Planetaariset prosessit

1. Käsitteet	2. Aurinkokunnan alkuperä	3. Planetaariset prosessit	4. Maapallon prosessit	5. Maan prosessit	. Meteoriitit
6. Kuumme	7. Kaukokartoitus	8. Merkurius	9. Elohopea	. Mars	10. Venus, kaksoisolentomme
11. Jupiter & Jupiterin kuut	12. Saturnus, renkaat & Kuut	13. Uranus	14. Neptunus	15. Pluto, Charon & Komeetat

IMPAKTITAPAHTUMAT

Impaktitapahtumat, kuten ne, jotka muodostivat Meteor-kraatterin noin 50 000 vuotta sitten Arizonaan ja Manicouaganin törmäysrakenteen noin 210 miljoonaa vuotta sitten Quebeciin, edustavat hallitsevaa planeetan akkreditionaalista prosessia (kasvamista) ja pinnan uudelleenjärjestelyä. Planeetoilla, joiden pinnalla ei tapahdu merkittävää tektonista uudelleenmuokkausta, säätä tai eroosiota, on vanhoja pintoja, jotka heijastavat lukuisia iskuja niiden varhaisessa kasvuvaiheessa. Vaikka törmäysten määrä on vähentynyt viimeisten 4,5 miljardin vuoden aikana, näitä tapahtumia tapahtuu edelleen säännöllisesti, ja toisinaan niiden energia riittää aiheuttamaan massiivista tuhoa. Käsittelemme tätä aihetta tarkemmin, kun keskustelemme kuun geologiasta ja maapallon massakuolemista.

Manicouagan-kraatteri

Meteoriittikraatteri

Törmäyskraatteriketjut Kallistolla:

Gipul Catena on pisin noin 12 tällaisesta ketjusta Callistolla, yhdellä Jupiterin neljästä planeetan kokoisesta satelliitista. Se on 620 kilometriä pitkä ja suurin. Vieraile NASAn Callisto-sivulla saadaksesi lisätietoja

Vieraile Terrestrial Impact Craters Slide Show

Compiled by Christian Koeberl and Virgil L. Sharpton

http://www.lpi.usra.edu/publications/slidesets/craters/

Muita tutustumisen arvoisia sivustoja ovat:

http://seds.lpl.arizona.edu/nineplanets/nineplanets/callisto.html

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA03379

http://www.lpl.arizona.edu/SIC/impact_cratering/intro/

http://observe.arc.nasa.gov/nasa/exhibits/craters/impact_home.html

Comet Shoemaker-Levy Collision with Jupiter: http://www.jpl.nasa.gov/sl9/sl9.html

Near-Earth Objects (Resources at the NASA HQ Library): http://www.hq.nasa.gov/office/hqlibrary/pathfinders/aster.htm

Asteroidit, komeetat, meteorit ja maanläheiset kohteet

: http://impact.arc.nasa.gov/index.html

Eugene ja Carolyn Shoemaker kirjoittivat oppikirjamme luvun 6. Ryhmänä nämä kirjoittajat ovat edistäneet valtavasti tietämystämme törmäyksistä ja tuhoisien törmäysten mahdollisuuksista tulevaisuudessa. Shoemaker-Levy-komeetan, joka törmäsi Jupiteriin vuonna 1996, löysivät Shoemakerit ja heidän kollegansa David Levy. (Traagista kyllä, Gene Shoemaker kuoli ja Carolyn Shoemaker loukkaantui autokolarissa työskennellessään törmäysrakenteiden parissa Australiassa kesällä 1997).

PLANEETTINEN DIFFERENSSI

Planetaarisen evoluution ja geologisten prosessien kannalta differentiaatio tarkoittaa homogeenisen kappaleen muuttamista heterogeeniseksi. Tämä kuvastaa usein kemiallisten ja mineralogisten ainesosien suhteellisten osuuksien muuttumista paikasta toiseen. Planeettojen erilaistumisella tarkoitetaan siis prosesseja, jotka saavat aikaan sen, että pohjimmiltaan homogeeninen akkredoitunut kappale, joka koostuu Auringon alkuaineesta, jakautuu kerroksiksi, joilla on erilaiset kemialliset ja/tai fysikaaliset ominaisuudet. Jos planeettakappale on riittävän suuri, se muodostuu ytimestä, vaipasta ja kuoresta, jotka kaikki voivat jakautua edelleen. Maapallon kullakin kerroksella on omat alajaottelunsa, esimerkiksi: ylempi, keskimmäinen ja alempi kuori.

