Class Notes (836,414)
Canada (509,777)
Physics (349)
PCS 181 (141)
Lecture

TIDAL HEATING OF THE MOON

15 Pages
67 Views
Unlock Document

Department
Physics
Course
PCS 181
Professor
Margaret Buckby
Semester
Fall

Description
TIDAL HEATING OF THE MOON 1. Strong gravitational pull from parent planet = Fg 2. Tidal force = difference between Fg on/near far sides of the moon. 3. If the moon has slightly elliptical orbit­ the magnitude and direction of tidal force keep changing. 4. Moon is constantly flexed ▯ warmth! External Sources of Water for Earth • Asteroids • Meteorites • Volcanic water vapour TITAN ⋅ One of the ~60 moons of Saturn ⋅ Has methane lakes ⋅ Thick atmosphere – 200km high (denser than Earth’s atmosphere). Protects surface against radiation. ⋅ 90% N2, CH4 1.4%, Ar, C2H6, and other hydrocarbons. Cassini­ Huygens Mission ⋅ Sent to study Saturn. ⋅ Attached Huygens probe to spacecraft. Cassin performed flybys (mapped surface) 2005:   Huygens probe dropped on Titan. It gave aerial views of hills and forking channels, carved by liquid methane and ethane  (perhaps). • Rocks on Titan= frozen liquid water • Smoggy, chemically active atmosphere, produced by outgassing (perhaps) from Titan’s interior [internal pressure causing  volcanic action] Titan Earth Methane & Ethane lakes Water Ice rocks (water) Rocks (made of minerals) Slushy mix of water ice/ammonia (volcanoes) Lava (volcanoes) Hydrocarbon particles on surface/in rain/in atmosphere ▯smog Soil Dunes of hydrocarbons Sand/snow dunes Atmosphere: 90% N2 Atmosphere: 78% N2 Photochemical haze Ozone UV Light from sun: Dissociates methane in upper atmosphere   ⋅ An organic smog of complex hydrocarbons such as C2H2 (Acetylene) ⋅ And tholins = large, complex, N2 rich organic molecules Continued presence of methane in Titan’s atmosphere:  A surface source of methane renewal. Probably evaporation from methane lakes  OR Methanogens? : organisms that produce methane METABOLISM (Bio­chemical process in life forms) Earth Animal Metabolism: ⋅ Glucose  +  Oxygen  ▯  Carbon dioxide + Water C   H  6 12 O  6 +  2 6O       ▯2   2 6CO   + 6H  O Earth Methanogen Metabolism: ⋅ Carbon  dioxide + Hydrogen ▯ Methane + Water CO  4H  2 2 ▯   4 2 CH   + 2H  O Titan Life Chemistry: Might Titanians use H2 as Earthlings use O2, Methanogenic life on Titan is plausible using the following as an energy source for  metabolism: ⋅ Acetylene +  Hydrogen ▯ Methane  OR   Ethane  +6 2 2 2 4 Hydrogen ▯   2 2 4 Methane C   H  +  3H  ▯  2CH              C  H  + H   ▯ 2CH Photochemical (non­life) models predict that Titan would have a surface layer of many meters of ethane. Therefore, if there exists  depletion of ethane (and acetylene), there would be strong support for uptake by surface methanogens. Cassini­ Huygens Mission 2010 June 2010: Cassini Mission did NOT find a thick layer of ethane predicted by photochemical models.  ⋅ It found less acetylene, ethane and hydrogen than expected: depleted by metabolism of methanogenic life. ⋅ A biological cause for depletion? Microbial extraterrestrial life? ⋅ Huygens was not equipped to detect life forms: panspermia? Microbe­laden rocks from Earth to Titan?  Suitable Conditions for Life on Titan • Many organic molecules in atmosphere • Surface is cold (­180 degrees Celsius) ▯ slow metabolism life forms; could use catalysts to speed up biochemical  reactions. Hypothetical Titan Life forms SILICON CREATURES: ⋅ Might breathe in O2 of H2 but 02 is rare and CO2 is frozen on Titan ⋅ Releases Si 02 or Si H2: would be rigid and slow­moving and slender because of low­gravity. SUITABLE CONDITIONS FOR LIFE ON TITAN: • Icy volcanism= cryovalcanism ▯ eruption of water, ammonia, methane. • Energy to melt subsurface ice comes from tidal fraction? • Maybe a warmer subsurface? Allowing water/ammonia slush which melts at ­95degrees Celsius. • Titan could have an alien chemistry of life. • Methanogen microbes = microscopic life. H2 can combine with gaseous hydrocarbons, C2H2 or C2H6 and release methane  CH4.  • Low gravity and dense atmosphere [only moon with one]­ could support heavy bird­like life forms which might breathe in H2  and releases CH4 ENCELADUS ⋅ One of the ~ 60 moons of Saturn  Atmosphere: 91% water vapour, 4% N2, 3.2% CO2, 1.7% CH4. Low mass of Enceladus ▯atmosphere must be replenished. 