ONTSTAAN VAN MAAN EN AARDE

Een heftige gebeurtenis

pij

pZeer pijnlijke bevallingp

Een blik op de maanDe voorkant: inslagkraters en maria ( = grote

basaltrijke inslaggebieden)

Maan keert steeds zelfde kant naar aarde Oorzaak is d getijdenwerking van aarde op maan Is dat gevolg van getijdenwerking van aarde op

maan? Aardmassa = 81 x maan. De kracht die de getijden veroorzaakt is evenredig met de diameter van de maan

Maandiameter = 0,27 aarde. Zo vinden we: getijdenkracht op de maan is nu

ca. 22 maal groter dan die welke de maan op aarde veroorzaakt. Vroeger was dat anders

Rotatietijd = revolutietijd

Miljarden jaren geleden stond de maan dichter bij

de aarde dan nu het geval is (wordt later in deze presentatie toegelicht)

De kracht die de getijden verorzaakt is omgekeerd evenredig met de derde macht van de afstand tussen de aarde en de maan

Toen de maan halverwege de huidige afstand stond was de kracht dus acht maal groter.

En zo voort Dat is de oorzaak van de gelijkheid van rotatie- en

revolutietijd

Miljarden jaren geleden

Deel van achterzijde. Pas gezien door de ruimtevaart. Meer kraters dan voorzijde?

En waarom?

Het planetenstelsel

Is de maan tegelijk en/of op dezelfde wijze als de aarde en de andere planeten ontstaan ?Aarde en maan zijn onderdeel van het

planetenstelsel. Hoe is het planetenstelsel ontstaan ?

Het planetenstelsel. 4 binnen- en 4

buitenplaneten, meer dan halt miljoen planetoïden; duizenden ijsdwergen

Ouderdom planetenstelsel wordt o.m. bepaald d.m.v. chondrieten (de oudste

meteoorstenen)

Intermezzo: Vijf bekende Nederlandse meteorieten

Uden, 2 juni 1840 Utrecht (Blauwkapel), 12

juni 1843 Diepeveen, 27 oktober

1870, koolstofchondriet (ontdekt in 2013)

Ellemeet en Serooskerke, 26 aug. 1924, chondrieten (foto hiernaast )

Glanerbrug, 7 april 1990

Leeftijd bepaling: a: chondrieten; b: andere bronnen . Stelsel is 4567 miljoen jaar oud.

Planeten ontstonden tegelijk met ster uit de overblijvende

gas-/stof-wolk

Zo zag een schilder de geboorte van een ster en haar

planetenstelsel

De werkelijkheid: een proplyde (= protoplanetaire schijf) om een jonge ster in Orion

Proplyde IRAS 20068+4051

p

Protoplanetaire schijf om Bèta Pictoris (ster is afgeschermd)

Daarin is zelfs een planeet ontdekt. De vraag: hoe ontstaan

die planeten

Een computerpoging om het ontstaan van de 4 binnenplaneten te

simuleren. Rotsblokken van diverse massa’s en afstanden tot zon botsen en versmelten soms

Rotsblokken bewegen zich door het binnendeel van het zonnestelsel. Ze kunnen botsen en

versmelten

Enkele resultaten. Centraal diagram : actuele situatie

4567 miljoen jaren geleden vormden zich de eerste chondrieten in

een protoplanetaire schijf Die schijf zal aanvankelijk wel min of meer bolvormig geweest zijn Hij zal ook wel langzaam om een as gewenteld hebben En door combinatie van de aswenteling, rotatie en zwaartekrachts-

aantrekking wordt de wolk afgeplat Daarin ontstonden de planeten door botsingen en samenvoeging

van gas en stof, mede onder invloed van de zwaartekracht Dit proces nam ca. 30 miljoen jaar. Alle planeten dus in hetzelfde

vlak De allergrootste massa (> 99 %) kwam terecht in een centrale

condensatie , dit werd de zon, maar pas nadat daar de centrale dichtheid en temperatuur hoog genoeg waren.