• Planetaarinen erilaistuminen, Windows to the Universe by the U. of Michigan: http://www.windows.ucar.edu/
• Geofysikaaliset prosessit planeettojen erilaistumisessa: http://travesti.eps.mcgill.ca/~olivia/tp2002b/lectures/node40.html
• Earth and Space Networkin sivu planeettojen muodostumisesta: http://earthspace.net/solar_system/Earth_html/under_the_surface.html
• Absoluuttinen tähtitiede: http://www.absoluteastronomy.com/reference/planetary_differentiation
• Vastaukset — Wikipedia: http://www.answers.com/topic/planetary-differentiation

Huomautus: Maan litosfääri koostuu koko kuorikerroksesta sekä vaipan ylimmästä osasta. Välittömästi litosfäärin alapuolella oleva vaippa on astenosfäärinen vaippa, joka on kemiallisesti ja mineralogisesti samanlainen kuin litosfäärinen vaippa, mutta joka on osittain sulanut muodostaakseen plastisen kerroksen, jonka päällä litosfäärilaatat liikkuvat. Litosfäärin ja astenosfäärin välinen siirtymä on seurausta prosesseista, jotka ovat muitakin kuin ne, jotka aiheuttivat kerroksittaisen erilaistumisen. Ks. moduuli 4 Maa.

Planeetan erilaistuminen on ensisijaisesti lämpöön liittyvää, eli se on sisäisen kuumenemisen, sulamisen ja komponenttien erottumisen ilmentymä. Tiheämmät komponentit vajoavat keskelle muodostaen Fe-metallipitoisen ytimen, kun taas vähemmän tiheä aines nousee ylös muodostaen silikaattikuoren. Paine ja lämpötila kasvavat planeettakappaleen syvyydessä, joten mineraalit, jotka ovat stabiileja yhdessä syvyydessä, eivät välttämättä ole stabiileja toisessa syvyydessä.

Planeetat alkavat lämmetä evoluutionsa alkuvaiheessa, ja planeetan energiatalouteen liittyy useita prosesseja:

Törmäyskuumennusta syntyy, kun bolidi (komeetta, asteroidi, meteoriitti) iskeytyy avaruudessa olevaan kappaleeseen. Bolidin kineettinen energia menee sekä törmäystekijän että osan planeetan pinnasta pulverisoimiseen ja höyrystämiseen. Osa energiasta muuttuu paineaalloiksi, jotka leviävät planeetan läpi, ja loput muuttuu lämmöksi. Joissakin suurissa törmäyksissä kallio sulaa hetkessä. Todisteita törmäyssulatuksesta ovat muun muassa Maasta löydetyt tektiitit ja Kuun maaperästä löydetyt lasihelmet (ne eroavat kemiallisesti vulkaanisista laseista, joita on myös Kuun maaperässä).

