Fizyka i Chemia Ziemi

(1)

Fizyka i Chemia Ziemi

T.J. Jopek jopek@amu.edu.pl

IOA UAM

Układ Słoneczny cz. 2

2014-12-20 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 1

Układ Słoneczny

Układ Słoneczny stanowią:



Układ Planetarny



Słońce,



planety,



Obłok Oorta (komety)



Pas Kuipera (planety karłowate … ),



Pas planetoid (planeta karłowata …),

 małe ciała:

planetki, (planetoidy),

komety.

meteoroidy,



pył i gaz międzyplanetarny.

Reguła T-B ma m.in. postać:

k

a

_TB

a

_Obs

Mercury 0 0.4 0.39

Venus 1 0.7 0.72

Earth 2 1.0 1.00

Mars 4 1.6 1.52

? 8 2.8 ?

Jupiter 16 5.2 5.20 Saturn 32 10.0 9.54 Uranus 64 19.6 19.2 Neptune 128 38.8 30.06

J.D. Titus J.E. Bode

Odległości planet od Słońca

Reguła Tytusa Bodego z lat 1766-72 (jed. astr.)

k +

= a

_TB

0.4 0.3 

a_TB - średnia odległość planety od Słońca

Odkrycie małych planet

Giuseppe Piazzi OCR (1746-1826)‏

Ceres odkryta 1 stycznia 1801 w Palermo

1801 Ceres 1000km 1802 Pallas 580km 1804 Vesta 520km 1806 Juno 300km

Reguła T-B ma m.in. postać:

k

a

_TB

a

_Obs

Merkury 0 0.4 0.39

Wenus 1 0.7 0.72

Ziemia 2 1.0 1.00

Mars 4 1.6 1.52

Ceres¹ 8 2.8 2.77

Jowisz 16 5.2 5.20

Saturn 32 10.0 9.54

Uran 64 19.6 19.2

Neptun 128 38.8 30.06

J.D. Titus J.E. Bode

Odległości planet od Słońca

Reguła Tytusa Bodego z lat 1766-72

(jed. astr.)

k +

= a

_TB

0.4 0.3 

a_TB - średnia odległość planety od Słońca

2014-12-20 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 5 2014-12-20 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 6

Ślady małych planet na fotografiach nieba

(2)

Pas planetoid.

Miliony obiektów o rozmiarach od 1000 km – 1m … Materiał pozostały po nieutworzonej planecie

Obiekty typu NEO – Near Earth Objects

Orbita Ziemi Sun

NEAs Pas małych planet Orbita Jowisza

Orbita Marsa

Komety jowiszowe lub docierające z bardzo odległych obszarów, Obłoku Oorta

Obiekty typu NEO

Near-Earth-Object

2011.11.08 miało miejsce ciasne zbliżenie planetki z Ziemią

2005 YU55 (300-400 m średnica)

Planetki Ida (31.4 km) i Daktyl (1.4 km) – układ dynamicznie podwójny

(3)

Misja ‘Near’

do planetki 433 Eros

Start 17.02.1996

Lądowanie na Erosie 12.02.2001

Kometa Mc’ Naught, 27.01.2007

2014-12-20 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 17 2014-12-20 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

Jądro komety Wild 2 ~ 5 km średnicy

Warkocze - ogony komety Hale-Bopp

Budowa komety

Otoczka wodorowa

Jądro Koma Ogon pyłowy

Ogon gazowy

18

Ruch komety wokół Słońca

ogon pyłowy ogon gazowy

Fizyko-chemiczny model jądra komety – „brudna śniegowa kula”

Autor modelu kometarnego jądra F.L. Whipple.

Fizyczna aktywność jądra komety Komety zawierają drobne krzemowe skały oraz

cząsteczki : głównie H₂O i w mniejszej ilości CO₂, CO, OH, CN, amoniak, metan a także związki organiczne.

(4)

Sonda Rosetta – osadzenie próbnika Philae

na komecie 67P/Czuriumow-Gierasimienko

^{2 km}

Sonda Rosetta – osadzenie próbnika Philae na komecie 67/P

Kometa 67/P

Cele misji:

1. wygląd jądra komety, 2. morfologia powierzchni, 3. skład jądra: chemia, 4. skład izotopowy, 5. skład mineralogiczny, 6. własności fizyczne, 7. aktywność jądra.

Rozpad komet i planetoid

1/P Halley

C/1999 S4

Symulacja zderzenia dwóch małych planet 73P/Schwassmann 3

Spadek meteorytu Peekskill H6

1992, październik 9, 23:48 UT

Meteoryty

• ~10 meteorytów, dla których wyznaczono ich orbity

• 1000 meteorytów znaleziono obserwując ich spadek (obs. wizualna, przypadkowa),

• znacznie więcej znajduje się w muzeach, kolekcjach prywatnych.