Toen kon daar kernfusie optreden en begon de zon te stralen

Zo ontstond ook ons planetenstelsel

Het gaat snel: de protoplanetaire gasschijf is na 5 - 10 miljoen jaar verdwenen en overgegaan in een immense verzameling rotsblokken, stenen

en gruis

De planeten vormden zich uit het restje van de

stofwolk. Hun totale massa is minder dan een procent van die van de zon

Verscheidene dergelijke hemellichamen ontstonden op soortgelijke afstand van de zon als de aarde. Door botsingen bleef daar uiteindelijk slechts de aarde over (met de maan)

Tussen 4,0 en 3,8 miljard jaar ondergingen ze het late hevige bombardement van rotsblokken enz., zoals uit tellingen van maankraters en ouderdomsbepalingen van meegebrachte maanstenen is afgeleid

Samengevat: de eerste fase

De kernvraag: zijn de satellieten ook zo

ontstaan?

Zijn ze als ‘kleine planetenstelsels’ ontstaan?Onderzoek daarvoor de hoeveelheid rotatie van de

satelliet ( = het impulsmoment). Ons stelsel blijkt bijzonder te zijn

Wet van behoud van impulsmoment; dit is de

wet van behoud van hoeveelheid rotatie Noem de massa m, de afstand tot het

rotatiemiddelpunt r en de rotatiesnelheid v Dan is voor een gesloten systeem het product

m.v.r constant (zo lang er geen wisselwerking is met de

omgeving). Dus: m, zowel als v als r kunnen veranderen, maar

hun product niet – dat blijft constant Als voorbeeld de beweging van de maan om de

aarde

Een belangrijke natuurwet

Voorbeeld: de getijden van de aarde

maan heeft geen getijden; steeds zelfde kant naar aarde

Twee getijdengolven aan weerskanten van de aarde De golf draait eenmaal in 27 dagen in het rond, parallel

aan de omloop van de maan Aarde draait daar eenmaal per 24 uur onder door De wrijving tussen vloedgolf en aarde veroorzaakt

afremming van de aarde Aarde gaat langzamer draaien en zo wordt de dag in een

eeuw 1,7 milliseconde langer Impulsmoment m.v.r blijft echter constant en daarom

neemt de afstand maan tot aarde toe, met 4 cm per jaar Dit kleine effect verklaart waarom de maan vroeger

zoveel dichter bij de aarde stond

Getijden zijn gevolg van aantrekking door maan

De massa van de maan is 81 maal kleiner dan die van

de aarde Het baanimpulsmoment blijkt echter vrijwel gelijk aan

dat van de rotatie van de aarde In getallen: het impulsmoment van de omloop van de

maan is ca. 0,6 van het impulsmoment van de aard-rotatie.

Dit is een wanverhouding die onverklaarbaar groot lijkt !

Dit is een reden om aan te nemen dat het stelsel van aarde en maan niet is ontstaan als een ‘klein planetenstelsel’.

Bezie nu stelsel Aarde-Maan

Het dilemma van de maan

Hoe kan de geboorte van de maan met dat enorme impulsmoment dan wèl begrepen worden ? ‘Iets’ moet ‘eens’ de maan een

zeer krachtige zet gegeven hebben

Ontstaan planetenstelsel begon 4567 ± 2 miljoen jaar

geleden Ouderdom van aarde is 4.540 ( ± 50) miljoen jaar Maangesteenten uit hooglanden van de maan zijn ca.

4500 ( ± 50 ) miljoen jaar oud. Is de maan dus zo oud? Te onnauwkeurig voor een goede chronologie Op zijn best suggereren de getallen dat de maan

vrijwel gelijktijdig met de aarde en het planetenstelsel ontstond (nauwelijks iets later ?)

Hoe verliep het ontstaan? Daar zijn verscheidene theorieën over

Is de maan jonger dan de aarde?

(1): De maan is elders ontstaan en daarna gevangen door de

aarde; zo kwam hij in zijn baan (een oude theorie; recent opnieuw voorgesteld door S.F. Singer).

Dat kan niet als hij daarbij niet tegelijk afgeremd wordt. Hoe en waardoor?

