vastine Laatta = impaktisula sylinteri =kimberliittipiippu Prisma =rapakivi Levy = diabaasijuoni pahku = gabro möykky =sulfidimalmi Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Painovoima-anomaliat...tiheyden rooli on tärkeä Painovoimatutkimuksissa tiheydellä on tärkeä rooli: - tiheys on mukana Bouguer-korjauksessa - tiheyserot aiheuttavat painovoimahäiriöitä eri mineraaleja Tiheys määritellään: v missä [ ρ] = kgm 3 v v v v huokosputki Kivilajien tiheys riippuu : onko kyseessä sedimenttikivi, magmakivi vai metamorfinen kivi mineraalikoostumuksesta huokoisuudesta (voidaan usein huomioida mittauksilla) lämpötilasta ja paineesta matriksi Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Painovoima tiheyden rooli Tiheyden mittaus Arkimedeen periaatteella [ ] ρ = tiheys [kgm -3 ] m = massa [kg] V = tilavuus [m 3 ] Ilmapunnitus m i Vesipunnitus m u [ ] ρ n = käytetyn nesteen tiheys Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Painovoima tiheys trendejä Yleinen trendi: kivien tiheys kasvaa kiven emäksisyysasteen mukana Malmimineraalit ρ Chromite 4.30...4.60 Pyrrhotite 4.50...4.80 Magnetite 4.90...5.20 Pyrite 4.90...5.20 Cassiterite 6.80...7.10 Galena 7.40...7.60 Emäksisyysaste sedimenttikivet syväkivet pintakivet Planetaarinen geofysiikka kl 2011 Tiheys
Keski-Suomen graniittikompleksi Granuliittikaari Keski-Lapin graniittikompleksi Kerrosintruusioita Suomi on lentokartoitettu kahdesti a. Korkealentokartoitus 1954-1970 b. Matalalentokartoitus 1970-2007 (juuri päättynyt) Korkealentoaineistoon perustuva Suomen lentomagneettinen kartta1: 1 milj. pun = positiivisia häiriöitä sin = negatiivisia häiriöitä Rapakivi Kartta on suurena apuna tutkittaessa peitteisten maalajien alla olevan kallioperän rakenteita, tektoniikkaa ja kehitystä Planetaarinen geofysiikka kl 2011 Juha Korhonen/GTK
1. Painovoimamenetelmät Painovoima välittävä petrofysiikka Painovoima = vetovoima + keskipakovoima Tiheys 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 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
petrof. 2. Magneettiset menetelmät suskeptibiliteetti, NRM 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? Planetaarinen geofysiikka kl 2011
PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA 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 Planetaarinen geofysiikka kl 2011 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 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Planetaarisen geofysiikan tutkimusmateriaaleista 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, Marsmeteoriitit (SNC`s), eksoottiset kappaleet - mikrometeoriitit Törmäyskraatterinäytteet ja niihin sitoutuneet ekstraterrestriset ainekset kuten meteoriittinen pöly, Ir, palasia asteroideista, palasia kääpiöplaneetoista, kometaarinen pöly? jne Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Mittakaavoista Planetaarinen geofysiikka kl 2011
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 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
PLANETAARINEN GEOFYSIIKKA Maailmankaikkeuden ajat Menneisyys Nykyaika Tulevaisuus Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Aurinkokuntamme on eräällä Linnunrata-galaksin kierteellä Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Planetaarinen geofysiikka: aurinkokunta syntyy I. Nebula II. Tiivistyvä Nebula Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Planetaarinen geofysiikka: aurinkokunta syntyy III. Protoplanetaarinen kiekko IV. Aurinko Ja Planetesimaalit Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Planetaarinen geofysiikka: alkuräjähdyksestä atomeihin I A: Alkuräjähdys B: Kvarkit syntyvät ensin ja yhdistyvät syntyy aika, aine, energia ja avaruus: lämpötila on huikea, alkaa laajeneminen ja jäähtyminen protonit, elektronit ja neutronit syntyvät myöhemmin Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Kerratkaa: atomin rakenne Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Planetaarinen geofysiikka: alkuräjähdyksestä atomeihin I C: Nukleosynteesi D: Ensimmäiset atomit Kevyiden alkuaineiden (lähinnä He) ytimiä syntyy protonien ja neutronien törmäyksissä Planetaarinen geofysiikka kl 2011 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) Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Kurssi Planetaarinen geofysiikka Kiinteä maa / Aurinkokunta............................................................ pölypilvi Galaksi ohittaa pölypilven Pilvi tiivistyy Kiekoksi. Syntyy keskustähti Lämpötila kohoaa >10 6 K ydinreaktio käynnistyy raskas materia siirtyy keskustähden ulkopuolelle Raskaat alkuaineet H He Planeetat syntyvät Auringon tiivistymisen yhteydessä Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Kurssi 53501 Geofysiikan perusteet Kiinteä maa / Aurinkokunta Aika Tiivistyminen Etäisyys Kiviplaneetat Kaasuplaneetat Jäiset kappaleet Aluksi: Planetesimaalit Törmäykset planeetat törmäys E gravitaatio radioakt. lämmön tuotto Kuumentuminen Planeetta suli ja differentioitui Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Kurssi 53501 Geofysiikan perusteet Kiinteä maa / Aurinkokunta Jäähtyminen, jähmettyminen magmameri Kuori sulanut Useita kertoja - sulakuori - magmamerivaihe jne. Törmäysten rooli ensimmäisen miljardin vuoden aikana erittäin suuri! Törmäykset ovat pyyhkineet pois maan alkuajan muun geologisen rekordin. Vähitellen törmäykset laantuvat Planetaarinen geofysiikka kl 2011 Syntyy aurinkokunta Aurinko Kiviplaneetat ja niiden kuut Asteroidit Kaasuplaneetat muita pikkuplaneettoja + komeetat
69
70
71
Oman Aurinkokuntamme menneisyys Aika Tapahtuma Syntyy 13.7. Ga Alkuräjähdys eli big-bang aika, aine, energia, avaruus -aluksi maailmankaikkeus oli pieni, tiheä, kuuma ja alkoi laajeneminen, jäähtyminen 10-9 s maailmankaikkeus laajeni 10 9 km ja lämpötila oli n. 10 9 o C: 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 suuri 300 000 v l-tila nyt vain 3000 o K ja ytimet kykenevät sitomaan elektroneja: syntyy H- ja He- atomeja: painovoiman vuoksi atomijoukot menevät kierteisiksi kaasupilviksi 13 Ga ensimmäiset kaasupilvet ja galaksit yhdistyvät: Be - 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 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Oman Aurinkokuntamme menneisyys II Aika Tapahtuma Syntyy 13 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 Aurinkokuntamme 11 Ga syntyy kotigalaksimme Linnunrataan akretoitumalla (kasaantumalla): täällä mm. oma Aurinkokuntamme syntyy myöhemmin kaasu- ja pölypilvestä 4.565 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. Planetaarinen geofysiikka kl 2011
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. Planetaarinen geofysiikka kl 2011
75
Planetaarisen mallin on selitettäva (a) 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 nähden 5. Impulssimomentit: Planeetat 99% I = mv r Aurinko 1% Planeetat 0.15% Massat Aurinko 99% Loppu pölyä Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Planetaarisen mallin on selitettäva (b) 6. Planeettojen etäisyyksille pätee Titius-Boden laki a = 0.4+0.3.2 n 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 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
137
Mars-Orbiter 2016
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 Planetaarinen geofysiikka kl 2011 Tiiu Elbra ja suprajahtava magnetometri HY-lab/2005
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 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
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 Gravimetri on laite joka mittaa painovoimaa. Se perustuu hyvin herkkään jouseen. Nykyään pudotuskokeisiin perustuvat laitteet lisääntyneet. 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 Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Luento 9. magneettisten -anomalioiden tulkinnoista Tulkinnassa (tehdään tietokoneella, esim. GravMag ja Model Vision ohjelmat) on syytä tuntea erilaisten geometristen kappaleiden magneettiset -anomaliat. Useille tunnetuille geometrioille kuten pallo, sylinteri ja prisma teoreettinen anomalia on verrattain helppo laskea analyyttisesti. Laskuissa lähdetään lähes aina magneettikentän potentiaalia W, josta kenttä Bsaadaan gradienttina: W = µ 0 4π m r pistenapa ΔB = W [ ] potentiaali Yleisesti: vakio etäisyys z y dx,dy,dz m (x, y, z) [ ] x W = W = µ 0 4π f (r,δk, M R ) µ o 4π ( m 1 m ) 2 r dr Planetaarinen geofysiikka kl 2011
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 Wilkman Luennot maanantaisin klo 12-14 Physicumin salissa E206. Poikkeuksista pyritään tiedottamaan sähköpostitse weboodin kautta ilmoittautuneille. Harjoitukset Olli Wilkman (sukunimi.etunimi@helsinki.fi) 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. http://www.courses.physics.helsinki.fi/geo/planetargeo/ Harjoitukset palautetaan assistentille (Olli Wilkman), joko sähköpostitse pdfmuodossa tai paperisena Planetaarinen geofysiikka kl 2011
Geophysical signatures of the Bosumtwi Impact Structure, Ghana D 10.5 km, Age 1.09 Ma Note distinct multiring anomalies reflecting terrace patterns of the target granite? Planetaarinen geofysiikka kl 2011