13De Aarde, een planeet van het zonnestelsel

Er zijn drie robotsondes de ruimte in gestuurd. Een voor een sturen ze een foto naar huis, als een ansichtkaart. De eerste komt van Venus: een bleke bol, gehuld in dikke wolken, waar het heet genoeg is om lood te smelten en de lucht met een verpletterend gewicht op de grond drukt. De tweede komt van Mars: een rode, koude, stoffige woestijn onder een ijle hemel. De derde sonde heeft haar camera teruggedraaid naar huis: een blauw-witte bol, met oceanen, wolken en ijs. Drie planeten, buren rond dezelfde Zon. Waarom is er maar één blauw?

Wat je al weet

De natuurkundeboeken lieten zien dat de Zon een ster is, een enorme bol heet gas die uit zichzelf licht geeft, en dat een planeet een groot, rond hemellichaam is dat om een ster draait en zelf geen licht geeft: we zien het omdat het het licht van zijn ster terugkaatst. De Zon en alles wat om haar heen draait, vormen het zonnestelsel. Elke planeet beweegt om de Zon langs een baan, en draait om zichzelf rond een as. De lucht om ons heen drukt op alles wat ze raakt: dat is de luchtdruk. De dichtheid van een stof zegt hoe zwaar een bepaald volume ervan is: één kubieke centimeter water weegt 1 gram, dus zijn dichtheid is 1 gram per kubieke centimeter; een stof met een grotere dichtheid dan water zinkt erin, een stof met een kleinere dichtheid drijft. Ten slotte is ongeveer zeven tiende van het aardoppervlak bedekt door de oceaan (Hoofdstuk 3).

13.1 Acht planeten rond de Zon

Acht planeten bewegen rond de Zon. Op volgorde, van de dichtstbijzijnde tot de verste, zijn dat Mercurius, Venus, de Aarde, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus. Een zinnetje kan helpen om de volgorde te onthouden: Mijn Vader At Mosselen, Jij Smulde Uren Na (Mercurius, Venus, Aarde, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus).

De tekening hieronder laat de acht planeten naast elkaar zien, op dezelfde schaal getekend: als een planeet twee keer zo breed is als een andere, is haar cirkel ook twee keer zo breed.

De vier planeten die het dichtst bij de Zon staan, zijn klein. De volgende vier zijn reuzen: Jupiter is ongeveer 11 keer zo breed als de Aarde. En de Zon? Op dezelfde schaal getekend als de planeten hierboven zou ze een schijf van ongeveer 40 centimeter doorsnede zijn — breder dan deze bladzijde.

Grootte is niet het enige verschil. De tabel hieronder geeft voor elke planeet de diameter, de dichtheid (in gram per kubieke centimeter) en de afstand tot de Zon.

De dichtheden verdelen de planeten in twee families, zonder iets ertussen: de eerste vier zijn dicht, meer dan 3.9 gram per kubieke centimeter, zoals gesteente en metaal; de laatste vier zijn licht, minder dan 1.7 gram per kubieke centimeter.

Definitie 13.1 (Rotsplaneten en reuzenplaneten)

Een rotsplaneet is een kleine planeet met een grote dichtheid, gemaakt van gesteente en metaal, met een vast oppervlak waarop een sonde kan landen: Mercurius, Venus, de Aarde en Mars. Een reuzenplaneet is een heel grote planeet met een kleine dichtheid, die vooral bestaat uit gassen en vloeistoffen, zonder vast oppervlak om op te landen: Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus.

De foto van Jupiter laat banden van wolken zien, licht en donker, en een rode ovaal: de Grote Rode Vlek, een reusachtige storm groter dan de hele Aarde, die al honderden jaren raast. Onder de wolken is er geen grond: alleen gassen, vooral waterstof en helium, die steeds dichter worden naarmate je dieper gaat.

Opmerking 13.2 (Een planeet lichter dan water)

Saturnus is de enige planeet met een kleinere dichtheid dan water: ongeveer 0.7 gram per kubieke centimeter. Als er een badkuip bestond die groot genoeg was om hem te bevatten, zou Saturnus blijven drijven!

