Planetära processer

1. Begrepp	2. Solsystemets ursprung	3. Planetära processer	4. Jordprocesser	5. Meteoriter
6. Vår måne	7. Fjärranalys	8. Merkurius	9. Mars	10. Venus, vår tvilling
11. Jupiter & Joviska månar	12. Saturnus, ringar & Månar	13. Uranus	14. Neptunus	15. Pluto, Charon & Kometer

IMPACTING

Impakthändelser, som de som bildade Meteor Crater för cirka 50 000 år sedan i Arizona och Manicouagan-impactstrukturen för cirka 210 miljoner år sedan i Quebec, utgör den dominerande processen för planetarisk ackretion (tillväxt) och omstrukturering av ytan. Planeter utan betydande tektonisk omarbetning, vittring eller erosion av sina ytor har gamla ytor som återspeglar många nedslag under deras tidiga tillväxtstadier. Även om hastigheten för nedslag har minskat under de senaste 4,5 miljarder åren sker dessa händelser fortfarande med jämna mellanrum, ibland med tillräcklig energi för att orsaka massiv förstörelse. Vi kommer att ta upp mer om detta ämne när vi diskuterar månens geologi och massutdöenden på jorden.

Manicouagan krater

Meteorkrater

Impaktkraterkedjor på Callisto:

Gipul Catena är den längsta av cirka 12 sådana kedjor på Callisto, en av Jupiters fyra planetstora satelliter. Den är 620 kilometer lång och den största. Besök NASA:s sida om Callisto för mer information

Visit the Terrestrial Impact Craters Slide Show

Samlat av Christian Koeberl och Virgil L. Sharpton

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

Andra webbplatser att besöka är följande:

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 (resurser på NASA:s huvudbibliotek): http://www.hq.nasa.gov/office/hqlibrary/pathfinders/aster.htm

Asteroider, kometer, meteorer och objekt nära jorden

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

Eugene och Carolyn Shoemaker skrev kapitel 6 i vår lärobok. Som ett team har dessa författare bidragit enormt till vår kunskap om nedslag och utsikterna för förödande kollisioner i framtiden. Shoemaker-Levy-kometen som slog mot Jupiter 1996 upptäcktes av Shoemakers och deras kollega David Levy. (Tragiskt nog dödades Gene Shoemaker och Carolyn Shoemaker skadades i en bilkollision när de arbetade med nedslagskonstruktioner i Australien sommaren 1997).

PLANETÄR DIFFERENTIERING

Inom planetarisk utveckling och geologiska processer innebär differentiering att göra en homogen kropp heterogen. Detta återspeglar ofta förändringar i de relativa proportionerna av kemiska och mineralogiska beståndsdelar från en plats till en annan. Med planetär differentiering avses därför de processer som gör att en i huvudsak homogen ackreterad kropp som består av primordialt solmaterial separeras i skikt med olika kemiska och/eller fysikaliska egenskaper. Om en planetkropp är tillräckligt stor kommer den att utveckla en kärna, en mantel och en skorpa som var och en kan delas upp ytterligare. Varje skikt i jorden har sin egen uppsättning av underindelningar, till exempel: övre, mellersta och nedre skorpa.

• Planetary Differentiation, Windows to the Universe by the U. of Michigan:
• Geofysiska processer vid planetär differentiering: http://travesti.eps.mcgill.ca/~olivia/tp2002b/lectures/node40.html
• Earth and Space Network page on planetary formation: http://earthspace.net/solar_system/Earth_html/under_the_surface.html
• Absolute Astronomy: http://www.absoluteastronomy.com/reference/planetary_differentiation
• Svar — Wikipedia: http://www.answers.com/topic/planetary-differentiation

OBS: Jordens litosfär består av hela skorpskiktet plus den översta delen av manteln. Manteln omedelbart under litosfären är den asthenosfäriska manteln, som kemiskt och mineralogiskt liknar den litosfäriska manteln, men är delvis smält för att ge ett plastiskt lager över vilket de litosfäriska plattorna rör sig. Övergången litosfär-asthenosfär är en följd av processer som ligger utanför de processer som orsakade differentieringen i lager. Se modul 4 Jorden.

