Planetarne procesy

1. Pojęcia	2. Pochodzenie Układu Słonecznego	3. Procesy planetarne	4. Procesy ziemskie	5. Meteoryty
6. Nasz Księżyc	7. Teledetekcja	8. Merkury	9. Mars	10. Wenus, nasza bliźniaczka
11. Jowisz & Księżyce Jowisza	12. Saturn, Pierścienie & Księżyce	13. Uran	14. Neptun	15. Pluton, Charon & Komety

IMPAKTOWANIE

Zdarzenia uderzeniowe, takie jak te, które utworzyły Meteor Crater około 50 000 lat temu w Arizonie i strukturę uderzeniową Manicouagan około 210 milionów lat temu w Quebecu, stanowią dominujący proces akrecji planetarnej (wzrostu) i restrukturyzacji powierzchni. Planety bez znaczących zmian tektonicznych, wietrzenia lub erozji ich powierzchni mają stare powierzchnie, które odzwierciedlają liczne uderzenia podczas ich wczesnych etapów wzrostu. Chociaż tempo uderzeń zmniejszyło się w ciągu ostatnich 4,5 miliarda lat, wydarzenia te nadal mają miejsce okresowo, czasami z energią wystarczającą do spowodowania ogromnych zniszczeń. Więcej na ten temat powiemy przy okazji omawiania geologii księżycowej i masowych wymierań na Ziemi.

Krater Manicouagan

Krater meteorytowy

Łańce kraterów uderzeniowych na Callisto:

Gipul Catena jest najdłuższym z około 12 takich łańcuchów na Callisto, jednym z 4 satelitów Jowisza o rozmiarach planety. Ma 620 kilometrów długości i jest największy. Visit NASA’s Callisto page for more information

Visit the Terrestrial Impact Craters Slide Show

Compiled by Christian Koeberl and Virgil L. Sharpton

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

Inne strony do odwiedzenia to:

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

Kolizja Shoemakera-Levy’ego z Jowiszem: 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

Asteroids, Comets, Meteors, and Near-Earth Objects

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

Eugene i Carolyn Shoemaker napisali rozdział 6 naszego podręcznika. Jako zespół autorzy ci wnieśli ogromny wkład do naszej wiedzy o zderzeniach i perspektywach niszczących kolizji w przyszłości. Kometa Shoemaker-Levy, która uderzyła w Jowisza w 1996 roku, została odkryta przez Shoemakerów i ich kolegę Davida Levy’ego. (Tragicznie, Gene Shoemaker zginął, a Carolyn Shoemaker została ranna w wypadku samochodowym podczas pracy nad strukturami zderzeniowymi w Australii latem 1997 roku).

RÓŻNICOWANIE PLANETARNE

W kategoriach ewolucji planetarnej i procesów geologicznych, różnicowanie oznacza uczynienie jednorodnego ciała niejednorodnym. Często odzwierciedla to zmiany we względnych proporcjach składników chemicznych i mineralogicznych z jednego miejsca do drugiego. Różnicowanie planetarne odnosi się zatem do procesów, które powodują, że zasadniczo jednorodne ciało akrecyjne, składające się z pierwotnej materii słonecznej, zostaje rozdzielone na warstwy o różnych właściwościach chemicznych i/lub fizycznych. Jeśli ciało planetarne jest wystarczająco duże, wykształci się w nim jądro, płaszcz i skorupa, z których każda może być dalej podzielona. Każda warstwa na Ziemi ma swój własny zestaw podziałów, na przykład: górna, środkowa i dolna skorupa.

• Planetary Differentiation, Windows to the Universe by the U. of Michigan: http://www.windows.ucar.edu/
• Procesy geofizyczne w różnicowaniu planetarnym: http://travesti.eps.mcgill.ca/~olivia/tp2002b/lectures/node40.html
• Strona Earth and Space Network o formowaniu się planet: http://earthspace.net/solar_system/Earth_html/under_the_surface.html
• Absolutna Astronomia: http://www.absoluteastronomy.com/reference/planetary_differentiation
• Odpowiedzi — Wikipedia: http://www.answers.com/topic/planetary-differentiation

UWAGA: The Earths lithosphere is comprised of the entire crustal layer plus the uppermost part of the mantle. Płaszcz znajdujący się bezpośrednio pod litosferą jest płaszczem astenosferycznym, który pod względem chemicznym i mineralogicznym jest podobny do płaszcza litosferycznego, ale jest częściowo stopiony, aby zapewnić plastyczną warstwę, po której poruszają się płyty litosferyczne. Przejście litosfera-astenosfera jest konsekwencją procesów wykraczających poza te, które spowodowały zróżnicowanie na warstwy. Patrz moduł 4 Ziemia.