13.2 Hoe ver liggen de planeten uit elkaar?

De planeten verschillen niet alleen sterk in grootte; ze staan ook heel ver van elkaar af. De Aarde staat ongeveer 150 miljoen kilometer van de Zon. Neptunus, de verste planeet, staat 30 keer zo ver: ongeveer 4500 miljoen kilometer. De tekening hieronder zet de acht planeten op één lijn, op hun afstanden tot de Zon, op schaal.

De vier rotsplaneten staan allemaal dicht bij de Zon; de vier reuzenplaneten staan ver weg, met enorme afstanden ertussen. Alleen al de afstand tussen Mars en Jupiter, ongeveer 550 miljoen kilometer, is meer dan twee keer de afstand van de Zon tot Mars.

Het is moeilijk om groottes en afstanden op dezelfde schaal te tekenen: de planeten worden onzichtbare stipjes. Een schaalmodel helpt om je allebei tegelijk voor te stellen.

Methode 13.3 (Een schaalmodel van het zonnestelsel bouwen)

1. Kies de grootte van de Aarde in het model, bijvoorbeeld 1 cm.
2. Zoek uit voor hoeveel echte kilometer 1 cm in het model staat: deel de echte diameter van de Aarde (12 756 km) door haar grootte in het model.
3. Deel elke echte grootte en elke echte afstand door dit getal. Zet daarna de eenheden om in iets wat je je makkelijk kunt voorstellen (centimeter, meter, kilometer).

Voorbeeld 13.4 (Een knikker als Aarde)

Als de Aarde een knikker van 1 cm breed is, staat 1 cm voor 12 756 km. De Zon, met een doorsnede van 1 391 400 km, wordt een bal van $1\,391\,400 \div 12\,756 \approx 109$ cm breed: een bal groter dan een klein kind. De Aarde staat 150 miljoen km van de Zon: $149\,600\,000 \div 12\,756 \approx 11\,700$ cm, dat is ongeveer 117 meter, de lengte van een voetbalveld.

In dit model beslaat het hele zonnestelsel tot en met Neptunus een cirkel van 7 km doorsnede, met een grote bal in het midden en acht knikkers en ballen, de grootste zo groot als een grapefruit, daaroverheen verspreid. Het zonnestelsel is grotendeels lege ruimte.

13.3 Venus, de Aarde en Mars

Venus, de Aarde en Mars zijn buren, alle drie rotsplaneten. Venus is bijna even groot als de Aarde: haar diameter is 95 % van die van de Aarde. Mars is kleiner: zijn diameter is ongeveer de helft van die van de Aarde. Toch kunnen deze drie planeten bijna niet meer van elkaar verschillen.

Venus. Venus is gehuld in een dikke laag lucht, die vooral uit koolstofdioxide bestaat, met dichte wolken van zwavelzuur, een bijtend zuur. Haar lucht is zo dik dat ze 92 keer zo hard op de grond drukt als de lucht van de Aarde op die van ons. Aan het oppervlak is de temperatuur ongeveer 464 $^\circ$C: heet genoeg om lood te smelten. Daar kan geen water vloeibaar blijven.

Mars. Mars is een koude, droge, stoffige woestijn. Zijn lucht bestaat ook vooral uit koolstofdioxide, maar is heel ijl: ze drukt ongeveer honderd keer minder op de grond dan de lucht van de Aarde. De gemiddelde temperatuur is $-65$ $^\circ$C. Er is nu water op Mars, maar bevroren: als ijs in de poolkappen en onder de grond bij de polen. Toch is Mars niet altijd zo geweest: miljarden jaren geleden stroomden er rivieren op Mars, ontstonden er meren en trokken er overstromingen overheen.

De Aarde. Tussen die twee in heeft de Aarde lucht die met ongeveer 1 bar op de grond drukt (de eenheid waarmee we de luchtdruk op de planeten vergelijken), een gemiddelde temperatuur van 15 $^\circ$C, en oceanen van vloeibaar water.