	Vuorovesilämpö syntyy pienestä sisäisestä muodonmuutoksesta kitkavastusta vastaan, kun yksi planeettakappale pyörii toisen ympärillä. Painovoiman vaihtelut johtuvat kahden kappaleen suhteellisen aseman vaihtelusta. Esimerkiksi Maan vuorovesi on suora reaktio Kuun ja Auringon asentoihin. Gravitaatiohäiriöt johtuvat myös epäsäännöllisestä kiertoradasta, jolloin planeettakappaleiden välinen etäisyys ei ole vakio. Paras esimerkki vuoroveden aiheuttamasta lämpenemisestä Aurinkokunnassa on Jupiterin järjestelmässä, jossa pienessä sisäkuussa Iossa esiintyy aktiivista tulivuoritoimintaa, joka johtuu voimakkaasta sisäisestä lämpenemisestä.
Aurinkolämpö on vastuussa pinnan säänmuodostuksesta ja eroosioprosesseista planeetoilla, joilla on ilmakehä, mutta se aiheuttaa myös pinnan lämpenemistä planeetoilla, joilla on ohut tai olematon ilmakehä. Se, kuinka paljon aurinkoenergiaa todella pääsee pinnalle, riippuu useista tekijöistä, kuten pilvien tiheydestä ja koostumuksesta. Venuksen pinta saavuttaa noin 700 celsiusasteen lämpötilan auringon lämmittämänä. Tämä viittaa siihen, että lämpögradientti pinnan alapuolella on myös melko suuri kohonneen lähtölämpötilan vuoksi. Näin ollen pintalämpötila voi vaikuttaa suuresti avaruuteen haihtuvan sisäisen lämmön määrään.
	Radiogeeninen Lämpö syntyy radioaktiivisten isotooppien hajotessa. Tiedämme moduulista 1, että nukleosynteesissä syntyy monenlaisia nuklideja, jotka muodostavat Auringon tähtisumun. Kun planeetat muodostuvat, ne sisällyttävät niihin luonnossa esiintyviä radioaktiivisia alkuaineita, kuten 235U:ta ja 40K:ta, joiden puoliintumisajat mitataan miljardeina vuosina. Näitä pitkäikäisiä nuklideja on edelleen Maassa ja muissa planeettakappaleissa, vaikkakin pienempinä määrinä kuin Aurinkokunnan muodostuessa. Tämä mahdollistaa pitkäaikaisen lämpenemisen planetaarisen evoluution aikana. Radionuklidit, joiden puoliintumisaika on suhteellisen lyhyt, mitattuna tuhansista miljooniin vuosiin, kuten 26Al, hajosivat planeetan evoluution alkuvaiheessa, ja ne aiheuttivat alkuvaiheen sisäisen lämpenemisen.
	Sisäistä lämpenemistä voi aiheuttaa myös ytimen muodostuminen, jonka aikana uppoavan tiiviin aineen potentiaalienergia muuttuu lämmöksi aineen laskeutuessa syvemmälle. Tätä ei pidetä merkittävänä tekijänä, joka saattaisi planeetan sisätilan lähelle sulamista, koska kyseessä olevan materiaalin täytyisi sulaa osittain, jotta erottuminen ylipäätään tapahtuisi.

Tärkein planeettojen erilaistumiseen liittyvä lämpöä tuottava prosessi on radiogeeninen hajoaminen. Kalliot ovat eristäviä materiaaleja, joten lämpö siirtyy johtumalla hyvin hitaasti pinnalle, josta se siirtyy säteilemällä pois avaruuteen. Tämän hitaan lämmönsiirtonopeuden vuoksi planeetan sisätilojen eri osat kuumenevat niin kuumiksi, että ne sulavat osittain. Kun magma muodostuu ja ruiskutetaan planeettakehän muille alueille (yleensä ylöspäin yläpuolisiin kerroksiin), lämpö siirtyy konvektiolla sulan aineen liikkuvuuden vuoksi. Haihtuvat alkuaineet ja yhdisteet, kuten vesi, hiilidioksidi, rikki jne., tehostavat lämmön siirtymistä konvektiolla.

Käy W. M. Whiten geokemian verkko-oppikirjassa, jossa käsitellään perusteellisesti maapallon kehitystä. Tämä oppikirja on myös loistava lähde kaikkiin geokemiaan liittyviin kysymyksiin.

KIVIÄ MUODOSTAVAT MINERAALIT

Kivet koostuvat mineraaleista, joista useimmat ovat silikaatteja, jotka muodostuvat tiettyjen kationien (Mg, Fe, Ca, Na, K jne.) ja SiO2:n (piidioksidin) yhdistymisestä. Muita mineraaleja ovat yksinkertaiset oksidit (esim. magnetiitti, kromiitti), halogenidit (suola = haliitti, sylviitti), sulfidit (pyriitti, galeniini), sulfaatit (kipsi), karbonaatit (kalsiitti, dolomiitti), yhdestä alkuaineesta koostuvat mineraalit (timantti, grafiitti) jne. Ylivoimaisesti suurin osa kiviä muodostavista mineraaleista on silikaatteja, joita on kaikilla planeettakappaleilla (tai niissä).

