Ziemi Fizyka i Chemia

(1)

Fizyka i Chemia Ziemi

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

IOA UAM Układ Słoneczny cz. 1

2016-01-03 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 1

Układ Słoneczny we Wszechświecie

„Piana” gromad galaktyk

Tak może wyglądać nasza Galaktyka

Układ Słoneczny Kometarny Obłok Oorta (Wizja artystyczna )

Tak wyglądałoby otoczenie Słońca z odległości ~2 lat św.

Układ Słoneczny.

Porównanie

rozmiarów orbit.

(2)

Pas planetoid.

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

Układ Słoneczny stanowią:



Słońce,



planety,



małe ciała,



pył i gaz międzyplanetarny.



Małe ciała:



planetki,



komety (krótkookresowe),



meteoroidy,



pas planetoid (planeta karłowata+…),



Pas Kuipera (planety karłowate … ),



Obłok Oorta (komety).

2016-01-03 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

Kometa Halleya

8

rok 1910

Układ Słoneczny stanowią:



Słońce,



planety,



małe ciała,



pył i gaz międzyplanetarny.



Małe ciała:



planetki,



komety (krótko-okresowe),



meteoroidy,



pas planetoid (planeta karłowata+…),



Pas Kuipera (planety karłowate … ),



Obłok Oorta (komety).

Układ Słoneczny Kometarny Obłok Oorta (Wizja artystyczna )

Jądro komety

9P/Tempel 1

(3)

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

Autor modelu kometarnego jądra F.L. Whipple

. Komety zawierają drobne krzemowe skały oraz cząsteczki : głównie H

2

O i w mniejszej ilości CO

2

, CO, OH, CN, amoniak, metan a także związki organiczne.

Jądro komety 67P/ Czuriumow -Gerasimenko - fotografia wykonana przez sondę Rosetta.

Rozmiary 4.1x3.3x1.8 km

Kometa Mc’ Naught, 27.01.2007

W pobliżu Słońca powstaje

intensywny warkocz gazowy,

skierowany w kierunku

odsłonecznym.

(4)

Odkrycie obiektów z pasa Kuipera

QB1 1992

QY9 1995

KR16 1999

Rozmiary orbit obiektów w Pasie Kuipera

Obiekty w dysku klasycznym Obiekty tzw

plutinos

Największe znane obiekty trans-Neptunowe (TINO)

~2400 km

(5)

Kometa Halleya

18

rok 1910

Układ Słoneczny stanowią:



Słońce,



planety,



małe ciała,



pył i gaz międzyplanetarny.



Małe ciała:



planetki,



komety (krótko-okresowe),



meteoroidy,



pas planetoid (planeta karłowata+…),



Pas Kuipera (planety karłowate … ),



Obłok Oorta (komety).

Układ Planetarny - klasyfikacja

Planety grupy ziemskiej:

Merkury Wenus Ziemia Mars

Planety olbrzymy:

Jowisz Saturn Uran Neptun

2016-01-03 20

Układ Planetarny – klasyfikacja

Planety ziemskie

Planety olbrzymy

T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

Ruch orbitalny planet odbywa się w kierunku zgodnym z ruchem obrotowym Słońca.

Ruch wirowy planet przebiega w różny sposób.

Orbita Plutona

Orbita komety Orbity planet

Nachylenie orbity Merkurego do ekliptyki i=7 stopni.

Układ planetarny tworzy płaski system.

Nachylenia płaszczyzn orbit

ciał w Układzie Słonecznym.

(6)

Układ Planetarny

Merkury Wenus Ziemia Mars Jowisz Saturn Uran Neptun 0.387 0.723 1 [JA] 1.524 5.203 9.539 19.18 30.06 Średnie odległości planet od środka Słońca w jednostkach astronomicznych . 1 JA = ~150 000 000 km

Planety

Planeta Półoś wielka

Okres orbitalny

Okres obrotu

Średnica Masa Gęstość Księżyce naturalne

JA Rok Doba Km 10

²³

Kg g/cm

³

-

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

Porównanie rozmiarów ciał Układu Słonecznego

Porównanie rozmiarów

ciał Układu Słonecznego

(7)

Powstanie Układu Słonecznego

~5 mld lat temu Słońce, planety, małe ciała powstały z materii skupionej w pierwotnym obłoku pyłowo gazowym.