Planetär differentiering är i första hand värmerelaterad, dvs. den är ett uttryck för intern uppvärmning, smältning och segregering av komponenter. Tätare komponenter sjunker till centrum och bildar den Fe-metalrika kärnan medan mindre tätt material stiger upp och bildar silikatskorpan. Tryck och temperatur ökar med djupet i en planetkropp, så mineraler som är stabila på ett djup kanske inte är stabila på ett annat djup.

Planeter börjar värmas upp i sina tidiga utvecklingsstadier och planetens energibudget omfattar flera processer:

Impact Uppvärmning uppstår när en bolid (komet, asteroid, meteor) träffar en kropp i rymden. Bolidens rörelseenergi går åt till att pulverisera och förångas både av impaktören och en del av planetens yta. En del av energin omvandlas till chockvågor som sprider sig genom planeten och resten omvandlas till värme. Vid vissa stora nedslag smälter sten omedelbart. Bevis för smältning genom nedslag omfattar tektiter som hittats på jorden och glaspärlor som hittats i månjord (de skiljer sig kemiskt från vulkaniska glas som också hittats i månjord).

	Tidalvärme genereras av den lilla inre deformationen mot friktionsmotstånd när en planetkropp kretsar runt en annan. Fluktuationer i gravitationen beror på variationer i de två kropparnas relativa positioner. Exempelvis är tidvattnet på jorden ett direkt svar på månens och solens positioner. Gravitationsstörningar beror också på en oregelbunden omloppsbana, så att avståndet mellan planetkropparna inte är konstant. Det bästa exemplet på tidvattenuppvärmning i solsystemet finns i Jupitersystemet, där den lilla inre månen Io uppvisar aktiv vulkanism på grund av intensiv intern uppvärmning.
Solvärme är ansvarig för ytlig vittring och erosionsprocesser på planeter som har atmosfär, men orsakar också uppvärmning av ytan på planeter med tunn eller ingen atmosfär. Den mängd solenergi som faktiskt når ytan beror på flera faktorer, t.ex. molnens täthet och sammansättning. Venus yta når temperaturer på omkring 700 grader Celsius på grund av solvärme. Detta tyder på att den termiska gradienten under ytan också är ganska hög på grund av den förhöjda utgångstemperaturen på ytan. Mängden intern värme som förloras till rymden kan således påverkas kraftigt av yttemperaturen.
	Radiogen Värme produceras under sönderfallet av radioaktiva isotoper. Vi vet från modul 1 att nukleosyntesen producerar en mängd olika nuklider som ingår i en solnebulosa. När planeter bildas innehåller de naturligt förekommande radioaktiva element som 235U och 40K som har halveringstider som mäts i miljarder år. Dessa långlivade nuklider finns fortfarande kvar i jorden och andra planetkroppar, även om de förekommer i mindre mängd än när solsystemet bildades. Detta gör det möjligt att upprätthålla långvarig uppvärmning under planeternas utveckling. Radionuklider med relativt korta halveringstider som mäts i tusentals till miljontals år, t.ex. 26Al, sönderföll tidigt under planetens utveckling och stod för den första interna uppvärmningen.
	Intern uppvärmning kan också orsakas av kärnbildning under vilken process den potentiella energin i sjunkande tät materia omvandlas till värme när materialet sjunker ner mot en djupare nivå. Detta anses inte vara en betydande faktor för att föra ett planetärt inre nära smältning eftersom det berörda materialet skulle behöva bli delvis smält för att segregation överhuvudtaget ska kunna uppstå.

