Aardwetenschappen
1 Inleiding
1 Inleiding
Geologie als wetenschap
Geografie = hedendaagse interacties tussen mens en het milieu op Aarde (mens centraal)
Geologie = evolutie van de Aarde en het leven
Op de kaart door Charles Lyell
De maatschappelijke relevantie van geologie
Natuurlijke rijkdommen
Natuurlijke gevaren
Fossiel brandstoffen
2 Curriculum vitae van de Aarde
Aarde is uniek in zonnestelsel:
▪ Enorme diversiteit aan leven → stabiele, gunstige atmosfeer
▪ Vast, vloeibaar en gasvormig water → afstand zon – Aarde gunstig
▪ Onderscheid tussen oceanische en continentale lithosfeer → platentektoniek
Third Rock from the Sun
Aarde ligt in bewoonbare zone van zonnestelsel, evenals Mars = Goldilocks Zone (0,8 – 2,5 AU)
Goeie T voor vloeibaar water
Kenmerken Aarde:
▪ 30% land – 70% water
▪ Topografie: vlaktes – gebergtes – valleien
▪ Bathymetrie = variatie in diepte op de zeebodem: abyssale vlaktes – spreidingsassen (ruggen) –
diepzeetroggen – fracture zones (in de ruggen)
▪ Verdeling hoogteligging relatief met oppervlakte op hyposometrische curve
▪ Continent = groot en bathymetrisch geïsoleerd gebied → 7 continenten (Zeelandia, Eurazië, Antarctica, …)
▪ Niet alle lithosfeerplaten bevatten continenten
▪ Continent kan ook op twee lithosfeerplaten liggen zoals Zeelandia
,Levensloop
Geologische tijdschaal:
▪ k = kilo = duizend jaar
▪ M = mega = miljoen jaar
▪ G = giga = miljard jaar
Achtervoegsel ‘a’ voor een tijdstip, achtervoegsel ‘y’ voor een tijdsduur zoals ijstijd
Laatste 541 Ma = eon = Fanerozoïcum, met 3 eras: Zoïcum verwijst naar
‘levend wezen’
▪ Paleozoïcum (541 – 252 Ma)
▪ Mesozoïcum (252 – 66 Ma)
▪ Cenozoïcum (66Ma – nu)
Periodiciteit van geologische processen:
▪ Quasi-periodische processen
o Aardrotatie dag/nacht
o Omwenteling rond zon seizoenen
o Door bovenstaande + effecten van de maan + Milankovitch cycli (hfst 3)
▪ Niet-periodische processen
o El niño
o Meteorietenregens
o Herhaling maar niet regelmatig
▪ Gebeurtenissen
o Herhalingstijden obv historische waarnemingen
o Kansrekening
o Vulkanische erupties, meteoriet inslagen, aardbevingen
Anatomie en metabolisme
Aardse sferen
Geosfeer = vaste Aarde
▪ Korstgesteente = graniet (gemiddeld)
o Oceanische korst = homogeen
o Continentale korst = heterogeen
Soort korts Dikte Ouderdom Typerende chemische elem. Massadichtheid
Continentale korst Dikker Ouder Silicaten en aluminium Minder dicht
Oceanische korst Dunner Jonger Silicaten en magnesium Dichtst
▪ Mantelgesteente = periodiet = donkere vaste silicaatgesteenten
o Homogeen, plastisch
o Bovenmantel
o Ondermantel
, ▪ Kern (32% massa-aandeel Aarde, hoge dichtheid)
o Buitenkern = vloeibaar uit metallische smelt
o Binnenkern = vaste legering met ijzer en nikkel
Dichtheid van gesteente loopt op naar binnen toe
▪ Moho-discontinuïteit = grens tussen de aardkorst en de aardmantel
▪ Gutenberg-discontinuïteit = grens tussen de aardmantel en de kern
Onderverdeling obv rheologie = vloeibaarheid en vervorming
Laag Temperatuur Toestand Wat
Lithosfeer Kouder Vast en plastisch, Korst en deel bovenmantel
breekbaar
Asthenosfeer Warmer Elastisch, vervormbaar Rest van de bovenmantel, smeerlaag
waarop lithosfeer horizontaal en verticaal
kan bewegen
Hydrosfeer = oceanen, riviere, meren, bodem grondwater,…
Regelt samen met lithosfeer de watercyclus
Cryosfeer = opgeslagen water als ijs, sneeuw, gletsjer, ijskap, permafrost,….
