Thema 3 — Sonnensystem

Aufbau · die Sonne · Proton-Proton-Zyklus · Planeten im Detail · galileische Monde

Kapitel

• 3.1 Aufbau des Sonnensystems
• 3.2 Die Sonne
• 3.3 Der Proton-Proton-Zyklus
• 3.4 Planeten im Detail
• 3.5 Galileische Monde

Selfcheck

1. Wodurch unterscheiden sich innere und äußere Planeten, und warum gibt es diese Zweiteilung?
2. Beschreibe den Schichtaufbau der Sonne. Warum braucht die Energie ~1 Mio. Jahre bis zur Oberfläche?
3. Warum sind Sonnenflecken dunkler als ihre Umgebung, und wie entstehen sie?
4. Warum kann chemische Verbrennung die Sonne nicht erklären — was tut es stattdessen?
5. Schreibe die drei Schritte des Proton-Proton-Zyklus und die Netto-Bilanz auf. Welcher Schritt ist selten?
6. Woher kommt die Energie im PP-Zyklus (Stichwort Massendefekt, $E=m{c}^2$)?
7. Warum ist die Venus heißer als der Merkur, obwohl sie weiter von der Sonne entfernt ist?
8. Was treibt den Vulkanismus auf Io an, und warum hat Io kaum Krater?
9. Warum bleibt der Ozean unter Europas Eis flüssig — nenne drei Gründe.
10. Ein Glas Wasser ist voller Wasserstoffkerne — warum kommt es darin nicht zur Kernfusion?
11. Photonen und Neutrinos starten beide im Sonnenkern — wer erreicht die Erde zuerst, und warum ist der Unterschied so groß?
12. Io ist längst an Jupiter gebunden (gebundene Rotation) — warum wird es trotzdem durch Gezeiten aufgeheizt? Und warum gibt es auf der Erde zweimal täglich Flut?
13. Skizziere die Entstehung des Sonnensystems von der Staubwolke an. Was sind Planetesimale und Protoplaneten?
14. Was sind die Tigerstreifen des Enceladus, und warum ist dieser Mond ein Lebenskandidat? Was bedeutet Kryovulkanismus?
15. Was macht Ganymed besonders (Größe, Magnetfeld)? Warum ist Callisto der „geologische Gegenpol" zu Io?
16. Was beschreibt der Tröpfcheneffekt bei der Gezeitenkraft?