Zbieranie meteorytów na Antarktydzie

(5)

Podział meteorytów

Do najważniejszych typów należą meteoryty:

• żelazne; zwykle w 100% z metali (żelazo, nikiel),

• kamienne; składają się z kamieni z niewielkim dodatkiem żelaza,

• żelazo-kamienne; mieszanina kamieni, metali w różnych proporcjach

Uważa się, że meteoryty kamienne składają się na płaszcz i skorupę planet ziemskich.

Figury Wid- manstaettena w meteorytch żelaznych

Podział meteorytów

Wiele meteorytów kamiennych zawiera sferyczne milimetrowe inkluzje zwane chondrami, występujące wyłącznie w meteorytach.

Takie meteoryty nazywane są chondrytami.

Chondry prawdopodobnie powstały drogą kondensacji materiału w mgławicy słonecznej. Jednak w przeszłości mogły ulec parokrotnemu nagrzaniu a nawet stopieniu. Ale nie doznały zmian metamorficznych przekształcających je w struktury znane pośród skał ziemskich.

Szczególne znaczenie mają chondryty węgliste zawierające dużo węgla, do 4%. Stanowią klasę meteorytów najbardziej zbliżonych do ciał powstałych w wyniku akrecji materii w mgławicy słonecznej.

Achondryty są to meteoryty kamienne nie zawierające chondr. Doznały przemian metamorficznych, zawierają mniej żelaza.

Są w pełni skrystalizowane jak skały ziemskie.

Deszcz meteorytów żelaznych w Canyon Diablo

Krater Barringera k. Winslow w USA

Large -> o rozmiarach 1 km i więcej Liczba planetek typu NEA odkrytych

w latach 1980 - 2011

Rozkład średnic planetek typu NEA 87%

39%

4%

<<1%

Eksplozja Tunguska

Rok 1908, czerwiec 30 60 55 N, 101 57 E

(6)

Superbolid czelabiński 2013.02.15 3:20 UTC

Jezioro Czebarkuł

Superbolid czelabiński 2013.02.15 3:20 UTC

V≈17.5 km/sek D ≈20 m ρ≈ 3 g/cm³

Energia kinetyczna równoważna 460 kT trotylu (TNT) - 20-30 razy więcej niż ilość energii uwolnionej podczas eksplozji bomby atomowej nad Hiroszimą.

Energia ta nie została uwolniona w jednym momencie. Część zaabsorbowała atmosfera.

Samoloty F16, 18 ~Mach 2 – 0.680 km/s Concorde Mach 1.8 0.600 km/s Boeing 747 Mach 0.9 0.310 km/s

S. czelabiński Mach 50

Układ Słoneczny

Układ Słoneczny stanowią:



Układ Planetarny



Słońce,



planety,



Obłok Oorta (komety)



Pas Kuipera (planety karłowate … ),



Pas planetoid (planeta karłowata…),



małe ciała:



planetki,



komety.



meteoroidy,



pył i gaz międzyplanetarny.

Światło zodiakalne świadczy o obecności pyłu w Układzie Słonecznym Droga mleczna

COBE/DIRBE - obraz nieba w podczerwieni

Zodiakalny pył w otoczeniu płaszczyzny ekliptyki Pył międzygwiazdowy w otoczeniu

płaszczyzny Galaktyki

Przykłady ziaren międzyplanetarnego pyłu

Pył pochodzenia kometarnego?

(7)

Los komet

Część komet ulega rozpadowi.

Przyczyną są procesy fizyko-chemiczne w jądrze komety

2006, rozpad komety Schwassman-Wachmann 3

Spadek komet na Słońce

Fotografia wykonana przez koronograf sondy SOHO

Średnica tarczy Słońca

Komety

O jedną kometę mniej

Spadek komety na Słońce

Rok 1994.

Ślady na Jowiszu po zderzeniu z fragmentami komety Shoemaker-Levi.

