T2 - Leerkern 1 – Het ontstaan van de aarde
LEERDOELEN
De processen die kunnen hebben geleid tot de huidige samenstelling van de aarde toelichten en kort
beschrijven.
Accretiemodel: gaat uit van het ontstaan van het zonnestelsel vanuit zonnenevel.
99,9% van de materie verdichtte zich tot de zon. Door steeds groter worden zwaartekracht bewegen deeltjes
zicht richting het centrum. Door dit samentrekken van interstellaire gas- en stofwolken en zelfcompressie van de
materie wordt potentiële energie omgezet in warmte. Druk en temperatuur lopen hoog op, kernfusie komt op
gang.
Restant van de materie koelt af, er condenseren een aantal vaste verbindingen die samenklonteren tot
planetesimalen. Nadat zo planeet aarde gevormd was, volgde een periode van opwarming en vond differentiatie
van de materie plaats.
Met behulp van gegevens over aardkorst en mantel (abundanties en analyses), de relatieve depletie van
een element eenvoudig berekenen.
Totale massa aarde is bekend, evenals de verhoudingen van de abundanties. Daarmee is, wanneer van een niet-
vluchtig element het totale gehalte in de aarde bekend is, om te rekenen hoeveel er van ieder ander niet-vluchtig
element in de aarde zou moeten voorkomen.
Hoeveelheid Si gebaseerd op mineralogische analyse = gehalte siliciumoxiden in mineralen (niet de vrije SiO2-
kwartskristallen). Inclusief vrije SiO2-kwartskristallen = chemische analyse.
Massapercentage SiO2:
Aardkorst 65%
Aardmantel 45%
Aardkern 0% (Si is een sterk lithofiel element, vandaar aangenomen dat aardkern geen Si bevat.)
Moleculaire massa (u) SiO2 = 1x28 + 2x16 = 60
28:60 x massa korst of mantel x massapercentage (0,65 of 0,45) = gram Si
1 mol Si weegt 28 gram
Gram Si : 28 = mol Si
Aangeven welke energiebronnen hebben bijgedragen aan de opwarming van de pasgevormde aarde.
- Kinetische energie meteorietenbombardement.
- Vrijkomende potentiële energie bij de compressie onder invloed van de toenemende zwaartekracht
- Vrijkomende potentiële energie bij differentiatie van de materialen door uitzakking van de zware metallische
smelt naar het centrum van de aarde.
- Radiogene energie
Het differentiatieproces van de aarde beschrijven.
Metaalsmelt met naar verhouding meeste siderofiele elementen - vormt de kern.
Silicaatsmelt met naar verhouding meeste lithofiele elementen - vormt de mantel.
Stolling begint op de grootste diepte vanwege de hoge druk.
Het homogene en het heterogene accretiemodel met elkaar vergelijken en relateren aan het ontstaan van de
aarde.
Homogeen accretiemodel; materie condenseert tot een bepaalde eindtemperatuur, brokken met dezelfde
samenstelling worden samengevoegd, differentiatie van de materie vindt in de planeet zelf plaats.
Heterogeen accretiemodel; de aarde is in meerdere stadia na elkaar opgebouwd, opeenvolgend kern, mantel en
korst van brokstukken en klonters van verschillende samenstelling.
Aarde opgebouwd uit 85% hoogtemperatuurcondensaat en 15% laagtemperatuurcondensaat (wellicht door
meteorietenbombardement aan aarde toegevoegd = zekere mate van heterogene accretie).
De genoemde tijdlijn hanteren.
,BEGRIPPEN
13,7 miljard jaar geleden – ontstaan van het heelal.
4,57 miljard jaar geleden – ontstaan van de aarde.
200 000 jaar geleden – ontstaan eerste moderne mensen.
18e eeuw – oprichting Geological Society Londen, opkomst geologie.
1931 – Lemaître formuleert de oerknaltheorie.
Aarde – vanaf de zon gerekend 3e planeet van het zonnestelsel.
Aardkern – vaste binnenkern, vloeibare buitenkern. Differentiatieproces; buitenkern steeds rijker aan silicium
en zwavel omdat deze niet in het kristalrooster van metallisch ijzer worden opgenomen, waarmee de binnenkern
nog steeds aangroeit.
Aardwetenschappen (Earth Sciences) – verzamelnaam voor alle natuurwetenschappen die de planeet aarde
bestuderen.
Abundanties – talrijkheid; maat voor het voorkomen van de verschillende elementen. Worden geleidelijk
minder met toenemende atoomnummers. Elementen met even atoomnummers hebben meestal hogere
abundanties dan oneven ‘buren’ (figuur 1.1).
Hoge abundanties: C, O, Mg, Si, S en Ca
Schijnbaar hoge abundanties (maar alleen in aardkorst): Na (zeewater), Al, P en K.
Accretie – proces van aangroei door het invangen van klonten gecondenseerde materie, tijd waarin dit gebeurt is
accretiefase.
Accretiemodel – homogeen accretiemodel; materie condenseert tot een bepaalde eindtemperatuur, brokken met
dezelfde samenstelling worden samengevoegd, differentiatie van de materie vindt in de planeet zelf plaats.