Różnicowanie planetarne jest przede wszystkim związane z ciepłem, tzn. jest przejawem wewnętrznego ogrzewania, topnienia i segregacji składników. Gęstsze składniki opadają do centrum tworząc bogate w Fe-metal jądro, podczas gdy mniej gęsty materiał unosi się tworząc skorupę krzemianową. Ciśnienie i temperatura rosną wraz z głębokością ciała planetarnego, więc minerały, które są stabilne na jednej głębokości, mogą nie być stabilne na innej głębokości.

Planety zaczynają się ogrzewać we wczesnych etapach ewolucji, a budżet energetyczny planety obejmuje kilka procesów:

Ogrzewanie uderzeniowe powstaje, gdy bolid (kometa, asteroida, meteor) uderza w ciało w przestrzeni kosmicznej. Energia kinetyczna bolidu idzie na sproszkowanie i odparowanie zarówno impaktora jak i części powierzchni planety. Część z niej przekształca się w fale uderzeniowe, które rozchodzą się po planecie, a pozostała część zamienia się w ciepło. Podczas niektórych dużych zderzeń skały ulegają natychmiastowemu stopieniu. Dowodem na topnienie uderzeniowe są tektyty znalezione na Ziemi i szklane kulki znalezione w glebie księżycowej (są one chemicznie odróżnione od szkieł wulkanicznych również znalezionych w glebie księżycowej).

	Ciepło pływowe jest generowane przez niewielkie wewnętrzne odkształcenia wbrew oporowi tarcia, gdy jedno ciało planetarne obraca się wokół drugiego. Fluktuacje w grawitacji wynikają z różnic we względnych pozycjach dwóch ciał. Na przykład, pływy na Ziemi są bezpośrednią odpowiedzią na pozycje Księżyca i Słońca. Perturbacje grawitacyjne wynikają również z nieregularnych orbit, takich, że odległość dzieląca ciała planetarne nie jest stała. Najlepszym przykładem ogrzewania pływowego w Układzie Słonecznym jest układ Jowisza, gdzie mały wewnętrzny księżyc Io wykazuje aktywny wulkanizm spowodowany intensywnym ogrzewaniem wewnętrznym.
Ciepło słoneczne jest odpowiedzialne za wietrzenie powierzchniowe i procesy erozyjne na planetach posiadających atmosferę, ale również powoduje ocieplenie powierzchni na planetach z cienką atmosferą lub bez atmosfery. Ilość energii słonecznej, która faktycznie dociera do powierzchni zależy od kilku czynników, takich jak gęstość i skład chmur. Powierzchnia Wenus osiąga temperaturę około 700 stopni Celsjusza dzięki ogrzewaniu słonecznemu. Sugeruje to, że gradient termiczny pod powierzchnią jest również dość wysoki ze względu na podwyższoną temperaturę początkową powierzchni. Tak więc na ilość wewnętrznego ciepła traconego do przestrzeni kosmicznej może mieć duży wpływ temperatura powierzchni.
	Radiogeniczne Ciepło jest wytwarzane podczas rozpadu izotopów promieniotwórczych. Z Modułu 1 wiemy, że nukleosynteza wytwarza szeroką gamę nuklidów, które tworzą mgławicę słoneczną. Gdy formują się planety, zawierają naturalnie występujące pierwiastki radioaktywne, takie jak 235U i 40K, których okresy półtrwania są mierzone w miliardach lat. Te długożyciowe nuklidy są nadal obecne na Ziemi i innych ciałach planetarnych, choć w mniejszej ilości niż w czasie formowania się Układu Słonecznego. Pozwala to na utrzymujące się długotrwałe ogrzewanie podczas ewolucji planet. Radionuklidy o stosunkowo krótkich okresach półtrwania mierzonych w tysiącach do milionów lat, takie jak 26Al, rozpadły się na początku ewolucji planety i były odpowiedzialne za początkowe ogrzewanie wewnętrzne.
	Ogrzewanie wewnętrzne może być również spowodowane tworzeniem się rdzenia, podczas którego to procesu energia potencjalna zapadającej się gęstej materii jest przekształcana w ciepło, gdy materiał opada w kierunku głębszego poziomu. Nie jest to uważane za istotny czynnik w zbliżaniu wnętrza planety do topnienia, ponieważ materiał musiałby ulec częściowemu stopieniu, aby segregacja mogła w ogóle wystąpić.