Fragmenty komety Shoemaker-Levi po ciasnym zbliżeniu z Jowiszem

Zderzenia komet z planetami

Część komet opuszcza US po zmianie orbity eliptycznej na hiperboliczną

„Wyrzut” komety z Układu Słonecznego Planety

Planeta Półoś wielka

Okres orbitalny

Okres obrotu

Średnica Masa Gęstość Księżyce naturalne

JA Rok Doba Km 10²³ Kg g/cm³ -

Merkury 0.387 0.24 58.65 4878 3.3 5.43 0

Wenus 0.723 0.62 -243.0 12100 48.7 5.24 0

Ziemia 1 1 0.99731 12756 59.8 5.52 1

Mars 1.524 1.89 1.026 6787 6.42 3.93 2

Jowisz 5.203 11.86 0.41 142800 18991 1.33 67

Saturn 9.539 29.46 0.44 120660 5686 0.69 53

Uran 19.18 64.07 -0.72 51118 868 1.27 27

Neptun 30.06 164.82 0.67 49528 1020 1.64 14

(8)

Porównanie rozmiarów ciał Układu Słonecznego

2014-12-20 50

Planety ziemskie

Planety olbrzymy

T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

Układ Planetarny – orbity niemal kołowe

Układ Planetarny jest płaski Niewielkie wzajemne nachylenia orbit

Porównanie planet ziemskich: Wenus, Ziemi i Marsa

Wenus, Ziemia i Mars

 Mają podobną początkową historię

 Powstały ~4.6 mld lat temu w wyniku zderzeń (sklejania się) składowej pyłowej mgławicy słonecznej

 po wielkim bombardowaniu (4 mld lat temu) pierwotna powłoka gazowa pochodzenia wulkanicznego i kometarnego uległa zróżnicowaniu na:

- atmosferę składającą się głównie z CO₂ - i na ocean wypełniony w większości H₂O Dalsza historia tych planet przebiegała odmiennie.

Mars: 3.9 mld lat temu występowanie ciekłej wody

Świadczą o tym ^ miejsca gdzie były kiedyś oceany,

 doliny rzeczne,

 pochodzenie niektórych minerałów

(9)

Mars

Pod koniec Wielkiego Bombardowania Mars:

 ochłodził się – powód? zmiana orbity (??),

 ustaje tektonika płyt,

 pochłanianie CO₂,

 sublimacja i fotoliza H₂O,

 pochłanianie O₂ – tlenki żelaza (kolor czerwony)

Mars: występowanie ciekłej wody dzisiaj?

Woda w postaci stałej:

 pod czapami polarnymi, w kraterach?

 w warstwie przygruntowej (spękania na powierzchni (dnie) oceanów

Wizja artystyczna!

Mars dzisiaj

Atmosfera Marsa:

 P= 6 hPa, T= -63^oC

 CO₂ – 95.3%

 N₂ – 2.7%

 CO – 11.8%

 H₂O – 0.003%

Wenus

Po Wielkim Bombardowaniu:

 ogrzanie powierzchni – efekt cieplarniany CO₂,

 wyparowanie wody, fotoliza wody na H₂ i O₂,

H₂ osiągają II-szybkość kosmiczną – ucieczka z Wenus

 wnętrze planety szybko stygnie: brak magnetosfery i tektoniki płyt.

Wenus dzisiaj

Atmosfera Wenus:

 P= 9.2 MPa, T= 470^oC

 CO₂ – 96.5%

 N₂ – 3.5%

 SO₂ – 0.015%

 H₂O – 0.002%

 występują gęste chmury zawierające H₂SO₄

Ziemia dzisiaj

Atmosfera Ziemi:

 P= 0.1 MPa, T= 0^oC

 N₂ – 78%

 O₂ – 21%

 Ar – 1%

 CO₂ – 0.04%

 H₂O – 0.4%

(10)

Szczególne cechy planety Ziemi

1.Jedynie na Ziemi w obfitości występuje woda w postaci ciekłej i stałej.

2. Jako jedyna posiada atmosferę bogatą w tlen.

3. Jedyna planeta z rozległymi obszarami skał bogatych w krzem (granit).

4. Jedyna z planet ziemskich posiadająca silne pole magnetyczne.

5.Jako jedyna z planet posiada szczególny ruch płyt litosferycznych.

W wyniku tej tektoniki na Ziemi doszło do utworzenia tzw.

dwu-modalnego rozkładu wysokościowego.

Powierzchnie lądów są usytuowane wyraźnie wyżej od powierzchni dna oceanów. Takiej separacji nie widzimy na innych planetach.

6. Jako jedyna z planet ziemskich posiada dużych rozmiarów Księżyc.

61

Względne rozmiary atmosfery i warstwy powierzchniowej, w których może żyć człowiek – dygresja

Równikowy promień Ziemi R=6370.140 km Wysokość atmosfery T=20 km Głębokość pod powierzchnią L=3 km

Ziemia w skali pomarańczy o r=5 cm W tej skali warstwa, w której może żyć człowiek ma grubość

Fizyka i Chemia Ziemi