Belangrijk bij ijstijden, tussentijden, link met hydrosfeer
Atmosfeer = laag van gassen die door een zwaarteveld aan de planeet zijn gebonden
De sterkte van het veld is zeer belangrijk, erbuiten exosfeer
,Biosfeer = som van alle ecosystemen + interactie met litho-, hydro-, atmo- en cryosfeer
Technosfeer = alle materiële producten van menselijk ondernemen
Dit gaat heel vel zoals ook GGO’s, bospaden, vervlochten met alle andere sferen
Luidt nieuwe geologische tijdseenheid in: het Anthropoceen (Epoch)
Energiebronnen van de Aarde
Zwaartekracht speelt significante rol
Externe energie
▪ Afhankelijk positie zon
▪ Reflectie, absorptie in atmosfeer
▪ Bepaald klimaat
▪ Cryosfeer reflecteerd zonnewarmte (albedo) → drijft atmosferische circulatie aan → drijft oceanische
circulatie aan (vooral aan opp) → herverdeling energie en warmte op aarde
Interne energie
▪ Thermodynamische machine
▪ Accretiewarmte = overblijfsel van vorming van de aarde (20%) + meteorieten of kometen
▪ Radiogene warmte = door radioactief verval in de kern → sturen platentektoniek
▪ Latente warmte = warmte nodig om een stof een overgangsfase te doen ondergaan (T en P constant)
2 Ontstaan van de Aarde
Ontstaansgeschiedenis van de Aarde
Alle planeten liggen in het eclipticavlak rond de zondag
Massa zon = 99,8% van het Zonnestelsel
Planeet = object dat rond de zon draait en zijn omgeving heeft vrijgemaakt voor andere objecten
▪ Aardse planeten = klein, dicht bij de zon gelegen, metallische kern omring met gesteentemantel
▪ Joviaanse planeten = groot, gas en ijsreuzen = 71% van de 0,2% = volatiele materie
Ruimteobjecten:
Maan: relatief groot object dat door planeet wordt aangetrokken en errond blijft draaien of opgenomen wordt
Asteroïden: 1cm – 930 km, kunnen overal voorkomen, meestal in gordels
IJsobjecten: zeer klein tot grootte van dwergplaneten (Pluto), bevatten waterijs, CO2, CH4, NH3
→ in de Kuiper Gordel met KBO’s → meeste kometen komen van hier (zijn niet altijd ijsopbject)
Protoplaneet: asteroïden groter dan 100km diameter, zwaarteveld zorgt voor baanverstoringen
Ontstaan heelal en Zonnestelsel
,Big bang = nucleosynthese
Alles komt uit 1 punt 13,75 Ga geleden = singulariteit
▪ Zeer warm en hoge druk
▪ Uit E = mc → uit energie en lichtsnelheid is massa ontstaan
▪ Pas na enkele minuten begon het heelal te expanderen aan een ultrasnelle expansie
▪ Afkoeling naarmate expansie vordert
▪ Alle elementen met atoomnummer lager dan 5 gevormd in 1ste 5 minuten
▪ Atomen en gevormde moleculen accumuleren tot gaswolken of nevels = nebulae
▪ Materie uit de initiële gaswolk gaat afkoelen en condenseren tot vloeistof of vaste stof = gefractioneerd
o Refractaire materie = vaste stof die smelt bij hoge temperaturen (dicht bij zon)
o Volatiele materie = kan als gas op de Aarde bestaan, ook in ruimte tot dicht bij zon, ver = vast
▪ Enorme massaconcentratie → trokken andere massa aan
▪ Zwaartekracht implodeert en gassen worden samengedrukt onder hoge dichtheid
▪ Krijgt zeer hoge temperaturen + protoster dat licht begint te produceren (800 My na Bing Bang)
▪ Zeer zware ster = korte levensduur → supernova na imploderen
▪ Genereert meer warmte en verspreidt massa en zwaardere elementen
▪ Doet nieuwe sterren ontstaan = supernova nucleogenese met zwaardere elementen
Tijdens levenscyclus van een ster: stellaire nucleosynthese
Vorming andere 87 elementen
Blijven in ster tot supernova of worden weggeblazen door zonnewinden
Verklaring dat onze zon een 4de of 5de generatie is (zwaardere elementen aanwezig)
Hoe meer supernova’s er in eenzelfde buurt achter elkaar gebeuren hoe meer elementen en hoe zwaardere elementen
gegenereerd zullen worden
Accretie is in de sterrenkunde het proces waarbij materie samentrekt zodat
er uit veel kleine deeltjes een aantal grote ontstaan.