2005: Found fresh icy material exiting from long cracks in the southern atmosphere, the make patterns called “TIGER STRIPES:” ⋅ ~130 km long, 2km wide, 500km deep ⋅ Higher surface temperature at ~­93 degrees C, than other regioTs encelad ~­200  degrees C. ⋅ Active tectonics ⋅ Absence of impact, craters, therefore the stripes are “young” Full of Geysers, which means it’s warm inside & has water (this is potential for life) PLUMES/GEYSERS Icy volcanism ▯ geysers of ice, water vapour, methane, CO2, nitrogen, organic molecules, salts (subsurface salty liquid water), SUITABLE CONDITIONS FOR LIFE OF ENCELADUS  Cryovalcanism ▯ surface heat and liquid water could support microscopic life forms  Heat energy to melt interior ice from: tidal friction? Radioactive decay? Unknown process?  Geysers, hundreds of km high, replenish atmosphere and eject water ice vapour and organic compounds We should send a probe to fly through the geysers to collect plume sample to return to Earth and examine for life. (No digging or  landing necessary). Problem with this is: organisms on craft could be a result of probe contamination on Earth. Gravitational Force Newton’s Law ⋅ The more neutrons, the stronger the pull of gravity. The Fg of a 60kg spacecraft, sitting on the surface of Enceladus. The equation:  R= the radius of  Enceladus  (from core to the spacecraft on the surface) -11 20 Fg= (6.37 x 10     )  3 2 (60) (1.2 x 10   )  (249 x 10  )  Fg= 7.75N   (7.4) EUROPA ⋅ One of the ~63 moons of Jupiter Atmosphere: ~100% oxygen, extends 200km high. Earth’s oxygen is produced by life. On Europa it is produced when charged particles hit icy surface and vaporizes ice.   Water vapour splits into oxygen and hydrogen escapes into the atmosphere.  Oxygen remains in atmosphere­ continually replenished SUITABLE CONDITIONS FOR LIFE Subsurface oceans indicated by: 1. Lack of impact craters. (Young surface from oozing slush below?) 2. Surface broken into huge moving ice blocks ▯ churned by sloshy water below? 3. Salt exists on the surface, salty ocean (good place for extremophiles 4. A salty ocean (creates a magnetic field if moving­ pull of Jupiter conducts currents) melted Europa’s interior. 20­ 25 km of thick  ice. Ocean ~100km deep ENERGY TO SUPPRT LIFE: 1. From chemical reactions near deep­ocean floor vents may not exist. (hypothesis only) 2. From potassium decay? Potassium (K) is in rocks on the ocean floor of Earth. 40K ▯ 40Ca + e­ + V + energy      [V= neutrino, almost O mass, moves at almost the speed of light Cannot get energy from the sun  1. Heat (O2 goes into the atmosphere, Hydrogen goes into space) 2. Radioactive decay – H2O2 (Hydrogen peroxide remains and smaller amounts of other molecules) If these molecules filter into the subsurface ocean, they could provide energy for oceanic life forms ▯ into vents & down into oceans 3. Not much energy is available to support macro­life, but maybe microbes exist. We need to send a lander to determine whether  an ocean exists and to search for organic molecules, amino acids and microbes.  ESCAPE VELOCITY The V  escfrom earth is 11.2 km/s What is the V  escfor a 100kg spacecraft on Europa? 1/2 V esc= 2Gm  m= mass of the object you are trying to escape and radius of the same              R -11 27 1/2 = 2(6.67 x 10    ) (4.97 x 10 kg)  6 1.565 x 10  m  = 2058m/s = 2.06km/s Life in Our Galaxy Birth of Stars  Scenario Consider: they are giant, interstellar and cold, molecular H2 cloud ⋅ ~tens of light years across ⋅ Can contain (10­4 – 10­6)times the mass of the sun ⋅ Gravitational force is proportional to mass Fg= ((G M1M2) / R2)) ⋅ Random particle fluctuations in the cloud act as gravitational force to attract more material ⋅ Contracting condensates in cloud, dissipate their gravitational energy, as heat (infrared radiation­ longer wavelength). Any  particle around will be in the pull of its gravity.  Sun’s name is Sol, hence solar wind Stuff from another star= stellar wind, stella = star Material falling onto a condensate  Internal heat and shock waves  H2 molecules dissociate This contracting object is a PROTOSTAR. The core of a protostar = the central 10%­15% ▯Core reaches 10 million K. =10 x 10 to the 6 K = 1 x 10 to the 7 K Hydrogen based nuclear reactions begin in core: A star is born The strong nuclear force­ particles with same change coming 10 to the ­15m of each other they will. A Main Sequence Star has: ⋅ H based nuclear reactions in the core ⋅ 4H ▯ He + energy ⋅ The entire birth process for an average star takes 10 to the 6 – 10 to the 9 years. ⋅ The process is faster for a massive star­ ~10 to the 5 years T­core > 10 x 10 (to the 6) K ▯ Hydrogen fusion nuclear reactions in the core, Helium build up in core. ⋅ A star spends its life in a delicate balance between outward radiation pressure and inward gravitational pull. Hydrostatic  equilibrium­ if reactions stop, star collapses. ⋅ ~ 90% ­ 95% of stars are Main Sequence: including our Sun.  