Heet en koud. Dicht bij de Zon krijgt een planeet veel van haar licht en warmte; ver weg heel weinig. Hoe verder een planeet van de Zon staat, hoe kouder ze dus zou moeten zijn. Het diagram hieronder laat zien dat dit klopt vanaf de Aarde naar buiten: de reuzenplaneten, ver weg, zijn bevroren werelden. Maar kijk naar Venus: ze staat bijna twee keer zo ver van de Zon als Mercurius, en toch is ze heter! Haar dikke lucht van koolstofdioxide houdt de warmte van de Zon vast als een zware deken en laat haar niet ontsnappen. Mercurius, met bijna geen lucht, kan zijn warmte niet vasthouden.

13.4 Wat leven op Aarde mogelijk maakt

De Aarde is de enige planeet waarvan we weten dat er leven is. Levende wezens hebben verschillende voorwaarden tegelijk nodig, en de Aarde heeft ze allemaal.

• Vloeibaar water. Alle levende wezens hebben vloeibaar water nodig: de Aarde heeft oceanen, rivieren en meren.
• Zachte temperaturen. Aan het aardoppervlak bevriest water bij 0 $^\circ$C en kookt het bij 100 $^\circ$C (natuurkunde). Met een gemiddelde van 15 $^\circ$C blijven de temperaturen op Aarde meestal daartussen, dus blijft haar water vloeibaar.
• De juiste afstand tot de Zon. Dichter bij de Zon, zoals Venus, loopt een planeet het risico te heet te worden; verder weg, zoals Mars, te koud. De Aarde staat op de juiste afstand voor vloeibaar water.
• Een atmosfeer. De laag lucht rond de Aarde houdt het oppervlak ’s nachts warm, geeft levende wezens de gassen die ze nodig hebben, en drukt genoeg op de oceanen om hun water vloeibaar te houden. Op Mars is de lucht zo ijl dat vloeibaar water niet lang aan het oppervlak kan blijven: het bevriest of wordt waterdamp.

Opmerking 13.5 (Was er leven op Mars?)

Omdat Mars ooit rivieren en meren had, vragen wetenschappers zich af of er daar lang geleden, toen Mars warmer en nat was, piepkleine levende wezens hebben kunnen leven. Wetenschappers verwachten nu geen levende wezens op Mars te vinden; met robotwagentjes zoeken ze in zijn gesteenten naar sporen van leven van lang geleden.

13.5 De Aarde vanuit de ruimte

Duizenden jaren lang konden mensen zich alleen maar voorstellen hoe hun planeet er van buitenaf uitzag. Op 24 december 1968 zagen de astronauten van Apollo 8, in een baan om de Maan, de Aarde opkomen boven de grijze horizon van de Maan, en een van hen, Bill Anders, maakte de foto hieronder.

Vanuit de ruimte is de Aarde vooral blauw: de oceaan bedekt ongeveer zeven tiende van haar oppervlak. Witte wolken van waterdruppeltjes wervelen erboven, en wit ijs bedekt de polen. Het land is bruin waar het droog is en groen waar planten groeien. De lucht zelf is niet te zien, maar de wolken die erin zweven, laten zien dat ze er is. Van alle planeten van het zonnestelsel laat alleen de Aarde deze kleuren samen zien: vloeibaar water, wolken en levende planten.

Geschiedenis — Het lichtblauwe stipje

Op 14 februari 1990 was de ruimtesonde Voyager 1 ongeveer 6 miljard kilometer van de Zon, verder weg dan Neptunus. Voordat ze het zonnestelsel achter zich liet, draaide ze haar camera om en maakte ze een foto van de Aarde. Op de foto is onze planeet één helder stipje, kleiner dan een stofkorrel, gevangen in een straal zonlicht. De sterrenkundige Carl Sagan schreef erover: “Kijk nog eens naar dat stipje. Dat is hier. Dat is thuis. Dat zijn wij.”

