Ons zonnestelsel: hergebruik van kosmisch materiaal

door ing. Jan Everink

februari 2001

De zon is een tweede-generatie ster, gevormd uit kosmisch stof dat is ontstaan door explosies van oudere sterren. Veel van onze bodemschatten zijn al miljarden jaren geleden binnenin thans niet meer bestaande sterren ontstaan. We zouden veel zuiniger op de aarde moeten zijn, want een bewoonbare planeet met veel waardevolle delfstoffen is in de eindeloze kosmos heel uitzonderlijk.

Ruimte-onderzoek

De historie van ons zonnestelsel kon in grote lijnen door onderzoekers worden achterhaald omdat zich in de kosmos zeer veel sterrenstelsels in verschillende fasen van hun ontwikkeling bevinden. Alleen onze melkweg telt al zo'n 100 miljoen sterrenstelsels. Door naar veel verschillende sterren te kijken kan men een goed beeld krijgen van de ontwikkeling van een bepaald stertype, zoals onze zon. Zo weet men nu onder meer dat de zon 4 à 5 miljard jaar oud is en ook nog miljarden jaren zal blijven bestaan. De waterstofvoorraad in de zon is nog voldoende voor miljarden jaren kernfusie-energie. 

Het onderzoek naar het ontstaan en de geschiedenis van sterren wordt vergemakkelijkt door het feit dat in de hele kosmos dezelfde natuurwetten bestaan. Zo kon zich een wetenschap ontwikkelen, de astrofysica, waarin natuurkundige kennis wordt toegepast om méér te weten te komen over hetgeen vér van ons verwijderd in de kosmos plaatsvindt en heeft plaatsgevonden. Daarbij wordt gebruik gemaakt van het feit dat ieder hemellichaam straling uitzendt. 

In de traditionele sterrenkunde werd alleen het zichtbare licht opgevangen maar thans is het hele elektromagnetische spectrum onderwerp van studie. Dit omvat zoals bekend ook allerlei stralen met langere en kortere golflengte dan het zichtbare licht. Stralingen met golflengten korter dan het licht zijn: ultraviolette straling, röntgenstralen en gammastralen. Stralingen met golflengten langer dan het zichtbare licht zijn: infraroodstraling en radiogolven. Al deze stralen worden opgevangen en bestudeerd vanuit sterrenwachten, satellieten en ruimtevaartuigen.

Analyse van astronomische waarnemingen

Sterrenwachten gebruiken telescopen met enorme spiegels om zoveel mogelijk licht te kunnen opvangen. Ze zijn veelal gevestigd op hoge bergen, waar het licht relatief weinig wordt vertroebeld door de dampkring. Gunstige plaatsen voor sterrenwachten zijn onder meer de bergen op Hawaii en in Chili. Sommige sterrenwachten zijn gespecialiseerd in het opvangen en bestuderen van radiogolven. In Nederland, in Westerbork, bevindt zich een van de grootste radiotelescopen ter wereld. 

Er worden ook veel waarnemingen vanaf satellieten gedaan. Heel bekend is de Hubble Space Telescope, genaamd naar de in 1953 overleden Amerikaanse astronoom Edwin Hubble. Satellieten zijn erg geschikt voor het opvangen van stralen met korte golflengte en hoge energie, zoals ultraviolette stralen, röntgenstralen en gammastralen.  Deze stralen worden vrijwel geheel door de dampkring tegengehouden, en dat is maar goed ook want anders zouden ze schadelijk voor de gezondheid zijn. Om deze stralen toch te kunnen opvangen zijn uiteenlopende satellieten in de ruimte gebracht.

Hoe kunnen we nu door al die waarnemingen iets te weten komen over de exacte hoedanigheden van stoffen die zich vele lichtjaren van ons verwijderd bevinden? Dat is mogelijk door spectrochemische analyse, de studie van stoffen via het door deze substanties uitgezonden stralingsspectrum, een methode die al meer dan een eeuw oud is. Door middel van spectrochemische analyse weten we dat de op aarde bekende elementen ook in de zon en op veel sterren aanwezig zijn.

Zon is tweede-generatie ster

De temperatuur van een kosmische gaswolk die bezig is zich tot een ster te verdichten is in het begin heel laag, in de buurt van het absolute nulpunt (-273 graden Celsius), maar wordt geleidelijk steeds hoger: uiteindelijk wel miljoenen graden. Er ontstaat een toestand waarbij de verschillende krachten in de ster in een dynamisch evenwicht zijn. 

In het binnenste van een ster vinden onder invloed van de enorme druk en de zeer hoge temperatuur kernreacties plaats waarbij uit waterstof helium wordt gevormd, en vervolgens uit helium koolstof, en vervolgens uit koolstof weer andere stoffen. Door deze zogenoemde nucleosynthese ontwikkelen zich in het binnenste van de ster allerlei verschillende elementen. 