Mineralogian tietolähde: http://www.mindat.org/

SiO2 on oksidi, mutta kun Si yhdistyy O:n kanssa tetraedriseen järjestykseen, jokaista Si-atomia kohti on neljä O-atomia. Tämä on silikaattitetraedri, joka toimii kompleksisena anionina kahden ylimääräisen happiatomin aiheuttaman varaustasapainon vuoksi. Happi ionisoituu O2-:ksi ja pii ionisoituu Si4+:ksi, joten yhdistelmä Si + 4O jättää varaustasapainon 4.

Huomautus: Kuvittele, että jokainen O-atomi jaetaan kahden Si-atomin kanssa siten, että on olemassa kolmiulotteinen SiO4-tetraedrin verkko, jossa kaikki ovat yhteydessä toisiinsa kehyksen tavoin. Tällöin varausepätasapainoa ei olisi ja kaava olisi SiO2, kvartsi.

SiO4-tetraedrin jokainen sivu on identtinen, joten se voidaan piirtää geometriseksi tetraedriksi eri silikaattimineraalien rakenteiden yksinkertaistamiseksi.

Huomaa SiO4-molekyylin rakenne jokaisessa seuraavassa

Oliviinin, silikaattisen kiinteän liuoksen mineraalin, kaava on (Mg, Fe)2SiO4, mikä tarkoittaa sitä, että Mg- ja Fe-kationit korvaavat toisensa kideruudussa. Oliviinin varsinainen koostumus vaihtelee loppuosan koostumuksesta (forsteriitti = Mg2SiO4) toiseen (fayaliitti = Fe2SiO4). Kationien (Mg, Fe) ja anionien (SiO4) kemiallinen tasapaino aiheuttaa sen, että oliviinin rakenne muodostuu itsenäisistä SiO4-tetraedereistä, joita ympäröivät Mg ja Fe. Oliviinia kutsutaan ferromagnesia-mineraaliksi (Fe ja Mg), ja sillä on korkea sulamislämpötila.

Oliviinin fenokiteitä (vihreitä kiteitä) basalttisessa laavavirtauksessa. Oliviinikiteet muodostuivat todennäköisesti ennen laavan purkautumista. Huomaa vesikkelit, jotka johtuvat kaasun liukenemisesta ja laajenemisesta laavan jäähtyessä. Kuva on noin 1×2 cm.

Pyrokseeni koostuu Mg:stä, Fe:stä ja joskus Ca:sta (sekä muista korvaavista kationeista, kuten Ti:stä, Na:sta, Al:sta jne.), jotka asettuvat yksittäisten ketjujen ympärille, jotka koostuvat SiO4-tetraedereistä. Pyrokseenia esiintyy monissa eri koostumuksissa, ja sillä on erilaisia nimiä, kuten augiitti, enstatiitti, hypersteeni, pigeoniitti jne. riippuen Ca:n, Mg:n ja Fe:n suhteellisista osuuksista. Silikaattiketjut, joita kutsutaan polymeereiksi, syntyvät, kun kunkin SiO4-tetraedrin neljästä O-atomista kaksi jaetaan toisen tetraedrin kanssa. Huomaa, että ketjun jokainen toinen tetraedri on käänteinen (”ylösalaisin”).

Amphiboli on vielä monimutkaisempi mineraali. Se muodostuu järjestelystä SiO4-ketjuista, jotka ovat kiinnittyneet vierekkäin ja muodostavat kaksoisketjuisia silikaatteja. Yleisin esimerkki amfibolista on sarvivälke, jota kutsutaan usein ”roskakorimineraaliksi”, koska kationien suuri korvautuminen kideruudussa on sallittua. Se on oliviinin ja pyrokseenin kaltainen ferromagnesiittinen mineraali, mutta se sisältää usein runsaasti Ca:ta, Na:ta ja Al:ta, ja se sisältää rakenteellisesti sitoutunutta vettä hydroksyyli-ionin (OH-) muodossa. Lisäksi Al korvaa Si:n joissakin tetraedripaikoissa, mikä aiheuttaa varauksen epätasapainon, jota kompensoidaan Na:n, Ca:n jne. suhteellisten osuuksien muutoksilla.