13.6 Oefeningen

Oefening 13.1 ★

Noem de acht planeten van het zonnestelsel op volgorde, van de planeet die het dichtst bij de Zon staat tot de verste. Onderstreep de rotsplaneten.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.1.

Mercurius, Venus, de Aarde, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus. De rotsplaneten zijn de eerste vier.

Oefening 13.2 ★

Neem over en vul aan: “Een rotsplaneet is klein en heeft een grote …, met een vast … Een reuzenplaneet is heel groot, met een kleine …, en bestaat vooral uit … en …”

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.2.

“Een rotsplaneet is klein en heeft een grote dichtheid, met een vast oppervlak. Een reuzenplaneet is heel groot, met een kleine dichtheid, en bestaat vooral uit gassen en vloeistoffen.”

Oefening 13.3 ★

Welke planeet heeft volgens de tabel van dit hoofdstuk de diameter die het dichtst bij die van de Aarde ligt? Welke is de grootste planeet? Welke de kleinste?

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.3.

Venus (12 104 km, tegen 12 756 km voor de Aarde). De grootste is Jupiter (142 984 km); de kleinste is Mercurius (4 879 km).

Oefening 13.4 ★

Waar of niet waar? Verbeter de zinnen die niet waar zijn. (a) Venus is bedekt met oceanen. (b) Mars is kouder dan de Aarde. (c) De reuzenplaneten zijn de vier planeten die het dichtst bij de Zon staan. (d) Saturnus heeft een kleinere dichtheid dan water.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.4.

(a) Niet waar: Venus heeft geen vloeibaar water; het is er veel te heet. (b) Waar ($-65$ $^\circ$C gemiddeld, tegen 15 $^\circ$C). (c) Niet waar: de vier planeten die het dichtst bij de Zon staan, zijn de rotsplaneten; de reuzenplaneten zijn de vier verste. (d) Waar: ongeveer 0.7 gram per kubieke centimeter.

Oefening 13.5 ★★

De diameter van Mercurius is 4 879 km, de diameter van de Aarde 12 756 km. Bereken de diameter van Mercurius als percentage van die van de Aarde, afgerond op een heel getal.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.5.

$4879 \div 12756 \approx 0.382$, dat is 38 %: Mercurius is iets meer dan een derde zo breed als de Aarde.

Oefening 13.6 ★★

Hoeveel Aardes naast elkaar passen er in de diameter van Saturnus (120 536 km)? Rond af op een heel getal. Is Saturnus een rotsplaneet of een reuzenplaneet?

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.6.

$120536 \div 12756 \approx 9.4$: ongeveer 9 Aardes. Saturnus is een reuzenplaneet.

Oefening 13.7 ★★

Sterrenkundigen hebben planeten rond andere sterren gevonden. Planeet A heeft een dichtheid van 1.1 gram per kubieke centimeter en is 9 keer zo breed als de Aarde. Planeet B heeft een dichtheid van 5.0 gram per kubieke centimeter en is iets kleiner dan de Aarde. Welke is een rotsplaneet en welke een reuzenplaneet? Leg uit.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.7.

Planeet A is een reuzenplaneet: ze is heel groot en haar dichtheid, 1.1 gram per kubieke centimeter, is klein, zoals die van de reuzenplaneten van het zonnestelsel (tussen 0.7 en 1.7). Planeet B is een rotsplaneet: ze is klein en haar dichtheid, 5.0, is groot, zoals die van de rotsplaneten (tussen 3.9 en 5.5).

Oefening 13.8 ★★

Gebruik het diagram van de temperaturen van de planeten: (a) hoeveel graden heter is Venus dan de Aarde? (b) Hoeveel graden kouder is Mars dan de Aarde?

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.8.

(a) $464 - 15 = 449$ graden heter. (b) $15 - (-65) = 80$ graden kouder.

Oefening 13.9 ★★

Mercurius staat het dichtst bij de Zon, maar Venus is de heetste planeet. Leg uit waarom.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.9.

