Fizyka i Chemia

Fizyka i Chemia Ziemi

T.J. Jopek

jopek@amu.edu.pl IOA UAM

Temat 2: Natura obserwacji astronomicznych

Modele Wszechświata

Dlaczego współczesne modele są bliższe prawdy?

Czy jesteśmy bardziej inteligentni od astronomów starożytnych?

Opanowaliśmy metodę

naukową i rozwinęliśmy technikę.

Dlaczego współczesna nauka i technika powstały w Europie a nie w Egipcie,

Babilonie, Chinach, Indiach, Ameryce ...?

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 2

Metoda naukowa



Stawianie problemów - hipotez, które można weryfikować.



W naukach przyrodniczych, weryfikacja hipotezy pociąga jej konfrontację z doświadczeniem.



Hipoteza sprzeczna z doświadczeniem jest odrzucana.

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 4

Natura obserwacji astronomicznych

Obserwable w astronomii:



cząsteczki, bryłki materii kosmicznej,



cząsteczki elementarne,



promieniowanie elektromagnetyczne.

Obiekty obserwowane we Wszechświecie

7

Zjawisko meteoru

Energia kinetyczna super bolidów  energii wybuchów jądrowych

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 7

Bolidy 1-10 m średnicy

9

Spadek meteorytu Peekskill H6

1992, październik 9, 23:48 UT

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 9

Obserwacje TV

meteorów

11

Automatyczna Kamera Bolidowa (Ondrejov)

Fot. P. Spurny

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 11

Sieć kamer bolidowych

© Pracownia Komet i Meteorów

13

Obserwacje bazowe meteorów

i a

e

t _Obs , , , , ,

, r   

r   

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 13

15

Wiele gwiazd posiada drobną składową: pyl, ... .

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 15

COBE/DIRBE - obraz nieba w podczerwieni

Zodiakalny pył w otoczeniu płaszczyzny ekliptyki

Pył międzygwiazdowy w otoczeniu

płaszczyzny Galaktyki

17

Gwiazdy i pył

w Koronie Południowej

© WIYN, Inc., 3.5-m WIYN Telescope

Interstellar Dust-Bunnies of NGC 891

© Loke Kun Tan

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 17

Rozpad komet i planetoid

1/P Halley

C/1999 S4

Symulacja zderzenia dwóch małych planet 73P/Schwassmann 3

Pochodzenie meteoroidów

19

Głazy na powierzchni planetki 433 Eros

Kratery na powierzchni komety 81P/Tempel

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 19

Meteoroidy powstają w wyniku utworzenia kraterów

Księżyc

Mimas

Daktyl

Ruch komet i planetek NEA

Opis ruchu ciał względem Śłońca

elementy orbity: a, e, , , i, T

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 21

22

Pochodzenie strumieni meteoroidów

Giotto mission ESA

zewo Subli

radi S

U S

E E

E E

E E

Pr

Re  





Bilans energii

Wyrzutu materii kometarnej

gs ...

sp gc

p

m F F F F

F    

Siły działające na uwolniony meteoroid

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 23

Fizyka wyrzutu materii kometarnej

c c m

m c

m

c GR

r R m

kT nH

R r

, r ) F ,R

V(R  









3 8 4

3 8 ^{0 . 5} _{0 . 25}

0

2  

 

 



  ^

Formuła na szybkość wyrzutu meteoroidu, (m/sek)

Powstanie strumienia meteoroidowego

Faza I.

Rój meteoroidów

Cząstki pyłu wyrzucanye są z szybkością ~10-100 m/s z powierzchni komety

c m

c

m r r r

r  ;   

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 25

Ewolucja strumienia meteoroidowego

Faza II.