Den viktigaste värmegenererande processen som är involverad i planetär differentiering är radiogent sönderfall. Stenar är isolerande material, så värme överförs genom konduktion mycket långsamt till ytan där den överförs genom strålning till rymden. På grund av denna långsamma värmeöverföring kommer olika delar av en planets inre att upphettas till den grad att de delvis smälter. När en magma bildas och sprutas in i andra delar av planetkroppen (vanligtvis uppåt i överliggande lager) överförs värme genom konvektion på grund av det smälta materialets rörlighet. Flyktiga element och föreningar, såsom vatten, koldioxid, svavel etc., ökar värmeöverföringen genom konvektion.

Besök W. M. Whites lärobok om geokemi online för en grundlig diskussion om jordens utveckling. Denna lärobok är också en fantastisk resurs för alla frågor som rör geokemi.

ROCKBILDANDE MINERALER

Rockar består av mineraler, varav de flesta är silikater som bildas genom kombinationen av vissa katjoner (Mg, Fe, Ca, Na, K osv.) med SiO2 (kiseldioxid). Andra mineral är enkla oxider (t.ex. magnetit, kromit), halogenider (salt = halit, sylvit), sulfider (pyrit, galna), sulfater (gips), karbonater (kalcit, dolomit), mineral som består av ett enda grundämne (diamant, grafit) och så vidare. De allra flesta av de bergartsbildande mineralerna är silikater som finns på (eller i) varje planetkropp.

Mineralogi Informationskälla: http://www.mindat.org/

SiO2 är en oxid, men när Si kombineras med O i ett tetraederarrangemang finns det fyra O-atomer för varje Si-atom. Detta är silikat-tetraedern, som fungerar som en komplex anjon på grund av en laddningsobalans med de två extra syreatomerna. Syre joniseras till O2- och kisel joniseras till Si4+, så kombinationen Si + 4O lämnar en laddningsobalans på 4.

OBS: Tänk om varje O-atom delas av två Si-atomer så att det finns ett tredimensionellt nätverk av SiO4-tetraedrar där alla är sammankopplade som en ram. I detta fall skulle det inte finnas någon laddningsobalans och formeln skulle vara SiO2, kvarts.

Varje sida av en SiO4-tetraeder är identisk, så den kan ritas som en geometrisk tetraeder för att förenkla strukturerna för olika silikatmineraltyper.

Notera SiO4-molekylens struktur i var och en av följande

Olivin, ett silikatmineral i fast lösning, har formeln (Mg, Fe)2SiO4 vilket innebär att Mg- och Fe-kationerna ersätter varandra i kristallgitteret. Den faktiska sammansättningen av olivin varierar från den ena ändamålet (forsterit = Mg2SiO4) till den andra (fayalit = Fe2SiO4). Den kemiska balansen mellan katjoner (Mg, Fe) och anjoner (SiO4) gör att olivins struktur består av självständiga SiO4-tetrahedrar omgivna av Mg och Fe. Olivin kallas ett ferromagnesiskt mineral (Fe och Mg) och har en hög smälttemperatur.

Olivinfenokristaller (gröna kristaller) i basaltiskt lavaflöde. Olivinkristaller bildades troligen innan lavan utbröt. Lägg märke till vesiklar som beror på gasens upplösning och expansion när lavan svalnade. Bilden är ungefär 1×2 cm.

Pyroxen består av Mg, Fe och ibland Ca (tillsammans med andra ersättande katjoner som Ti, Na, Al etc.) som passar runt enskilda kedjor av SiO4-tetraeder. Pyroxen förekommer i många olika sammansättningar och har olika namn som augit, enstatit, hypersten, pigeonit etc. beroende på de relativa proportionerna av Ca, Mg och Fe. Silikatkedjorna, som kallas polymerer, bildas när två av de fyra O-atomerna i varje SiO4-tetraeder delas med en annan tetraeder. Observera att varannan tetraeder i kedjan är omvänd (”upp och ner”).