Planetenvorming uit een extreem klein aandeel elementen die niet in de zon zijn terechtgekomen
Deze zijn over de rest van het zonnestelsel weggeblazen tijdens T-tauri stadium van onze zon
= nog geen warmteproductie, komt pas na 50 My op gang, zal dan ook straling beginnen produceren
Gigantische zonnewinden tijdens dit stadium (miljoen x sterker) → materie verspreiden
Planeetvorming
Planetesimalen tot protoplaneten
Door rotatie Zoonestelsel plat de gaswolk af
Krijgt protoplanetaire schijf (komt overeen met eclipticavlak)
Door toenemende accretie → massaconcentratie stijgt aan rotatieas → traagheidsmoment daalt
Hierdoor verhoogt de hoeksnelheid → nog meer afplatting
Productiviteit van Zon begin en neemt toe
Vorstlijn (grens waar volatiele materie ijs wordt) schuift op, materie dicht bij zon verdampt
Wordt verder van de protoplanetaire schijf geblazen door zonnewinden → herverdeling materie
Zwaartekracht scheidt gas, kosmisch stof en ijs in concentrische ringen met grotere dichtheid tijdens die
herverdeling → banen voor latere planeten
Krijgt binnen ringen cloudlets (gravitatie wolk) → kosmisch stof klit samen tot planetesimalen door gravitatie
→ trekken door zwaartekracht nabije objecten en alles op baan aan = planetaire accretie
Bij 100km diameter wordt het een asteroïde, de reuzen zijn protoplaneten
Protoplaneten hadden allemaal zelfde samenstelling (gondrieten met diameter > 100km)
, Differentiatie van Aardse planeten
De Aardse platen zijn ontstaan uit
▪ Homogene planetaire accretie
▪ Gefractioneerde condensatie (refractaire materiaal bij gasreuzen miniem en bezonken nr centrum)
▪ Planetaire differentiatie van protoplaneet
o Volledig homogene samenstelling → 3 concentrische sferen (kern, mantel, korst)
o Eerst homogene Aarde
o Tijdens Hadeaan massaal meteoriet bombardement
o Krijgt magma oceanen + energie en warmte overgedragen van meteoriet → hoge temperatuur
o Oppervlakte smelt → ijzer zakt naar de bodem waardoor je ijzerkern krijgt
o Kan omdat ijzer een grotere dichtheid dan de omgevende visceuze, vaste, silicaatmassa heeft
o Ook bij Venus, Mercurius en Mars gebeurt
Vorming van de Maan
= gesteente fossiel → de gesteentes op de maan blijven onveranderd
3 hypotheses
1. Afgescheiden van de Aarde door snellere rotatie bij accretie impulsmoment theorie
2. Maan is dubbelplaneet die terzelfde tijd ontwikkelt is geen ijzer in de kern, niet zelfde samenstelling
3. Meteoriet slaat in en Maan = Theia ontstaat rond Aarde → geen ijzer want is al gezakt naar de kern
er wordt een dunne korst op het maanoppervlak gevormd maar nog meteorietinslagen
slaan door de dunne korst in de magma oceaan op de maan eronder
=> door inslagplaats stroomt magma en je krijgt basalt → vormt een maria (ijzer errin)
+ inslagkraters toen de korst wel al dik genoeg was
Langst kant die we altijd zien zitten er marias, aan andere kant niet
We kijken altijd naar zelfde kant door de grote massaconcentratie aan die kant = tidal locking, rotatie maan dus ongeveer
even rap als ons
Marias = grote rode vlekken op dichtheidskaart = hogere dichtheid (positieve zwaartekrachten), ookal is er daar een grote
massaconcentratie, het oppervlak buigt niet door want maan heeft zeer dikke lithosfeer (geen isostatische compensatie)
Andere kant van de maan voornamelijk Terrae = hoogland met veel verspreide kraters (al na stolling van binnenste)
Lesvideo 2: 1:13:00 korte samenvatting van voorgaande
Boodschappers uit de ruimte
Meteorieten
Meteoroïde = eender welk object dat vanuit de ruimte in de atmosfeer terecht komt + branden op
Dit geeft aanleiding tot een lichtflits = meteoor
Meteoriet = grotere exemplaren die exploderen of neerstorten
Niet gedifferentieerde meteoriet Primitieve bouwstenen van zonnestelsel = chondrieten