Najważniejszym procesem generującym ciepło w różnicowaniu planetarnym jest rozpad radiogeniczny. Skały są materiałami izolacyjnymi, więc ciepło jest przekazywane przez przewodzenie bardzo powoli na powierzchnię, gdzie jest przekazywane przez promieniowanie w przestrzeń kosmiczną. Z powodu tego powolnego tempa przekazywania ciepła, różne części wnętrza planety nagrzewają się do punktu częściowego stopienia. Kiedy magma jest formowana i wstrzykiwana w inne rejony ciała planety (zwykle w górę do nadległych warstw), ciepło jest przekazywane przez konwekcję ze względu na mobilność stopionego materiału. Lotne elementy i związki, takie jak woda, dwutlenek węgla, siarka, itp., zwiększają transfer ciepła przez konwekcję.

Odwiedź internetowy podręcznik geochemii W. M. White’a dla dokładnego omówienia ewolucji Ziemi. Ten podręcznik jest również wspaniałym źródłem dla wszelkich pytań związanych z geochemią.

minerały tworzące skały

Skały są zbudowane z minerałów, z których większość to krzemiany utworzone przez połączenie pewnych kationów (Mg, Fe, Ca, Na, K, itd.) z SiO2 (dwutlenek krzemu). Inne minerały to proste tlenki (np. magnetyt, chromit), halogenki (sól = halit, sylwin), siarczki (piryt, galena), siarczany (gips), węglany (kalcyt, dolomit), minerały składające się z jednego pierwiastka (diament, grafit) itd. Zdecydowanie większość minerałów skałotwórczych to krzemiany, które są obecne na (lub w) każdym ciele planetarnym.

Źródło informacji o mineralogii: http://www.mindat.org/

SiO2 jest tlenkiem, ale kiedy Si łączy się z O w układzie tetraedrycznym, na każdy atom Si przypadają cztery atomy O. Jest to tetraedr krzemianowy, który działa jako anion złożony z powodu braku równowagi ładunku z dwoma dodatkowymi atomami tlenu. Tlen jest zjonizowany do O2- i krzemu jest zjonizowany do Si4+, więc połączenie Si + 4O pozostawia nierównowagę ładunku 4.

UWAGA: Wyobraź sobie, że każdy atom O jest dzielony przez dwa atomy Si tak, że trójwymiarowa sieć tetraedrów SiO4 istnieje z wszystkich z nich połączone jak ramy. W tym przypadku, nie byłoby nierównowagi ładunku i wzór byłby SiO2, kwarc.

Każda strona czworościanu SiO4 jest identyczna, więc może być rysowany jako geometryczny czworościan w celu uproszczenia struktur różnych typów minerałów krzemianowych.

Zanotuj strukturę cząsteczki SiO4 w każdym z poniższych

Oliwin, minerał krzemianowy w roztworze stałym, ma wzór (Mg, Fe)2SiO4, co oznacza, że kationy Mg i Fe zastępują się wzajemnie w sieci krystalicznej. Rzeczywisty skład oliwinu zmienia się od jednego członu końcowego (forsteryt = Mg2SiO4) do drugiego (fayalit = Fe2SiO4). Równowaga chemiczna kationów (Mg, Fe) i anionów (SiO4) powoduje, że struktura oliwinu zbudowana jest z niezależnych czworościanów SiO4 otoczonych Mg i Fe. Oliwin nazywany jest minerałem ferromagnezowym (Fe i Mg) i ma wysoką temperaturę topnienia.

Fenokryształy oliwinu (zielone kryształy) w strumieniu lawy bazaltowej. Kryształy oliwinu prawdopodobnie uformowały się przed erupcją lawy. Zwróć uwagę na pęcherzyki spowodowane przez gaz i ekspansję w miarę stygnięcia lawy. Obraz ma około 1×2 cm.

Piroksen składa się z Mg, Fe i czasami Ca (wraz z innymi kationami zastępczymi, takimi jak Ti, Na, Al, itp.), które mieszczą się wokół pojedynczych łańcuchów tetraedrów SiO4. Piroksen występuje w wielu różnych składach i ma różne nazwy, takie jak augit, enstatyt, hipersten, pigeonit, itp. w zależności od względnych proporcji Ca, Mg i Fe. Łańcuchy krzemianowe, zwane polimerami, powstają, gdy dwa z czterech atomów O w każdym tetraedrze SiO4 są dzielone z innym tetraedrem. Zauważ, że każdy inny czworościan w łańcuchu jest odwrócony („do góry nogami”).