Venus heeft een heel dikke atmosfeer van koolstofdioxide, die de warmte van de Zon vasthoudt als een zware deken en haar niet laat ontsnappen. Mercurius, dichter bij de Zon, heeft bijna geen lucht, dus kan hij zijn warmte niet vasthouden.

Oefening 13.10 ★★

De Aarde staat 150 miljoen kilometer van de Zon en Mars 228 miljoen kilometer. Hoeveel miljoen kilometer verder van de Zon staat Mars? Hoeveel procent groter is de afstand van Mars dan die van de Aarde (afgerond op een heel getal)?

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.10.

$228 - 150 = 78$ miljoen kilometer verder. $78 \div 150 = 0.52$: de afstand van Mars is 52 % groter dan die van de Aarde.

Oefening 13.11 ★★★

Een vriend zegt: “Mars is altijd een droge woestijn geweest; er is daar nooit water geweest.” Geef hem met dit hoofdstuk antwoord: wat had Mars miljarden jaren geleden, waar is zijn water nu, en waarom kan vloeibaar water nu niet aan zijn oppervlak blijven?

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.11.

Miljarden jaren geleden had Mars rivieren, meren en overstromingen: hij was warmer en natter. Nu is zijn water bevroren, in het ijs van de poolkappen en onder de grond bij de polen. Vloeibaar water kan nu niet aan zijn oppervlak blijven, omdat Mars heel koud is ($-65$ $^\circ$C gemiddeld) en omdat zijn lucht zo ijl is dat water snel bevriest of in waterdamp verandert.

Oefening 13.12 ★★★

Venus wordt soms de tweelingzus van de Aarde genoemd. Haar diameter is 95 % van die van de Aarde, en de zwaartekracht aan haar oppervlak is 8.9 op een schaal waarop die van de Aarde 9.8 is. (a) Bereken de zwaartekracht op Venus als percentage van die op Aarde, afgerond op een heel getal. (b) Noem twee manieren waarop Venus op een tweelingzus van de Aarde lijkt, en twee manieren waarop niet.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.12.

(a) $8.9 \div 9.8 \approx 0.908$, dat is 91 %. (b) Als een tweelingzus: bijna even groot (95 % van de diameter van de Aarde), bijna dezelfde zwaartekracht, en ook een rotsplaneet. Niet als een tweelingzus: ze is veel heter (464 $^\circ$C tegen 15 $^\circ$C), haar lucht is veel dikker en bestaat uit koolstofdioxide met wolken van zuur, en ze heeft geen vloeibaar water.

13.7 Probleem: Ansichtkaarten van drie planeten

Probleem 13.1

Weekendprobleem — drie ansichtkaarten uit de ruimte, en hoe hard de lucht van Venus op haar grond drukt

Drie robotsondes sturen elk een ansichtkaart naar huis, met een paar getallen op de achterkant.

Van Venus	Van de Aarde	Van Mars
Afstand tot de Zon: 108 miljoen km.	Afstand tot de Zon: 150 miljoen km.	Afstand tot de Zon: 228 miljoen km.
Diameter: 12 104 km.	Diameter: 12 756 km.	Diameter: 6 792 km.
Dichtheid: 5.2 g/cm$^3$.	Dichtheid: 5.5 g/cm$^3$.	Dichtheid: 3.9 g/cm$^3$.
Gemiddelde temperatuur: 464 $^\circ$C.	Gemiddelde temperatuur: 15 $^\circ$C.	Gemiddelde temperatuur: $-65$ $^\circ$C.
De lucht drukt met 92 bar op de grond. Dikke wolken van zuur.	De lucht drukt met 1 bar op de grond. Oceanen en wolken.	De lucht drukt met 0.01 bar op de grond. IJs op de polen.

Deel I — De planeten vergeleken.

1. Zet de drie planeten op volgorde van afstand tot de Zon.
2. Hoeveel miljoen kilometer dichter bij de Zon dan de Aarde staat Venus? Hoeveel miljoen kilometer verder staat Mars?
3. Bereken de diameter van Mars als percentage van die van de Aarde, afgerond op een heel getal. Is Mars ongeveer een kwart, de helft of drie kwart zo breed als de Aarde?
4. Zijn de drie planeten rotsplaneten of reuzenplaneten? Aan welke getallen op de ansichtkaarten zie je dat?