Sarvivälkekide on noin 6 cm pitkä, mikä on epätavallisen suuri koko tavalliseksi kiviainekseksi. Se on luultavasti muodostunut pegmatiitissa tai muussa nestepitoisessa myöhäismagmaattisessa tai korkea-asteisessa metamorfisessa järjestelmässä (ks. jäljempänä). Tumma väri on tälle mineraalille tyypillinen.

Toinen vesipitoisen mineraalin tyyppi on kiille, joka muodostuu kaksiulotteisten SiO4-tetraedereiden levyjen kirjomaisista kerroksista. Näillä mineraaleilla on yksi täydellinen halkeamissuunta, kuten korttipakalla, minkä ansiosta ne voidaan halkaista hyvin ohuiksi kiekoiksi. Yleisiä esimerkkejä ovat biotiitti (joka esiintyy usein amfibolia sisältävissä kivissä), muskoviitti, kloriitti ja flogopiitti. Amfibolin ja joidenkin pyrokseenien tavoin kiilteiden koostumukset voivat olla varsin vaihtelevia, erityisesti biotiitin.

Feldriitit ovat kehyssilikaatteja, joita esiintyy lähes kaikissa magmakivissä sekä monissa sedimentti- ja metamorfisissa kivissä. Ne ovat Ca:n, Na:n ja K:n aluminosilikaatteja, ja niitä esiintyy eri atomijärjestysasteissa. Ca:n ja Na:n maasälvät muodostavat kiinteän liuossarjan nimeltä plagioklaasi, jonka koostumus vaihtelee anortiitista (CaAl2Si2O8) albiittiin (NaAlSi3O8). Tämän mineraalin merkitys tulee esiin Kuu-moduulissa. K-fellisparit luokitellaan sen mukaan, miten hyvin kideristikko on järjestäytynyt. Sanidiini on KAlSi3O8:n vähiten järjestäytynyt muoto, jota tavataan piipitoisissa vulkaanisissa kivissä, kun taas plutonisissa K-feldriiteissä ortoklaasi ja mikrokliini ovat yhä enemmän järjestäytyneitä.

Plagioklaasikide on noin 10 cm korkea, ja se on luultavasti kasvanut edellä esitetyn sarvivälkekiteen tavoin hydrotermisessä tai pegmatiittijärjestelmässä. Plagioklaasia esiintyy lähes kaikissa magmakivilajeissa, joten sitä on kaikkialla maapallolla sekä muilla maanpäällisillä planeetoilla. Kuun vaaleat alueet, joita kutsutaan ylängöiksi, ovat enimmäkseen anortosiittia, joka on kivilaji, joka koostuu enimmäkseen Ca-rikkaasta plagioklaasista. Katso täyttä kuuta ja yritä hahmotella Highlandsin ja Marian asettelu.

Kaikki silikaattimineraalit:Huomaa SiO2:n ja kationien suhteen pieneneminen itsenäisistä tetraedrisilikaateista kehyssilikaatteihin, mikä viittaa SiO2:n suhteellisen molekyyliosuuden kasvuun mineraalissa. Kuten edellä todettiin, yksinkertaisin runkosilikaatti on kvartsi. Kvartsin esiintyminen monissa kivilajeissa osoittaa, että magmassa on vapaita SiO2-molekyylejä, mikä tarkoittaa, että Mg:n, Fe:n, Ca:n, Na:n jne. kaltaiset kationit on käytetty muiden mineraalien muodostamiseen. Kvartsia ja oliviinia ei yleensä tavata luonnossa yhdessä, koska pyrokseeni on koostumukseltaan näiden kahden väliltä.

Harkitse seuraavaa kemiallisten yhdisteiden välistä tasapainoreaktiota: Mg2SiO4 + SiO2 <=> 2MgSiO3 Mineralogisesti tämä yhtälö on:

Jatketaan moduuliin 3

.