Astronomie und Gravitation

Präzession der Erde

Die von der Sonne auf die Erde wirkende Gravitationskraft gleicht sich zwar insgesamt mit der Fliehkraft, die durch die Drehung der Erde um die Sonne  entsteht, aus. Doch näher genauer betrachtet ist es leicht ersichtlich, dass auf der sonnenzugewandte Seite der abgeplatteten Erde die Gravitationskraft überwiegt (Fg = GMm/r², und auf der sonnenabgewandten Seite wiederum eine gegengleich resultierende Kraft (Fi = mw²r).

Aus den beiden Kräften entsteht ein Kippmoment und somit eine Präzession der Erdachse, die Erde durchläuft innerhalb von 26000 Jahren (= 1 Platonisches Jahr) einen Kegelmantel. Ihre Neigung gegen die Ekliptikebene bleibt unverändert jedoch Himmelspole sowie der Frühlings- und Herbstpunkt werden langsam verschoben.

Wie entstehen die Gezeiten?

Der Mond und Erde drehen sich innerhalb eines 2Körpersystems um einen gem. Massenmittelpunkt S der aber innerhalb der Erde liegt. Durch die Anziehungskraft des Mondes verzerrt sich der Wassermantel auf der Erdkugel an der Mond zu- und abgewandten Seite ( Gezeitenkräfte.. > Ebbe & Flut).

Würde der Mond sich genauso schnell um die Erde drehen wie die Erde um die eigene Achse, wären diese Gezeitenzonen immer am gleichen Ort und der Wasserspiegel würde sich nicht andauernd heben und senken, womit man die Gezeiten auch gar nicht mehr bemerken würde.

Aber nicht nur der Mond, sonder auch die Sonne hat Auswirkungen auf die Gezeiten. Sie ist zwar viel schwächer, aber sie kann die Anziehungskraft das Mondes entweder unterstützen (Springflut) oder ihr entgegen wirken (Nippflut).

Der regelmäßige Unterschied des Wasserpegels an manchen Küsten (nur am Meer erkennbar, nicht auf Binnengewässern) kann auch für Energieerzeugung genutzt werden Gezeitenkraftwerke).

Das Sonnensystem

Die Zusammensetzung:

Aus der Sonnenstrahlung kann man erkennen aus welchen Atomen die Sonne besteht.

90% H-1-Atome

9%He-4-Atome

und nur 1% andere Atome

Die 9 großen Planeten haben teils eine ganz andere Zusammensetzung, jedoch ist ihre Gesamtmasse nur 0,13% der Sonnenmasse. Die Sonnenzusammensetzung zeigt die relative Häufigkeit der Elemente im Sonnensystem.

Alle Planeten umlaufen die Sonne auf derselben Ebene (Ekliptikebene). Auch die Achsendrehung ist bei allen gleich - bis auf die Venus: sie ist retrograd (gegenläufig).

Das zeigt, dass alle Teile des Sonnensystems gemeinsam aus der selben Urmaterie entstanden sind und nicht die Sonne die Planeten als Fremdkörper eingefangen hat.

Die Entstehung:

Das Sonnensystem entstand ca. vor 4,6 Milliarden Jahren aus einer riesigen Gas und Staubwolke. Weil die Temperatur nur -220 °C betrag, waren nur mehr Wasserstoff und Helium gasförmig. Die anderen Stoffe waren fest.

Die zwischen den Teilchen wirkende Gravitation zog die Teilchen zusammen. (Die Erde kann durch ihre Gravitationskraft bereits das Entweichen von Luftmolekülen verhindern. Jedoch bei kleinen Gasmengen wie wir sie in der Technik benutzen funktioniert dies nicht). Die Teilchen werden durch die Gravitationskraft beschleunigt. Es entsteht Gravitationsenergie, die in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Die Temperatur steigt daher, vor allem im Zentrum. Das Gas wird komprimiert und die Temperatur steigt. Daher wird der Gasdruck größer und bewirkt die Ausdehnung des Systems bis schließlich ein Gleichgewicht zwischen der Kontraktionswirkung der Gravitation und dem Expansionsbestreben des Gases erreicht wird.

Der heiße Gasball gibt aber nun ständig Energie durch Strahlung ab, die er durch Freisetzung weiterer Gravitationsenergie (Kontraktion!) decken muss. Weil durch diese Abstandsverkleinerung der Gravitationsdruck wächst, muss zur Erhaltung des Gleichgewichts auch der Gasdruck durch weiteren Temperaturanstieg zunehmen. Die bei der Entstehung der Sonne aus einer Gaswolke freigesetzte Gravitationsenergie diente teils zur Aufheizung der Sonne, teils wurde sie abgestrahlt (zur Hälfte).

1850 erkannte man, dass die Sonne mit der verfügbaren Gravitationsenergie nur 30 Millionen Jahre strahlen konnte. Geologische Befunde zeigen aber, dass die Sonne schon seit einigen Milliarden Jahren unverändert strahlt.

1930 fand man die Lösung dieses Rätsels:

Sobald im Sternzentrum eine Temperatur von etwa 10⁷ °C erreicht wird, setzt die Kernverschmelzung ein. Dabei wird aus 4 Wasserstoffkernen 1 Helium-4-Kern gebildet. In ihm sind die Kernteilchen besonders fest gebunden. Die Energiefreisetzung ist durch dieses Wasserstoffbrennen enorm groß, die Sonne kann so noch weitere Milliarden Jahre unverändert strahlen.

Ein Stern wie die Sonne kann nur entstehen, wenn im Zentrum die zur Kernverschmelzung nötige hohe Temperatur erreicht wird. Dazu ist eine gewisse Mindestmasse nötig (0,2 Sonnenmassen).

Da der in der "Urwolke" enthaltene Drehimpuls erhalten bleibt, wächst die Winkelgeschwindigkeit der Rotation während der Kontraktion ständig. Ist L=0, reißt der Fixstern alle Materie an sich. Ist L sehr groß, so kann kein einzelner Stern entstehen, da er so schnell rotieren müsste, dass er durch die Fliehkraft zerrissen würde. Also entstehen Doppelsterne (der Drehimpuls steckt dann nicht in der hohen Achsendrehung, sondern in der Bewegung um den gemeinsamen Massemittelpunkt).

Unser Sonnensystem enthält einen mäßigen Drehimpuls; durch die Rotation wurde es abgeflacht. Die Fliehkraft bewahrte einen teil der Masse des Systems nicht von der Sonne verschlungen zu werden. Diese Materie ordnete sich in Ringen an; die festen Teilchen bildeten eine große Anzahl sehr kleiner Körper, die sich zu wenigen großen Planeten vereinigten.

Diese Entwicklung von der Urwolke bis zu dem Sonnensystem wie wir es heute kennen dauerte etwa 100 Milliarden Jahre.