Niet echt uitgesloten maar ook niet aanvaardbaar zolang de afremming niet verklaard worden Maar: voor de buitenste satellieten van Jupiter enz. is vangst wel de meest aanvaarde hypothese. Hoe zit dat? Botsingen misschien?

(2) Uitstoting. Een snel roterende aarde stootte een deel van de massa uit door middelpuntvliedende kracht (G. Darwin). Maar hoe dan wel ? En hoe kwam die maan in een bijna cirkelvormige baan?

En deze onderstelling verklaart evenmin het enorme impulsmoment van de omlopende maan

Een opsomming van theorieën

(3) Explosie van een georeactor , gesitueerd op

de aardse kern-mantel grens (De Meijer, Van Westrenen) Maar hoe werkte deze kernbom? Met name: het explosieve karakter. Waarom heeft Venus dan geen maan? Hoe kwam de maan in deze theorie aan zijn impulsmoment en zijn vrijwel cirkelvorige baan?

Dit verklaart wel de gelijke chemische compositie van aarde en maan, maar weer niet het grote impulsmoment.

Er zijn zo heel wat bespiegelingen die uiteindelijk onvruchtbaar(b)lijken

Verdere opsomming

De Grote Inslag (Giant Impact Hypothesis)

Het meest waarschijnlijk lijkt de onderstelling dat de maan ontstond door een rakelingse botsing van een groot hemellichaam met de aarde.

Rakende botsing

In de eerste fase van het planetenstelsel bestond een aantal

hemellichamen met banen, die ongeveer even ver van de zon

verwijderd waren als die van de aarde.

Een daarvan wordt Theia gedoopt. Een rakende botsing bracht het

impulsmoment over en dat betekende tevens het einde van

Theia Computersimulaties kunnen nagaan

of de maan zo kan zijn ontstaan

Een van de vele computersimulatie; we zien de

maan ontstaan

Andere simulatie. Kleur geeft temperatuur aan. Het proces duurde hier 27 uren

Computer simulaties tonen dat het lichaam ongeveer zo zwaar moet

zijn geweest als Mars. De invalshoek was 45 graden; de relatieve snelheid 4 km/seconde

Botsingenergie verhit het materiaal Deel van het materiaal vormt een lange arm van zeer heet stof en

gas Een deel daarvan (20%) verdwijnt de ruimte in en een ander deel

(50%) koelt af, condenseert, klit tezamen ,valt deels terug op de aarde en een ander deel vormt ten slotte de maan. In sommige simulaties ontstond ook nog (eventjes) een tweede kleinere satelliet

Jonge maan aanvankelijk op niet te grote afstand van de aarde – dit gaf extreem sterke getijdenwerking ! rotatietijd = revolutietijd

Enkele aspecten van de grote inslag

Zonder twijfel: ja! Maar slechts zelden leidt dat tot de vorming

van een planeet en zijn maanachtige satelliet Eerder zal zo een protoplaneet verder

aangroeien Ofwel: de twee objecten worden verbrijzeld en

dat draagt zo bij tot de veelheid van planetoïden

Waren er dan niet nog meer botsingen?

Hoe dit te bevestigen of te ontkennen

Poging tot verificatie door onderzoek van beschikbaar maan-materiaal

Onderzoek van maanstenenVoornaamste bron: Apollo missies brachten 2415 maanstenen mee (382 kg); ook iets van Luna ruimtevoertuigen ( 0,32 kg).

(Ribbe van blokje is 2,5 cm)

Meteoorstenen die van de maan afkomstig zijn ! Kan dat? Ja, dat kan! Bij inslag van een interplanetair lichaam in de

maan spatten stukken gesteente op De ontsnappingssnelheid is klein : 2,38 km/sec (vergelijk: de

aarde: 11,2 km/sec; bovendien heeft de maan geen atmosfeer) en zo kan een deel van het opspattende gesteente ontsnappen.

De meeste stukken verdwijnen in de ruimte maar een enkel brokstuk kan op aarde terechtkomen

Dat het meteorieten zijn blijkt dan o.m. uit de smeltkorst die ontstaat na verwarming bij de tocht door de aardatmosfeer

Maar ze verschillen ook van andere meteorieten in hun chemische samenstelling

En ook: maanmeteorieten !