Gedifferentieerde meteoriet Planeetvorming ondergaan, opgenomen in schaalvorming van
een planeet
Chondrieten = meest primitieve, niet-gediferentieerde, stenige meteorieten
→ alle andere protoplaneten zijn hieruit ontstaan, ze bevatten chondrulen (zeer klein)
→ perfecte analogen van de primitieve chemische samenstelling van pas ontstaan zonnestelsel
, Chondrulen ontstaan door druppelvormige (door zwaarteveld) smeltvorming in de gaswolk
IJzermeteorieten = gedifferentieerde, metallische meteorieten
→ hoogstwaarschijnlijk uit kern protoplaneet
→ hebben Widmanstätten = gekruist, bandvormige patronen (na zuur)
Mesosiderieten en pallasieten = gedifferentieerd, gemengde meteorieten
→ ijzer en silicaatkristallen (= olijven)
→ Pallasiet uit grens kern – mantel (gele silicaatkristallen in ijzermatrix)
→ Mesosiderieten = basaltisch mineraal (korst) met ijzer (kern)
Meerdere meteorietinslagen? Meerfasige oorsprong? Hoe komt ijzer er anders
Achondrieten = gedifferentieerd, stenige meteorieten
→ uit mantel en korst, sterk lijkend op aardse basalten
→ Maan- en Marsmeteorieten (relatief jonger dan Achondrieten)
Examenvraag: Wat is het belang van de classificatie van meteorieten en wat schuilt erachter
Het bewijst hoe het binnenste van onze planeten tot stand is gekomen, en je kunt het ontstaan ervan er ook in
zien
Kometen
= relatief kleine hemellichamen (planetesimalen), bestaand uit ijs en gesteenten
Kometen komen uit kuipergordel maar ook uit de Oort’s wolk
Door een ander zonnestelsel uit baan geslingerd naar de zon
Oort’s wolk bevindt zich buiten de heliosfeer, nog steeds aantrekking zon
▪ Korte periode kommeten → elliptische baan rond zon beschrijven (uit Kuipergordel)
▪ Lange periode kometen → parabolische – hyperbolische baan (rand zonnestelsel)
Een komeet nadert de zon en het ijs gaat sublimeren → uitstoting gassen en stof (licht door ontploffing
Stofdeeltje verstrooien het zonlicht → krijgt coma (lumineuze nevel rond komeet) in kern)
Indien actieve komeet → 2 staarten weg van de zon (geïoniseerde gassen
CO en CO2 zullen voor een hevigere staart zorgen (vluchtiger dan water)
Zijn kometen de reden voor water of leven op aarde? Ze bevatten bouwstenen voor leven alleszins
+ ze zorgen voor de vluchtige bestandsdelen hier op Aarde asteroïden niet
Ontstaan hydrosfeer en atmosfeer op Aarde (ploften even massaal hier neer als asteroïden)
Deel raakte ook in de korst en mantel, diffundeert nog steeds langzaam naar buiten
In Chondrieten zaten genoeg elementen voor een biogenese -> leven
Impacten
Er zijn nog maar een paar kleine incidenten gebeurt
, Meteoriet van 1km kan verwoestend zijn
Bewijzen voor de meteorietinslag
▪ Overal ter wereld aslaag afzetting gevonden met Iridium, moest buitenaards zijn
▪ Glasbolletjes op Haïti gevonden
▪ Stukken oceaankorst met megatsunami afzettingen
3 Atmosfeer en Hydrosfeer
Energiebalans van de Aarde
Bewegingen van de Aarde
Insolatie is afhankelijk van de breedteligging
Maximale energiedichtheid zal niet op de evenaar liggen, maar op de Kreeftskeerkring of Steenbokskeerkring
want rotatie-as van de Aarde staat schuin 23,5° (met omwentelingsas)
Insolatie wijzigt doorheen het jaar → seizoensgebonden
Aarde beschrijft ellipsvormige baan rond zon met zon in een van de brandpunten
▪ Perihelion dichts bij de zon (niet met zomer of winter te maken)
▪ Aphelion verst van de zon
▪ Zonnewende
o Noordelijk halfrond max belicht zon loodrecht op Kreeftkeerkring (zomer in N)
o Zuidelijk halfrond max belicht zon loodrecht op Steenbokskeerkring (winter in N)
▪ Equinox zon loodrecht op evenaar → dag = nacht
Coriolis effect zorgt voor de verdeling van energie
Alles ondervindt hier effect van: water, vliegtuig, lucht,..