Heterogeen accretiemodel; de aarde is in meerdere stadia na elkaar opgebouwd, opeenvolgend kern, mantel en
korst van brokstukken en klonters van verschillende samenstelling.
Astronomie – sterrenkunde; studie van alle fenomenen buiten de atmosfeer van de aarde.
Atmofiel – voornamelijk voorkomend in de atmosfeer.
Big Bang/oerknal – theorie dat het heelal ontstond uit een heel heet punt met een bijna oneindige dichtheid (een
singulariteit). De term ‘Big Bang’ werd in 1950 door Hoyle gebruikt uit afkeer voor de theorie.
Chondrule – kleine silicaatbolletjes waaruit chondrieten zijn opgebouwd. Overgrote deel van de
steenmeteorieten zijn chondrieten.
Condensatie – door afkoeling gaat de stof van de dampfase over in de vloeistoffase (direct naar vaste fase =
sublimatie).
Convectiestromen – treden op in ongelijkmatig verwarmde vloeistof. Bij van onderaf verwarmen vloeistof moet
de temperatuurverhoging winnen van het drukeffect.
Hetere vloeistof stijgt (door uitzetten en lager wordende soortelijke massa) naar boven, kouder vloeistof neemt
de vrijgekomen plaats in. Thermische uitzettingscoëfficient = mate waarin een stof uitzet. Stoffen onder hoge
krijgen hogere soortelijke massa, mate van ‘krimpen’ = compressibiliteit.
Bij stijgen wordt afnemende temperatuur gecompenseerd door afnemende druk (waardoor stof toch verder
uitgezet kan blijven) = adiabatische gradiënt.
Differentiatieproces – bij opwarming pasgevormde aarde ontstonden 2 niet mengbare smelten; de metallische
smelt (ijzer-nikkel) en de silicatische smelt (silicaten). De zwaardere metallische smelt zakte en vormde de kern.
De lichtere silicatische smelt vormde de mantel.
Elementen – chemisch element = atoomsoort, te vinden in periodiek stelsel der elementen.
,Endogene geologische processen – processen die worden aangestuurd door de warmte die vrijkomt door
radioactief verval van elementen in de aarde.
Exogene geologische processen – processen die zich voornamelijk afspelen aan het oppervlak zoals verwering,
transport en sedimentatie, aangedreven door energie van de zon.
Geologie – wetenschap die de aarde, haar geschiedenis en de processen die haar gevormd hebben/vormen
bestudeert. Behoort tot de aardwetenschappen.
Hemellichamen – sterren, planeten, dwergplaneten, manen, sterrenstelsel en meteorieten.
Hoogovenprocédé – winning van ijzer uit ijzererts door sterke verhitting onder menging met koolstof. Smelt
verdeelt zich in twee fracties; een silicaatsmelt (in gestolde toestand = slak) en een metaalsmelt. Lithofiele
elementen meer in silicaatsmelt, siderofiele elementen meer in metaalsmelt. Afzonderlijke elementen verdelen
zich over de beide smelten volgens een eigen karakteristieke verhouding = thermodynamisch evenwicht.
De mantel heeft een hogere concentratie siderofiele elementen dan steenmeteorieten, aardkern heeft een hogere
concentratie lithofiele elementen dan ijzermeteorieten. Dus aarde minder extreem verdelingsevenwicht dan
meteorieten. Verdelingsevenwicht wordt extremer naarmate de temp daalt; de temperatuur op het laatste moment
dat de beide smelten nog in gesmolten toestand waren. In planetesimalen lager dan, vanwege lagere druk.
Evenwichtsverdeling heeft zich op aarde bij hogere temperatuur ingesteld.
Interstellair – zich tussen de sterren in een sterrenstel bevindend.
Kosmische abundantie – onderlinge verhoudingen waarin elementen voorkomen. Meestal uitgedrukt als de
verhouding van het aantal aanwezige atomen ten opzichte van 10^6 atomen Silicium.
Kristallisatiewarmte – warmte die het kost om materiaal te smelten komt weer vrij bij stolling van het
materiaal. Naast warmteproductie radioactieve isotopen de tweede warmtebron die convectiestromen in de
buitenkern op gang houdt = dynamo van het aardmagneetveld.
Lemaître – Belgische priester, astronoom, kosmoloog, wiskundige en natuurkundige. Grondlegger
oerknaltheorie (1931).
Mantel – laag om de aardkern, bestaande uit de binnen- en buitenmantel.
Meteorieten – brokken gesteente van buitenaardse afkomt, ijzermeteorieten (metaalfase planetesimalen – 91%
ijzer, 9% nikkel) en steenmeteorieten (silicaatfase planetesimalen).
Falls 91% steenmeteorieten en 9% ijzermeteorieten
Finds 50-50 – steenmeteorieten (door verwering) minder herkenbaar dan ijzermeteorieten.
Olivijn – Mg en Si vormden samen met O voornamelijk magnesiumrijke olivijn.
(Fe kristalliseerde in eerste instantie uit als metallisch ijzer, in een volgende fase van de afkoelende zonnenevel
werd Fe ook in de olivijn-kristallen opgenomen en ontstonden de diverse mengvormen van de olivijnreeks).