Przykład materii obłoku gazu i pyłu...

Rezultat wybuchu gwiazdy supernowej Mgławica w Orionie, M42.

Poza gwiazdami gwiazdozbiór Oriona zawiera wiele obiektów typu mgławicowego

Mgławica M42 (Orion A)

2016-01-03 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 29 2016-01-03 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

Wielkie obłoki molekularne

•

Zimne: < 100 K

•

Gęste: 10

²

– 10

⁵

H

₂

molekuł/cm

³

(mniej niż w próżni w laboratoriach)

•

Olbrzymie: 30 – 300 lyr 10

⁵

– 10

⁶

mas słońca

•

Emisja molekularna (CO) oraz cząstki pyłu

•

100 stopni

© IRAS

30

(8)

Narodziny gwiazd Impulsem do powstania gwiazdy może być:

 turbulencja w obłoku molekularnym,

 zderzenia między fragmentami obłoku,

 wybuch pobliskiej supernowej

 …

W rezultacie tych impulsów w pewnych miejscach obłoku dochodzi do skupiania się i wirowania materii.

Powstaje protogwiazda.

2016-01-03 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 31 2016-01-03 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 32

Dysk proto-planetarny

 Grawitacja powoduje skupianie się fragmentu, obłoku, materia porusza się w kierunku centrum protogwiazdy.

 Ale nie cała materia obłoku dotrze do centrum.

Zgodnie z zasadą zachowania momentu pędu szybkość wirowania kurczącego się obłoku rośnie.

 Te fragmenty protogwiazdy, które osiągnęły odpowiednią szybkość „orbitalną” już nie będą opadać ku centrum.

 Wirują wokół centrum. Pozostaną w niemal stałej odległości od centrum, formując tzw. dysk proto- planetarny.

Struktura dysku proto-planetarnego – proto-słońce

W centrum dysku w miarę kurczenia, temperatura wzrasta, dochodzi do syntezy jądrowej.

W gorącym centrum powstaje proto-słońce a następnie Słońce.

W przypadku Układu Słonecznego wydarzyło się to ~5 mld lat temu.

Struktura dysku proto-planetarnego - planetozymale

W obszarach odległych od centrum temperatura nie jest wysoka. W obszarach złożonych z gazu i ziaren pyłu łatwo rozpoczyna się proces podobny do tego, który doprowadził do powstania dysku proto-planetarnego:

Powstają lokalne wirujące zagęszczenia materii.

Mikronowe grudki materii zlepiają się, po ~1000 lat tworzą już obiekty o rozmiarach 1 m.

Z czasem tworzą się z nich większe kilometrowe ciała zwane planetozymalami.

Planetozymale łącząc się (zderzenia), stanowiły budulec planet Układu Słonecznego .

Przekrój meteorytu Allende

(9)

Utworzenie planet – etapy pośrednie ….

Wielkie Bombardowanie (Late Heavy Bombardment - LHB)



Analiza dużych kraterów księżycowych wskazuje, że powstały w stosunkowo wąskim interwale czasu ~4 mld. lat temu.

(Badania izotopowe próbek księżycowych uzyskanych z misji Apollo)..



Nastąpiło to ~500-700 mln od powstania planet (akrecja niemal całej masy przez planety)



Hipoteza: duża liczba planetoid zderza się z młodymi planetami ziemskimi.

Zjawisko trwa ok. 200 mln lat. Okres ten nazywamy wielkim bombardowaniem.

Księżycowe kratery powstałe ~4 mld lat temu

Merkury

Przyszłość Układu Słonecznego

Warunki fizyczne na planetach zależą od przbiegu ewolucji Słońca.