Een ster is dus in feite een soort fabriek waar natuurkundige elementen worden gemaakt. Veel nuttige mineralen die we momenteel hier op aarde toepassen zijn ooit door nucleosynthese binnenin een ster gefabriceerd. De meeste zijn echter niet pas in de zon maar al veel eerder gevormd. Toen de aarde vanuit de zon ontstond vond in de zon namelijk nog geen nucleosynthese plaats, want de zon was daarvoor toen nog te koud. Aangenomen wordt dat de zon een tweede-generatie ster is, dat wil zeggen gevormd uit restanten van geëxplodeerde oudere sterren. Veel stoffen in ons zonnestelsel zijn ontstaan door nucleosynthese in deze oudere sterren. Door deze theorie kan worden verklaard waarom op aarde, en in ons hele zonnestelsel, veel meer ijzer en andere zware elementen aanwezig zijn dan in veel andere sterren.

Supernovae

Veel sterren beëindigen hun bestaan door een enorme explosie. Dat gebeurt als na miljarden jaren de hoeveelheid nucleaire brandstof in het binnenste van de ster opraakt. Er wordt dan niet meer voldoende energie geproduceerd om de zwaartekracht tegen te gaan en de ster klapt in elkaar. Er ontstaat dan in eerste instantie een zogenoemde neutronenster, waarvan de dichtheid ongeveer 100 miljoen ton per kubieke centimeter bedraagt. Deze toestand is niet stabiel; in veel gevallen ontstaat tenslotte door de hoge druk een enorme explosie: een zogenoemde supernova. 

Door zulke supernovae ontstaat kosmisch stof met een andere samenstelling dan die van het kosmische gas waaruit de eerste sterren zich hebben ontwikkeld. Met name is in dit stof het gehalte aan koolstof, zuurstof en metalen veel hoger dan in het oorspronkelijke kosmische gas. Aannemelijk is dat ons zonnestelsel zich heeft gevormd uit zulk materiaal, afkomstig van geëxplodeerde oudere sterren. 

Niet alle sterren beëindigen overigens hun bestaan als supernova; dat gebeurt alleen met zeer grote sterren. Onze zon zal waarschijnlijk eerst veranderen in een zogenoemde rode reus, en vervolgens in een witte dwerg. Zodra over miljarden jaren de voorraad waterstof in het centrum opraakt begint de zon af te koelen. Dat gaat dan gepaard met een enorme vergroting van het volume en een verandering in de kleur van het uitgestraalde licht. De zon gaat dan rood licht uitstralen en is een rode reus geworden. Als deze rode reus zijn buitenste lagen gaat afstoten en zich vervolgens gaat samentrekken verandert hij in een zogenoemde witte dwerg.

Het ontstaan van de aarde

De zon is dus ontstaan door hergebruik van kosmisch materiaal, maar hoe zit het met de aarde? Er bestaan verschillende theorieën over het ontstaan van planeten. Een aannemelijke hypothese is dat planeten min of meer tegelijk worden gevormd met de ster waar ze bij horen. Zo is het waarschijnlijk ook met de aarde gegaan. Toen onze zon bezig was zich te ontwikkelen uit een kosmische gaswolk vormden zich aan de omtrek van deze wolk gasconcentraties: de zogenoemde protoplaneten. Het grootste gedeelte van deze protoplaneten werd weggeslingerd de ruimte in, maar de kernen condenseerden tot planeten. 

Dit proces heeft zich behalve met de zon ook met veel andere sterren voorgedaan. Volgens schattingen zijn er alleen al in onze melkweg 1 tot 10 miljard sterren met planeten. Onze zon heeft zoals bekend 9 planeten. Dit zijn gerekend vanaf de zon: Mercurius, Venus, Aarde, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus en Pluto. De aarde heeft een maan, en ook verschillende andere planeten hebben manen.

Erosie en sedimentatie

De bodem is het geschiedenisboek van de aarde. Uit onderzoek van de bodem weet men vrij goed wat zich gedurende de afgelopen miljarden jaren op deze planeet heeft afgespeeld. Er hebben enorme veranderingen plaatsgevonden en in feite vinden nog steeds zulke veranderingen plaats. Het gaat alleen zo langzaam dat we het niet merken. Door verschillende oorzaken krimpt de aardkorst geleidelijk in, en daardoor ontstaan oceanen en continenten, een proces dat epirogenese wordt genoemd. 

Ook gaat de aardkorst ten gevolge van de erin werkende krachten golven, en deze zogenoemde orogenese heeft tot gevolg dat grote bergketens ontstaan. Bergen kunnen ook worden gevormd door vulkaan-uitbarstingen. Daarbij wordt magma (gloeiend heet materiaal uit het inwendige van de aarde) naar buiten geperst. Dit naar de oppervlakte komende magma wordt lava genoemd. Bij iedere uitbarsting van een vulkaan wordt de vulkaanberg door gestolde lava hoger. 