Energiebudget van de Aarde
30% van invallend licht wordt weerkaats = albedo (witheid)
Albedo van ijs, sneeuw, woestijnzand, water (absorbeert ook)
19% geabsorbeerd door wolken
51% geabsorbeerd door oppervlak
Uitgaande energie: energie terug gestraald door water, land, ijs,.. = infraroodstraling
Eerste 10m in oceaan = fotische zone, 80% licht geabsorbeerd en omgezet in warmte, belangrijke energiebron
Water heeft hoge warmtecapaciteit (vijf maal hoger dan gesteente), geeft warmte langzaam af --> warm in de winter
Op tropen meer ingaande dan uitgaande energie polen (door hoge albedo)
Herverdeling van de energie via de atmosfeer en de oceanen = thermodynamische machine
Van de evenaar naar de polen toe
, De Aardse atmosfeer
Samenstelling atmosfeer
Eerst H en He, nu N2 (78%), O2 (21%), ….., broeikasgassen (1%)
Broeikasgassen zijn nodig voor behoud van warmte, leefbare wereld + weerkaatste infraR hier houden
Ozon belangrijk voor absorptie van UV straling (30km hoogte)
Hoogte Naam laag Temperatuur Kenmerken
500 – 1000 km Exosfeer Stijgt Satellieten
De warmte wordt niet als warmte ervaren
85 – 100 km Thermosfeer Stijgt ISS
Poollicht: botsing zonnevlam met atmosfeer
grootte afstand van moleculen, geen wrijving
thermopauze Intrinsieke Epot zeer hoog → temperatuur stijgt
50 – 85 km Mesosfeer Daalt Meteorieten branden hier op omdat de dichtheid
van gassen al groot genoeg is, slechts enkele
gassen aanwezig, geen circulatie/absorptie →
stratopauze temperatuur daalt
10 – 50 km Stratosfeer Stijgt Temperatuur stijgt door absorptie van Uv-straling
door de ozonlaag die in warmte wordt omgezet
Ozonlaag 15 – 30 km
tropopauze 0 – 10 km Troposfeer Daalt Wolken en het weer
Broeikaseffect: troposfeer absorbeert infrarode
straling waardoor er leefbare temperatuur is
Dynamisch + energieverdeling + atmosferische
circulatie, op evenaar (18km), pool (5km)
90% van alle gassen zitten onder de 15 km → door zwaartekracht, samendrukking
CO2 maar ook de druk is belangrijk voor een broeikaseffect → leven
Atmosferische circulatie
3 atmosferische cellen
▪ Polaire cel: easterlies
▪ Ferrel cel: westerlies
▪ Hadley cel: pasaatwinden
Inter Tropische Convergentie Zone = ITCZ
Je krijgt wind bij verplaatsing van een hoge naar lagedrukgebied
, Hoge en lagedrukgebieden wijken af van de lijnen door
▪ De tilt van de aardas
▪ De verdeling van de continenten op Aarde waardoor dynamiek van de opwarming aangepast wordt
▪ Water zal een enorm belangrijke rol spelen met zijn hoge warmtecapaciteit
▪ Landmassa is niet gelijk verdeelt met de oceaanoppervlakte
Hij zal op het examen spelen met de verschillende
winden en eigenschappen + locatie N of Z
De intertropische convergentiezone
▪ Front waar de noordelijke en zuidelijke passaatwinden samenkomen
▪ In juli neigt de ITCZ naar de Kreeftskeerkring toe, de drukgordels verschuiven 15° naar boven van gwn stand
▪ In januari meer naar de Steenbokskeerkring, de drukgordels verschuiven 15° naar beneden van gewone stand
==˃ Plaatst van de ITCZ wordt dus meebepaald door de zonnestand, ITCZ op evenaar tijdens equinoxen
Bij de polen botsen de westerlies tegen de oosterlies → convergentie
Ontstaan van polaire front, lucht stijgt → subpolair lagedrukgebied
Lagedrukgebied voert warme luchtdeeltjes naar boven tot aan basis stratosfeer waar ze divergeren
Het zuigt deeltjes aan die in tegenwijzerzin draaien op NH → cyclonale beweging
Lucht stijgt op hierdoor en koelt af → waterdamp condenseert
Daarom lagedrukgebied gekoppeld aan bewolkt en regenachtig weer
Net het tegenovergestelde voor hogedrukgebied + anti cyclonale beweging (wijzerzin op N)
Hogedrukgebied, opwarming door compressie bij daling van deeltjes, krijgen snelheid, wrijving,
droog en mooi weer
De Aardse hydrosfeer