Links: Alan Hills 81005; rechts: N-E Afrika 001

Wanneer gevonden?

Tot nu (2014) zijn 120 maanmeteorieten gevonden in noordelijke woestijngebieden en in

Antarctica

Combineer de gegevens

Stenen uit de maan onderzocht

Samenstelling van maan-meteorieten: ijzer tegen mangaan

Verschil tussen hooglanden, maria en ‘gewone’ chondrieten

Enkele resultaten: (a) Veel voorkomend mineraal is anorthiet (CaAl2Si2O8,

hoge concentratie Al en Ca); dit blijkt ook veel voor te komen in onderzochte delen van de maankorst in de hooglanden

(b) Er zijn weinig of geen vluchtige bestanddelen; dit betekent dat het maanmateriaal eens zeer verwarmd moet zijn geweest, waardoor vluchtig materiaal ontsnapte.

(c) Ook weinig waterhoudende mineralen; zelfde verklaring Verder: (d) De isotopen compositie van het ingesloten water

(zie hierna), en (e) De isotopen van zink en andere elementen (zie hierna)

Wat het onderzoek leert

In gesteenten werden druppels vulkanisch glas

gevonden In die ‘druppels’ watermoleculen aangetroffen Dit betekent dat de proto-aarde reeds water

bevatte in de tijd dat de maan werd gevormd De intense hitte van de botsing deed toch niet alle

water verdampen (en in de ruimte verdwijnen) Een deel van het water overleefde blijkbaar de

inslag Dit water werd onderzocht op de isotopen

samenstelling

(d) Speurtocht naar water in maanstenen

Gehalte aan deuterium is onderzocht in mineralen

afkomstig uit de oudste delen van de maankorst Het gehalte aan het deuterium isotoop blijkt vrijwel

gelijk te zijn aan dat in het aardse water Terwijl andere planeten, planetoïden en kometen

een ander gehalte hebben van het deuterium isotoop.

Dit sugereert een zelfde oorprong voor aarde en maan en terloops ondergraaft dit de onderstelling dat het aardse water uit kometen afkomstig zou zijn.

(d) Bepaling van het deuterium gehalte in waterhoudend materiaal

(e) Isotopen onderzoek Onderzoek van isotopen van

W, Ti, Cr en Zn. De eerste drie atomen

hebben dezelfde onderlinge isotoop verhoudingen als op aarde

Zink is vrij vluchtig en toont merkbare verschillen met aarde

Van het zwaarste zink-isotoop is het meeste aanwezig; van het lichtste het relatief minste

De verklaring : Het verhitte gas tijdens en na de inslag verloor

voornamelijk de lichtste van de isotopen van zink Van zwaardere isotopen bleef een groter deel

aanwezig; van de zwaarste het meeste Dus: relatief genomen des te meer naarmate het

zink-isotoop relatief zwaarder is. Fractionering van de zink-isotopen

Ook dit resultaat bevestigt de Grote Inslag theorie

Steun voor Grote Inslag theorie

Dat betekent dat het materiaal van Theia en van de aarde

door de botsing goed vermengd is Dit moet wel zo zijn: zie de hoge temperatuur die bereikt werd

tijdens en na de botsing Daardoor werd deze materie dooreen gemengd en zo

gehomogeniseerd

Besluit: een Grote Inslag als oorzaak van de geboorte van de maan is wel een zeldzaam verschijnsel, maar lijkt toch de meest aannemelijke hypothese. Het was een pijnlijke bevalling die de aarde bijna haar leven kostte

Gelijke samenstelling van aarde en maan

Dus: de Grote Inslag Hypothese?

Intussen gaat het onderzoek voort. De zeldzaamheid is ongemakkelijk. Waarom of juist daarom gebeurde dit niet met Venus

of Mars. Recente onderstellingen: zoals botsing van twee nog grotere lichamen en een andere van een botsing met en

afremming van een snel draaiende aarde of toch nog vangst moeten bekeken worden

Niets is zeker en ook dit niet

(Multatuli)