Amfibol jest jeszcze bardziej złożonym minerałem. Jest on utworzony przez układ łańcuchów SiO4, które są dołączone obok siebie, tworząc krzemiany o podwójnym łańcuchu. Najczęstszym przykładem amfibolu jest hornblenda, często nazywana minerałem „śmietnikowym”, ponieważ w sieci krystalicznej dopuszcza się wiele substytucji kationów. Jest to minerał ferromagnezu, jak oliwin i piroksen, ale często zawiera obfite Ca, Na, i Al, i zawiera strukturalnie związaną wodę w postaci jonu hydroksylowego (OH-). Również Al zastępuje Si w niektórych miejscach tetraedrycznych, tworząc nierównowagę ładunku, która jest równoważona przez zmiany we względnych proporcjach Na, Ca, etc.

Kryształ hornblendy ma około 6 cm długości, niezwykle duży rozmiar dla wspólnego minerału skałotwórczego. Prawdopodobnie powstał on w pegmatycie lub innym bogatym w płyny późnym systemie magmowym lub metamorficznym wysokiej klasy (patrz niżej). Ciemny kolor jest typowy dla tego minerału.

Innym rodzajem minerału wodorotlenowego jest mika, utworzona przez książkowe warstwy dwuwymiarowych arkuszy tetraedrów SiO4. Minerały te mają jeden kierunek doskonałego rozszczepienia, jak talia kart, co pozwala na ich rozszczepienie na bardzo cienkie płytki. Typowe przykłady to biotyt (który często występuje w skałach zawierających amfibol), muskowit, chloryt i flogopit. Podobnie jak amfibol i niektóre pirokseny, skład miki może być dość zmienny, zwłaszcza biotytu.

Skalenie są krzemianami ramowymi występującymi w prawie każdej skale iglastej, a także w wielu skałach osadowych i metamorficznych. Są one glinokrzemianami Ca, Na, i K, i występują w różnych stanach uporządkowania atomowego. Skalenie Ca i Na tworzą serię roztworów stałych zwanych plagioklazami o składzie od anortytu (CaAl2Si2O8) do albitu (NaAlSi3O8). Znaczenie tego minerału będzie widoczne w module Księżyc. Skalenie K są klasyfikowane w zależności od stopnia uporządkowania sieci krystalicznej. Sanidyna jest najmniej uporządkowaną formą KAlSi3O8 występującą w krzemionkowych skałach wulkanicznych, podczas gdy rosnące stopnie uporządkowania występują w plutonicznych skaleniach K ortoklazu i mikroklinu.

Kryształ plagioklazu ma około 10 cm wysokości i, podobnie jak kryształ hornblendy pokazany powyżej, prawdopodobnie rósł w systemie hydrotermalnym lub pegmatytowym. Plagioklaz występuje w prawie każdym typie skał iglastych, więc jest wszechobecny na Ziemi, jak również na innych planetach lądowych. Jasne obszary Księżyca, zwane Wyżynami, to głównie anortozyt, skała składająca się głównie z bogatego w Ca plagioklazu. Spójrz na Księżyc w pełni i spróbuj nakreślić układ Highlands i Maria.

Wszystkie minerały krzemianowe:Należy zwrócić uwagę na spadek stosunku SiO2 do kationów, od niezależnych tetraedrów krzemianów do krzemianów szkieletowych, co wskazuje na wzrost względnego udziału molekularnego SiO2 w minerale. Jak wspomniano powyżej, najprostszym krzemianem ramowym jest kwarc. Występujący w wielu skałach kwarc wskazuje na dostępność wolnych cząsteczek SiO2 w magmie, co oznacza, że kationy takie jak Mg, Fe, Ca, Na, itd. zostały zużyte w procesie tworzenia innych minerałów. Kwarc i oliwin na ogół nie występują razem w przyrodzie, ponieważ piroksen ma skład pośredni między nimi.

Rozważmy następującą zrównoważoną reakcję między związkami chemicznymi: Mg2SiO4 + SiO2 <=> 2MgSiO3 W ujęciu mineralogicznym to równanie to: Oliwin + Kwarc <=> 2 Pirokseny.

Dalej do modułu 3

.