END OF STAR FORMATION ⋅ Stars form a vast interstellar H and He clouds. As the Universe ages Hydrogen is being transformed into heavier elements  inside the stars. ⋅ Hydrogen component of the Universe is always decreasing while the abundance of heavier elements are increasing. ⋅ Eventually new stars will cease to form and the stelliferous era will end. Core Accretion Theory 1. Protostellar cloud contracts ▯ star and disk of gas and dust 2. Some atoms in disk bond= condensation ▯ “seeds” of planets 3. “Seeds” gently collide and stick together via forces: electrostatic and / gravity. 4. Process continues until a planetary mass Extra Solar Planets 1992: first two exoplanets discovered in orbit around a pulsar (PSR B1257 +12). Massive stars leave behind neutron star (pulsar) or  black hole when it dies in a supernova explosion. 1995: 51 Pegasi b = first exoplanet in orbit around a main sequence star.             Discovered via radial velocity method. It is a “hot Jupiter” gas giant. Not like Earth Today: >850 confirmed exoplanets ▯ they are plentiful BUT most discoveries are hot Jupiters because they’re easy to see. They have  high surface temperatures because it orbits close to parent star (0.015 to 0.5 AU).  Our Jupiter is 5.2AU from the Sun Detection of Extra solar Planets Radio Velocity: star would just move without any gravitational pull from a planet Star moves away­ red shifted, moves towards us­ blue shifted Shifting ▯ star is moving alternately toward and then away ▯ gravitational pull of an unseen planet. Most planets are several times the  mass of the earth In lab, H gamma has wavelength = 434nm. In spectrum of a star, this same line has wavelength of 434.03nm. Detection of extra solar Planets 1. Transit Method: Planet passes in front of star; we observe changes in star’s brightness.  Three periodic light dips confirm the  planet is present.   Red dwarf stars are good search candidates because you can see dip in the light as planet passes  2. Direct imaging ▯ host star and exoplanet are spatially resolved  Glare of parent star makes it extremely difficult to see the planet. We have images of a few exoplanets  Red Dwarf Stars ⋅ They are main sequence star (fusing hydrogen to helium in core): 4H He + energy  ⋅ Small and lightweight (0.1 to 0.5 the mass of the sun)  ⋅ Live for ~100 billion years ⋅ Cool (2000K­ 3000K on surface) ⋅ Most abundant type of star, more search targets ⋅ Dimmer than larger stars ▯ easier to detect reflected light from nearby planets ⋅ Nearby exoplanet ▯ many transits over a short time ⋅ Habitable zone would be ~1/50 AU Kepler Space Telescope ⋅ Launched in 2009 into heliocentric orbit (Helios­ Greek name for sun). Keeps a fix on 170 000 stars simultaneously seeks  Earth­like planets in Goldilocks zone.  James Webb Telescope ⋅ To be launched in 2018 ⋅ Infrared  optimized (too much dust in the galaxy)▯ can see through the dusty clouds in space ⋅ Observe star/planet formation Able to detect oxygen, ozone, water and CO2 on exoplanets Transit spectroscopy Parent star’s light passes through exoplanets’ atmosphere.  Take spectrum of light of star and again when planet passes star. Atmosphere will let light pass through it. Subtract the 2 and  left with planet’s atmosphere Gliese (multi­planetary system) 581g ⋅ Orbits the red dwarf star, Gliese 581 ⋅ 20.3 ly from us ⋅ Mass ~ 3 ­4 times the mass of the Earth ⋅ Radius ~1.5 the radius of the earth ⋅ Year = 37 days ⋅ Found by radial Velocity  ⋅ Rocky planet ⋅ In the center of its habitable zone  ⋅ Gravity sufficient to retain an atmosphere ⋅ Not properly aligned for transit method – no info on atmosphere. Kepler­22 b ⋅ Orbits a G­type star (like our Sun),  ⋅ Host star is G5 ▯ sun­like (G2)… but a bit cooler ⋅ 600 ly from us ⋅ Mass ~6.4 times the mass of the earth (perhaps?) ⋅ Radius ~ 2.1 R earth ⋅ Year = 290 days o Detection method: Transit (Kepler telescope) ⋅ In the habitable zone ⋅ Type of planet is unknown. (Rocky? Gaseous? Liquid?) ⋅ No info on atmosphere Gliese 1214b  ⋅  [email protected]  ⋅ Detection method: Transit ⋅ 42 ly from us ⋅ T surface ~520 K ⋅ Mass = 6.36 times the mass of Earth  ⋅ Density = p ~ 1870kg /m cubed ⋅ Mostly wate
More Less

Related notes for PCS 181

Log In


OR

Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


OR

By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.


Submit