Strumień meteoroidów

c m

c

m r r r

r  ;   

Strumień meteoroidów

Kwadratydy

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 27

Natura obserwabli astronomicznych

Cząsteczki, bryłki materii pozaziemskiej:



do niedawna jedyne źródło materii kosmicznej



materia badana w laboratoriach fizyko-chemicznych metodami typowymi dla fizyki i chemii



jak dotąd obserwacje tych obiektów niewiele wniosły do współczesnego kosmologicznego obrazu

Wszechświata,



grają ważną rolę w badaniach Układu Planetarnego,



meteoroidy dostarczają na powierzchnie Ziemi

materiał organiczny

Natura obserwabli astronomicznych

Obserwable astronomiczne:



cząsteczki, bryłki materii kosmicznej,



cząsteczki elementarne,



promieniowanie elektromagnetyczne.

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 30

Cząsteczki elementarne

W przestrzeni około ziemskiej obserwowane są

•

jądra atomowe,

•

cząstki elementarne jak protony, elektrony … neutrina

Materią tą zajmuje się fizyka promieniowania X.

Niełatwo jest wyznaczyć trajektorię tych cząstek.

Wiemy, że jednym z ich źródeł jest Słońce.

Aktywność Słońca

Wiatr słoneczny

- jądra atomowe,

-

cząstki elementarne:

-

protony,

-

elektrony,

-

neutrina

SDO - Solar Dynamics Observatory

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 32

Od 2010.02.10 na orbicie

Cel – ciągła obserwacja

aktywności Słońca oraz

jej skutków na otoczenie

Ziemi.

Aktywność Słońca -

protuberancje

Cząstki słoneczne

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 34

Cząstki słoneczne w atmosferze Ziemi

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 36

Efekt działania wiatru słonecznego

Detecting Neutrinos

Super Kamiokande Mozumi Mine, Japan

50,000 tons of water

Neutrinos

Neutrina słoneczne – detektor Super-Kamiokande

Widok Słońca w neutrinach.

Pole widzenia 90x90 stopni

Rezultat 500 dniowych obserwacji

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 38

Sonda Genesis, cel - pobranie próbek

z wiatru Słonecznego i dostarczenie ich na Ziemię. (2001-2004)

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 40

Planowane przechwycenie sondy

Genesis

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 42

Natura obserwabli astronomicznych

W astronomii, mamy trzy rodzaje obserwabli:



cząsteczki, bryłki materii kosmicznej,



cząsteczki elementarne,



promieniowanie elektromagnetyczne.

Współczesny obraz Wszechświata, współczesna kosmologia głównie opiera się na obserwacjach promieniowania

elektromagnetycznego docierającego z kosmosu w okolice Ziemi .

Promieniowanie EH

Promieniowanie E-H można wykryć w wyniku jego oddziaływania z materiałami jakie napotyka na swej drodze.

Energia promieniowania transformowana jest w inną postać dogodną do ilościowego określenia.

Ciąg przemieszczających się zaburzeń elektrycznych

i magnetycznych

44

Promieniowanie EH

Natura falowo-korpuskularna Dla fali płaskiej mamy:

 

 



  



 

  

  

c t x

E

E   ₀ cos 2

Poyntinga wektor

; i

, , E

x 0 0

0 0

H E

H E

i H

i E H

x x







 

 









 







 

 



  



 

  

  

c t x

H

H   ₀ cos 2

x

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

Promieniowanie EH

•

fala EH rozprzestrzenia się z szybkością v charakterystyczną dla danego ośrodka

•

częstość promieniowania ν jest dla danej fali wielkością stałą

•

długość fali λ jest zależna od ośrodka, przez który fala E-H przechodzi

•

dla próżni, analogiczny związek ma postać

   v

   c

0

•

w próżni szybkość propagacji fali E-H wynosi c i jest fundamentalną

stałą fizyczną

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 46

Właściwości propagacyjne ośrodka charakteryzowane są stosunkiem :

c

v   n   

n - współczynnik załamania ośrodka, ε - przenikalność dielektryczna ośrodka, μ - przenikalność magnetyczna ośrodka.