In eerste instantie bestond de aardkorst geheel uit gestolde magma, de zogenoemde stollingsgesteenten. De bodem bestaat thans behalve uit deze stollingsgesteenten tevens uit diverse andere soorten gesteenten die later zijn ontstaan door sedimentatie. Afzettingen ofwel sedimenten zijn het gevolg van het feit dat op de uit gesteenten bestaande bergen erosie plaatsvindt. Door de invloed van het klimaat worden voortdurend zeer kleine stukjes steen losgemaakt, en dit stof wordt door de wind en het water meegevoerd naar een lager gelegen gebied. Daar vormt dit stof dan sedimenten die in de loop der tijd verharden tot sedimentaire gesteenten. Dit voortdurende proces van erosie en sedimentatie heeft er uiteindelijk toe geleid dat de aardkorst zijn huidige samenstelling kreeg.

Voortdurende verandering

In de bodem bevinden zich dikke lagen sedimentaire gesteenten uit verschillende geologische tijdperken. Deze lagen liggen echter, als gevolg van het feit dat de aardkorst voortdurend in beweging is, niet meer keurig op elkaar. In de aardkorst zijn enorme plooien ontstaan, hetgeen er onder meer toe heeft geleid dat zich soms op grote diepte relatief jonge lagen bevinden. Het komt ook voor, door het plooien van de aardkorst en de vervolgens plaatsvindende langdurige erosie, dat in hoge gebieden zeer oude lagen bloot komen te liggen. Door orogenese kan de bodem in een bepaald gebied wel kilometers omhoog komen. Dat weet men onder meer omdat in hoger gelegen gebieden fossielen van zeedieren zijn gevonden. Ooit moet deze laag dus de bodem van de zee hebben gevormd. 
Verder kan een gebied langs verticale breukvlakken omhoog komen of juist dieper wegzakken. Een gebied dat zo omhoog komt heet horst en een dalend gebied wordt aangeduid als slenk. 

Veel van deze gebeurtenissen vonden zelfs nog vrij recent plaats, namelijk in het Tertiair, dat 60 miljoen jaar geleden begon. Dat is inderdaad recent omdat de aarde immers al meer dan 4 miljard jaar oud is. De huidige oceanen zijn pas in het Tertiair ontstaan, en ook pas toen zijn de huidige bergketens gevormd, zoals de Alpen, de Pyreneeën, het Atlas-gebergte en de Himalaya. Nog recenter, in het Kwartair, vinden de ijstijden plaats. Een groot deel van de aarde wordt dan gedurende lange perioden met ijs bedekt. Men denkt dat deze ijstijden mogelijk te maken hebben met periodieke veranderingen van de baan van de aarde om de zon.

Bodemschatten

Veel van de mineralen die we hier op aarde van een vorige generatie sterren hebben geërfd bevinden zich thans als gevolg van verschillende processen plaatselijk in relatief hoge concentraties in de bodem. Ook zijn in de bodem velerlei nieuwe materialen tot stand gekomen. Daartoe behoren onder meer de fossiele brandstoffen: steenkool, aardolie en aardgas. Verder bevat de bodem op veel plaatsen uiteenlopende nuttige chemische sedimenten, stoffen die zijn ontstaan door chemische reacties van in water opgeloste substanties. Heel bekend wat dit betreft is het gewone keukenzout, maar de bodem bevat nog vele andere nuttige chemische sedimenten.

Als we bedenken op welke wijze en gedurende welke lange perioden de totstandkoming van al deze stoffen heeft plaatsgevonden wordt des te meer duidelijk dat we ze vandaag de dag in veel te hoog tempo verbruiken. De huidige Westerse samenleving is bezig om door toepassing van modern bodemonderzoek en efficiënte exploitatietechnieken in enkele decennia de voorraden van veel onontbeerlijke bodemschatten totaal op te maken. (Voor de metalen is het gevaar dat de voorraden opraken gelukkig minder groot, omdat deze in principe herhaaldelijk hergebruikt kunnen worden.) 
Een ander probleem is dat de huidige delfstoffenindustrie - door het hoge energieverbuik, de aantasting van het landschap en de uitstoot van schadelijke stoffen - een enorme belasting voor het milieu vormt. 

Het lijkt erop dat de moderne samenleving bezig is de enige bewoonbare planeet die we hebben leeg te roven en te vervuilen in plaats van haar voor toekomstige generaties leefbaarder te maken.

De publicatie van FiLOSCOOP wordt verzorgd door Bureau Everink te Almere
Copyright © 2001 by Bureau Everink