Oxidatiegraad – mate waarin de elementen met zuurstof zijn verbonden.
Kern is (metallisch) ijzer en mantel bevat hoog gehalte FeO (en zelfs Fe2O3). Kern is gereduceerd en mantel
geoxideerd, nadat differentiatie van de aarde in kern en mantel had plaatsgevonden.
Planetesimalen – mini-planeet (<10km diameter); door samenklonteren tijdens condensatie door (eigen)
toenemende zwaartekracht.
Planetologie – planeetkunde; wetenschap die zich bezighoudt met de studie van planeten, manen, planetoïden en
kometen (geen sterren). Vakoverschrijdend; elementen uit astronomie en aardwetenschappen.
Potentiële energie – zwaarte-energie; wordt aan een voorwerp ‘toegevoegd’ wanneer het bv naar boven wordt
gehesen en komt vrij wanneer het weer valt. Afnemende potentiele energie wordt tijdens de val omgezet in
snelheid = kinetische energie. Wanneer alle energie is omgezet, komt het vrij als warmte.
, Protoaarde – gevormd door samenklonteren hoogtemperatuurfractie en accretie (opvegen van klonters in
aardbaan). Later werd hier nog 15% massa aan toegevoegd mbv meteorieten (laagtemperatuurfractie). Daarna
volgde proces van opwarming (door radiogene warmte en kinetische energie meteorieten) en differentiatie.
Radioactieve isotopen – langlevende radioactieve isotopen met een lange halveringstijd; warmtebijdrage 4,5
mld jaar geleden van Th, U en K nog te berekenen. Bijdrage kortlevende radioactieve isotopen onzekerder.
Samenstelling van de aarde – de hoeveelheid (massapercentages) van alle elementen verdeeld over de kern,
mantel en aardkorst. Oorspronkelijk opgebouwd uit twee componenten; een hoogtemperatuurcondensaat en
een laagtemperatuurcondensaat.
Hoogtemperatuurcondensaat; 85% aarde materie, niet verder afgekoeld dan 1000-1200K voordat het deel uit
ging maken van de proto-aarde.
Laagtemperatuurcondensaat: afkoeling tot ca. 350K doorgegaan.
Smeltpuntgradiënt – toenemende druk is hoger smeltpunt. Zowel in silicatische smelt als metallische smelt is
stolling begonnen op grootste diepte. Toename druk wint het van toename temperatuur met de diepte.
Solaire abundantie – relatieve concentratie van de aanwezige elementen ten opzichte van waterstof; het aantal
atomen van een element ten opzichte van 10^12 waterstofatomen.
Supernova – wanneer een ster aan het einde van haar leven explodeert. Groot gedeelte van de materie van de
ster, met de daarin gevormde elementen, worden de ruimte in geslingerd. Deze restanten mengen zich met de
eerste generatie interstellaire gas- en stofwolken (voornamelijk waterstof) en vormen de tweede generatie
interstellaire gas- en stofwolken (nevels), waaruit door massaverdichting nieuwe sterren en planetenstelsels
worden gevormd.
Relatieve depletie – verhouding tussen de gevonden hoeveelheid en de berekende hoeveelheid (figuur 1.2). Zou
bij een volledig gecondenseerd refractair lithofiel element 1 moeten zijn. In werkelijkheid vaak 1,1-1,2 = 10-
20% meer in de aarde dan volgens de kosmische abundantie zou moeten.
Gevolg van fout in de referentie; de hoeveelheid silicium op aarde. (Vrije kwartskristallen?)
Kern niet 0% maar 7% Si om berekeningen kloppend te maken, dan kern anders dan ijzermeteorieten, maar dat
kan
(zie hoogovenprocédé/thermodynamisch evenwicht).
Ontbrekende hoeveelheden refractair siderofiele elementen bevinden zich sowieso in de kern.
(Depletieniveau chalcofiele elementen = voorkeur binding zwavel, speculatief).
Refractaire elementen – niet vluchtige-elementen
Vluchtigheid – fysisch-chemische term die gebruikt wordt voor stoffen die snel, rond kamertemperatuur,
verdampen of (in de geologie) smelten = laag smeltpunt. In de aardmantel gaat het daarbij, door de hoge druk,
om andere smeltpunten dan aan het oppervlak.
Vluchtige stoffen – mate van condensatie een functie van de afstand tot de zon.
Zeldzame aardmetalen/zeldzame aarden – elementen met nummer 57 t/m 71, + 21 en 39. Economisch zeer
waardevol, maar minder zeldzaam dan bij ontdekking (en naamgeving) werd gedacht.
Zonlicht (analyse van) – zon bevat 99,9% massa zonnestelsel; samenstelling zon = samenstelling zonnestelsel.
Deeltjes in aangeslagen toestand raken extra opgenomen energie weer kwijt door uitzenden van fotonen (o.a.
licht). Golflengte van uitgezonden licht is uniek voor ieder element, daarmee zijn de meeste elementen te
identificeren.
Zonnenevel – de interstellaire gas- en stofwolken waarin de zon is gevormd.