Amphibol är ett ännu mer komplext mineral. Det bildas av ett arrangemang av SiO4-kedjor som fästs sida vid sida för att bilda silikater med dubbla kedjor. Det vanligaste exemplet på amfibol är hornblände, som ofta kallas för ett ”soptunne”-mineral eftersom mycket substitution av katjoner tillåts i kristallgitteret. Det är ett ferromagnesiskt mineral som olivin och pyroxen, men innehåller ofta rikligt med Ca, Na och Al, och det innehåller strukturellt bundet vatten i form av hydroxyljonen (OH-). Dessutom ersätter Al Si i vissa av de tetraedriska platserna, vilket skapar en laddningsobalans som kompenseras av förändringar i de relativa proportionerna av Na, Ca etc.

Hornblendekristall är cirka 6 cm lång, en ovanligt stor storlek för ett vanligt bergartsbildande mineral. Den har troligen bildats i en pegmatit eller ett annat vätskerikt sent magmatiskt eller höggradigt metamorft system (se nedan). Den mörka färgen är typisk för detta mineral.

En annan typ av vattenhaltigt mineral är glimmer, som bildas av bokliknande lager av tvådimensionella skikt av SiO4-tetraeder. Dessa mineral har en riktning av perfekt klyvning, som en kortlek, vilket gör att de kan delas i mycket tunna skivor. Vanliga exempel är biotit (som ofta förekommer i bergarter som innehåller amfibol), muskovit, klorit och phlogopit. Liksom amfibol och vissa pyroxener kan glimmerns sammansättning vara ganska varierande, särskilt biotit.

Fältspat är ramsilikater som finns i nästan alla magmatiska bergarter och i många sedimentära och metamorfa bergarter. De är alumino-silikater av Ca, Na och K och förekommer i olika tillstånd av atomär ordning. Ca- och Na-fältspat består av en serie fasta lösningar som kallas plagioklas och vars sammansättning sträcker sig från anorthit (CaAl2Si2O8) till albit (NaAlSi3O8). Betydelsen av detta mineral kommer att framgå i månmodulen. K-fältspat klassificeras enligt hur väl kristallgitteret är ordnat. Sanidin är den minst ordnade formen av KAlSi3O8 som finns i silikatiska vulkaniska bergarter, medan ökande grader av ordningsgrad finns i plutoniska K-fältspat ortoklas och mikroklin.

Plagioklaskristallen är cirka 10 cm hög och växte, precis som hornblendekristallen som visas ovan, troligen fram i ett hydrotermalt eller pegmatit-system. Plagioklas förekommer i nästan alla typer av magmatiska bergarter, så den är allestädes närvarande på jorden såväl som på andra jordiska planeter. De ljusa områdena på månen, som kallas högländerna, består mestadels av anorthosit, en bergart som består av mestadels Ca-rik plagioklas. Titta på fullmånen och försök att skissera uppställningen av Highlands och Maria.

Alla silikatmineraler:Observera minskningen av förhållandet mellan SiO2 och katjoner, från oberoende tetrahedersilikater till ramsilikater, vilket tyder på en ökning av den relativa molekylära andelen SiO2 i mineralen. Som nämnts ovan är det enklaste ramsilikatet kvarts. Förekomsten av kvarts, som finns i många bergarter, indikerar tillgången på fria SiO2-molekyler i en magma, vilket innebär att katjoner som Mg, Fe, Ca, Na etc. har förbrukats vid bildandet av andra mineraler. Kvarts och olivin förekommer i allmänhet inte tillsammans i naturen eftersom pyroxen har en sammansättning som ligger mellan de två.

Tänk på följande balanserade reaktion mellan kemiska föreningar: Mg2SiO4 + SiO2 <=> 2MgSiO3 I mineralogiska termer är denna ekvation: Olivine + Quartz <=> 2 Pyroxenes.

Om till modul 3