§§ANTWORTEN

1. Innere Planeten (Merkur–Mars) sind kleine Gesteinsplaneten mit fester Oberfläche; äußere (Jupiter–Neptun) sind massereiche Gasriesen. Ursache ist die Entstehung: innen blieb nur Gestein/Metall fest → kleine Kerne; außen blieb auch Eis fest, viel mehr Material → große Kerne sammelten zusätzlich Gas ein. (§3.1)
2. Von innen nach außen: Kern (Fusion) → Strahlungszone → Konvektionszone → Photosphäre. Die Energie braucht ~1 Mio. Jahre, weil die Photonen ständig an Materie gestreut werden („Random Walk"). (§3.2)
3. Sonnenflecken sind kühler als ihre Umgebung und strahlen daher weniger → sie erscheinen dunkler. Sie entstehen, wenn das Magnetfeld der Sonne die Konvektion stört und kühles Plasma nicht mehr absinkt. (§3.2)
4. Chemische Verbrennung würde nur einige tausend Jahre reichen — die Sonne leuchtet aber schon ~4,5 Mrd. Jahre. Das passt nicht. Stattdessen wird nach $E=m{c}^2$ Masse in Energie umgewandelt (Kernfusion). (§3.2)
5. (1) $p^{+}+p^{+}\to D+e^{+}+{\nu }_e$, (2) $D+p^{+}\to {}^3\text{He}+\gamma$, (3) ${}^3\text{He}+{}^3\text{He}\to {}^4\text{He}+2p^{+}$. Netto: $4p^{+}\to {}^4\text{He}+2e^{+}+2{\nu }_e+2\gamma +\text{Energie}$ (Schritt 1 und 2 laufen je zweimal ab). Schritt 1 ist selten (die meisten Protonen prallen ab). (§3.3)
6. Aus dem Massendefekt: Das ⁴He-Produkt ist leichter als die vier Protonen; die fehlenden 0,7 % der Masse werden nach $E=m{c}^2$ in Energie umgesetzt (~26,7 MeV pro Zyklus). (§3.3)
7. Wegen ihrer dichten CO₂-Atmosphäre und dem dadurch enormen Treibhauseffekt (~500 °C) — heißer als Merkur trotz größerer Sonnenferne. (§3.4)
8. Gezeitenkräfte: Jupiter und die anderen Monde stauchen und dehnen Io → innere Reibung → Aufschmelzen → Vulkanismus. Krater fehlen, weil der Vulkanismus die Oberfläche ständig wieder auffüllt (junge Oberfläche). (§3.5)
9. Gezeitenkräfte (Reibungswärme durch Stauchung/Dehnung), hoher Salzgehalt (senkt den Gefrierpunkt) und Druck (durch die Anomalie des Wassers bleibt es unter Druck länger flüssig). (§3.5)
10. Bei Raumtemperatur liegt die kinetische Energie der Protonen weit unter der Coulomb-Barriere; zudem sind sie in Molekülen gebunden und von Elektronenhüllen abgeschirmt — sie kommen nie in die Reichweite der starken Kraft. Fusion braucht ~15 Mio. °C heißes Plasma. (§3.3)
11. Das Neutrino: Es unterliegt nur der schwachen Wechselwirkung, die Sonne ist für es durchsichtig — es fliegt direkt aus dem Kern und erreicht die Erde nach ~8 Minuten. Das Photon wird ständig gestreut (Random Walk) und braucht ~1 Mio. Jahre aus der Sonne. (§3.2/3.3)
12. Weil die Bahnresonanz mit Europa und Ganymed Ios Bahn elliptisch hält — mal näher, mal ferner von Jupiter, die Gezeitenverformung ändert sich periodisch → Reibungswärme. Zwei Fluten: mondnahe Seite stärker angezogen + mondferne Seite durch den Umlauf um den gemeinsamen Schwerpunkt hinausgeschleudert → zwei Flutberge, unter denen sich die Erde täglich hindurchdreht. (§3.5)
13. Eine Gas-/Staubwolke (Sonnennebel) kollabiert durch Gravitation und plattet (Drehimpulserhaltung) zu einer rotierenden Scheibe ab; im Zentrum zündet die Sonne. In der Scheibe verklumpt Staub zu Planetesimalen (km-große „Bausteine"), diese wachsen durch Akkretion zu Protoplaneten (Vorstufen der Planeten); wer seine Bahn „freiräumt", wird ein Planet. (§3.1)
14. Die Tigerstreifen sind Spalten am Südpol des Enceladus, aus denen Wasser-Geysire (Kryovulkanismus = Eisvulkanismus) schießen. Sie beweisen einen flüssigen Ozean unter dem Eis; im Material fand man Salze und organische Moleküle → Lebenskandidat, und man kann das Ozeanwasser direkt aus den Fontänen beproben, ohne zu bohren. (§3.4)
15. Ganymed ist der größte Mond des Sonnensystems (größer als Merkur) und der einzige mit eigenem Magnetfeld (flüssiger Eisenkern), vermutlich mit unterirdischem Ozean. Callisto ist Ios Gegenpol: weit außen → kaum Gezeiten → kein Vulkanismus → älteste, am stärksten verkraterte Oberfläche, geologisch „tot". (§3.5)
16. Der Tröpfcheneffekt: Durch die Gezeitenkraft (Gravitationsdifferenz nah/fern) wird ein Körper entlang der Verbindungslinie gestreckt und nimmt eine tropfen-/eiförmige Gestalt an. (§3.5)