Własności kwantowe promieniowania reprezentuje formuła :

E m c   ²   h 

h - stała Plancka

m – masa fotonu

Oprócz energii, fotonom można przypisać odpowiadającą im temperaturę:

[K]

k

T  h  

gdzie k - stała Boltzmana.

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 48

Pasmo Długość fali Częstość (Hz) Energia (J) Tempera. (K) Gamma < 0.1 nm >3 ·10 ¹⁸ >2 ·10 ^-15 >10 ⁸

Rentgenowskie 0.001-100 nm 3·10 ²⁰ - 3· 10 ¹⁵ 2 ·10 ^-13 - 2 ·10 ^-18 10 ¹⁰ – 10 ⁵ Ultrafioletowe 10-300 nm 3 ·10 ¹⁶ - 10 ¹⁵ 2·10 ^-17 - 7·10 ^-19 10 ⁶ -5 ·10 ⁴ Optyczne 300 nm-1μ m 10 ¹⁵ - 3 ·10 ¹⁴ 7·10 ^-19 - 2·10 ^-19 5·10 ⁴ – 10 ⁴ Podczerwone 1 μm-1 mm 3·10 ¹⁴ - 3·10 ¹¹ 2·10 ^-19 - 2·10 ^-22 10 ⁴ – 10 Mikrofalowe 1 mm-3 cm 3·10 ¹¹ - 10 ¹⁰ 2·10 ^-22 - 7·10 ^-24 10 - 0.5 Radiowe 1 mm-30 m 3·10 ¹¹ - 10 ⁷ 2·10 ^-22 - 7·10 ^-27 10 - 5·10 ^-4

Widmo fal elektromagnetycznych

Okna atmosferyczne

5000 A - okno wizualne 1 m - okno radiowe.

100 m - w wysokich górach możemy rejestrować

promieniowanie podczerwone

50

bryłki materii kosmicznej

meteoroidy, mikrometeoroidy, cz. Brownlee

jądra atomowe, cząstki elementarne:

elektrony, protony, jądra atomowe, ...

promieniowanie E-H

•

kierunek propagacji, położenie obiektu:

astrometria, astronomia pozycyjna,

•

energia, jasność obiektu:

astrofizyka, fotometria, spektroskopia

•

polaryzacja: astrofizyka

Natura obserwabli astronomicznych

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

Natura obserwacji astronomicznych

Obserwacje promieniowania E-M zawsze dokonywane są za pomocą zestawu urządzeń będących układem typowego przetwornika.

Kolektor

promieniowania Detektor

Przetwornik a)

b)

Każdy przetwornik oddziałuje z odbieranym sygnałem, wskutek czego część

energii sygnału zostaje stracona, a jednocześnie sygnał ulega modyfikacji,

zniekształceniu

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 52

W tym celu:

Obserwator wyznacza poprawki do rejestrowanego sygnału, czyli określa wszystkie istotne błędy systematyczne.

Zniekształcenia sygnału o charakterze losowym opracowuje za pomocą statystyki matematycznej.

Konieczne są:

•

kalibracja narzędzia obserwacyjnego,

•

opracowanie obserwacji

Natura obserwacji astronomicznych

Obserwacje wykonywane na powierzchni Ziemi

Dodatkowe zniekształcenia sygnału:

•

oddziaływanie atmosfery;

propagacja promieniowania E-H przez zmienny ośrodek

•

ruch Ziemi (obserwatora);

wpływa na rejestrację kierunku propagacji promieniowania E-H

•

zmienność układu odniesienia, w którym dokonywane są

obserwacje

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 54

Atmosfera Ziemi

Średnica Ziemi = 12756 km

Wysokość jonosfery = 350 km Grubość troposfery przyjaznej dla człowieka = 7-8 km,

0.0006 rozmiarów Ziemi

Atmosfera Ziemi

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 56

Straty energii, ekstynkcja : absorbcja, rozpraszanie

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 58

dw

w

z

dw sec z

Ekstynkcja,

straty energii Straty energii ~25%

Refrakcja, zmiana

Kierunku propagacji fali EH

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 60

Refrakcja.