Deel II — De lucht.

5. Op welke planeet is de lucht het dikst? Op welke het ijlst?
6. Hoeveel keer minder drukt de lucht van Mars op zijn grond dan de lucht van de Aarde op die van ons?
7. Venus staat dichter bij de Zon dan de Aarde, maar dat alleen verklaart geen temperatuur van 464 $^\circ$C. Wat doet de lucht van Venus met de warmte van de Zon?
8. Hoeveel keer zo hard als op Aarde drukt de lucht op de grond van Venus? Waarom moet een sonde die op Venus landt heel sterke wanden hebben?

Deel III — Water en leven.

9. Aan het aardoppervlak bevriest water bij 0 $^\circ$C en kookt het bij 100 $^\circ$C. Leg met de gemiddelde temperaturen uit waarom water op Aarde vloeibaar is.
10. Wat zou er gebeuren met een glas water dat op de grond van Venus wordt gezet? En op de grond van Mars?
11. Mars had miljarden jaren geleden rivieren en meren. Wat zegt dat over het klimaat van Mars van lang geleden, vergeleken met nu?
12. Schrijf de achterkant van de ansichtkaart van de Aarde: geef in een paar zinnen vier redenen waarom leven op Aarde mogelijk is.

Oplossing

Oplossing van Probleem 13.1.

1. Venus (108 miljoen km), de Aarde (150), Mars (228).

2. $150 - 108 = 42$: Venus staat 42 miljoen kilometer dichterbij. $228 - 150 = 78$: Mars staat 78 miljoen kilometer verder.

3. $6792 \div 12756 \approx 0.532$, dat is 53 %: Mars is ongeveer half zo breed als de Aarde.

4. Alle drie zijn rotsplaneten: hun dichtheden (5.2, 5.5 en 3.9 gram per kubieke centimeter) zijn groot, en hun diameters zijn klein vergeleken met die van de reuzenplaneten.

5. De dikste lucht is op Venus (92 bar); de ijlste op Mars (0.01 bar).

6. $1 \div 0.01 = 100$: de lucht van Mars drukt honderd keer minder dan de lucht van de Aarde.

7. Haar dikke lucht van koolstofdioxide houdt de warmte van de Zon vast en laat haar niet ontsnappen, als een zware deken.

8. $92 \div 1 = 92$: op de grond van Venus drukt de lucht 92 keer zo hard als op de grond van de Aarde. Een sonde moet heel sterke wanden hebben om niet verpletterd te worden (en moet ook bestand zijn tegen de hitte en de zure wolken).

9. De gemiddelde temperatuur van de Aarde, 15 $^\circ$C, ligt tussen 0 $^\circ$C en 100 $^\circ$C: water is niet bevroren en kookt niet, dus blijft het vloeibaar.

10. Op Venus, bij 464 $^\circ$C, ver boven 100 $^\circ$C, zou het water meteen wegkoken en in waterdamp veranderen. Op Mars, bij $-65$ $^\circ$C, ver onder 0 $^\circ$C, zou het tot ijs bevriezen (en langzaam in waterdamp veranderen, omdat de lucht zo ijl is).

11. Lang geleden was Mars warmer en natter dan nu: er kon vloeibaar water over zijn oppervlak stromen. Zijn klimaat is sterk veranderd: hij is nu een koude, droge woestijn.

12. Bijvoorbeeld: “Beste sondes, hier op Aarde hebben we vloeibaar water, in oceanen, rivieren en meren. Onze temperaturen zijn zacht, gemiddeld 15 $^\circ$C, tussen het bevriezen en het koken van water. We staan op de juiste afstand van de Zon, niet te dichtbij en niet te ver. En onze atmosfeer houdt ons warm, geeft levende wezens de gassen die ze nodig hebben, en laat water vloeibaar blijven. Daarom is hier leven mogelijk.”