Model

płaskiej atmosfery

z n

z z

R

z z

n

z z

n z

n

tan )

1 (

sin sin

sin 1

...

sin sin

0 0

0 0

1 1

0 0



















Scyntylacje i seeing

(Chwilowa ekstynkcja i refrakcja)

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 62

Pasmo radiowe,

refrakcja jonosferyczna

Kierunek przyjścia fotonów ulega także zmianom z powodu ruchu obserwatora w przestrzeni

kosmicznej

Zmiany te wiążą się ze zjawiskami aberracji i paralaksy kierunku propagacji promieniowania

Przemieszczenie obserwatora a kierunek propagacji fali E-H

G G’

r Z

p R sin sin 

[pc]

r 1 ,

'' r p 

R r

r   



 '

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 64

Ruch obserwatora a kierunek propagacji fali E-H

Aberracja kierunku propagacji fali EH:

Ruchomy obserwator

Δθ = Δθ _I + Δθ _II

Wideo Massimo Mogi Vicentini

Natura precesji LS i nutacji osi rotacji bryły Ziemi

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 66

Precesja Luni-Solarna osi rotacji bryły Ziemi

Ruch układu odniesienia: precesja i nutacja

Biegun świata P z epoki T

przesunął się do położenia P

.

Odpowiednie zmiany położenia punktu równonocy to: ϒ do ϒ

.

Tempo ruchu punktu równonocy wynosi

~50’’/rok.

Precesja Luni Solarna:

- ruch bieguna świata i punktu równonocy wokół bieguna ekliptyki.

- ruch układu odniesienia jako całości.

Nutacja: wahania prawdziwego bieguna świata

(±9’’) wokół trajektorii średniego bieguna.

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 68

Ruch układu odniesienia: precesja planetarna

Biegun ekliptyki K z epoki T

przesunął się do położenia K

.

Ruch bieguna ekliptyki pociąga zmiany położenia punktu

równonocy z ϒ do ϒ

.

Tempo ruchu punktu równonocy wynosi ~0.5’’/rok.

Precesja planetarna:

- ruch bieguna ekliptyki i punktu równonocy wokół bieguna świata,

- ruch układu odniesienia jako całości.

Ekliptyka i jej bieguny zmieniają swoje położenie w wyniku

perturbacji planet na ruch układu Ziemia Księżyc.

Obserwacja kierunku przyjścia prmomienowania EH:

- błędy instrumentalne, instrumentalny profil, - refrakcję astronomiczną,

- aberracje (dobową, roczną, planetarną), - paralaksę (dobową, roczną, wiekową), - precesję i nutację,

- statystyczne metody opracowania pomiarów, - inne zagadnienia np. zagadnienie skali czasu.

Kalibracja, opracowanie obserwacji astronomicznych

Obserwacje fotometryczne (energia promieniowania EH):

- błędy instrumentalne,

- uwzględnienie ekstynkcji atmosferycznej,

- statystyczne metody opracowania pomiaru.

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 70

Obserwacje astronomiczne: cele

- mapy sfery niebieskiej,

- katalogi współrzędnych gwiazd: fundamentalne, względne, katalogi fundamentalne definiują układ odniesienia,

- ruch ciał (efekt Dopplera, zmiany położeń ciał niebieskich), - masy gwiazd (ruchy gwiazd w układach podwójnych)

- odległości do gwiazd (paralaksy trygonometryczne).

- liniowe rozmiary ciał niebieskich, - skład chemiczny (spektroskopia),

- zastosowania praktyczne: nawigacja, GPS, sondy,

- zastosowania mniej praktyczna: kosmogonia, kosmologia.