Słońce jest gwiazdą ciągu głównego o typie widmowym G2.

Z upływem czasu będzie ewoluowało poprzez stadia:



stan gwiazdy stabilnej,



czerwonego olbrzyma,



mgławicy planetarnej,



białego karła,



czarnego karła.

Słońce

Średnica

[km] Masa [kg] Vu [km/s] Ok. obr.

[doba]

Ok. obie.

[doba] Temp [K] a [JA]

1 400 000 2*10³⁰ 617.5 34 - 5500 -

Solar Dynamic Observatory od 2010.02.10 na orbicie

(10)

Słońce – kula gazowa, gwiazda typu G2

Średnica

[doba]

Ok. obie.

1400 000 2*10³⁰ 617.5 24-31 - 5500 -

Vu – prędkość ucieczki ze Słońca (II prędkość kosmiczna) Ok. obr – okres obrotu wokół osi, względem gwiazd,

Ok. obie. – okres obiegu orbitalnego wokół Słońca, Temp – temperatura na powierzchni Słońca, a – średnia odległość od Słońca .

Aktywność Słońca

Plamy na powierzchni Słońca.

Protuberancje – gigantyczne wyrzuty materii słonecznej

2015-04-22 Natura obs. Astronomicznych 43

150 mln km

„Wiatr” słoneczny : - jądra atomowe,

-

cząstki elementarne: protony,

-

elektrony, neutrina

Niektóre cząstki „wiatru”

po spirali dostają się do atmosfery wywołując zorze polarne

Wpływ aktywności Słońca na magnetosferę Ziemi

Wnętrze Słońca – schemat.

Jądro wodorowo helowe. (15 mln K)

Strefa radiacyjna przeźroczysta dla fotonów

Strefa konwekcyjna nieprzeźroczysta dla fotonów

Skład chemiczny Słońca:

•

wodór ~70%,

•

hel ~27%

cykl p-p

p- proton, D- deutr, He – hel γ - cz. gamma, e+ - pozyton ν – neutrino.







 p D e

^

p







 p He

D ³

p p He He

He 

³



⁴

 

3

Źródło energii

promienistej Słońca –

rezultat przemiany

wodoru w hel, np.

(11)

Merkury

Średnica

[doba]

Ok. obie.

4878 3.3*10²³ 4.3 58.65 87.98 452 0.387

Mariner 10 (1974) fly by

Messenger orbiter (2011)

II prędkość kosmiczna (prędkość ucieczki) - V _U

Ruch termiczny cząstek atmosfery

R V _U  2 GM

M – masa planety R – promień planety G- stała grawitacji

V

_U

< V

_gas

- cząsteczka ucieka z planety w kosmos

Powierzchnia Merkurego: morza, urwiska, kratery, ... .

Budowa wewnętrzna Merkurego

(12)

Wenus

^Średnica_[km] Masa [kg] Vu [km/s] Ok. obr.

[doba]

Ok. obie

12104 4.87*10²⁴ 10.4 243.0 224.7 726 0.723

Lądownik BEHEPA 9 (1975)

2016-01-03

50 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

Wenus 2007

Wenus Struktury powierzchniowe

(13)

2016-01-03 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 54 2016-01-03 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

Wnętrze planety Wenus

55

Ziemia

Średnica

[doba]

Ok. obie.

12756 5.98*10²⁴ 11.4 23.93 365.26 281 1

Współczesne sposoby monitorowania Ziemi

Satelita Ers-1

(14)

Współczesne sposoby monitorowania Ziemi

Zakresy fal E-M w monitorowaniu Ziemi

Pomiary altimetryczne

Współczesne sposoby monitorowania Ziemi

(15)

Ziemska atmosfera – prognozowanie pogody

Zawartość ozonu nad biegunami Ziemi

Topografia mórz, lądów, płyt tektonicznych

(16)

Monitorowanie Antarktydy

Ukształtowanie lądów

Komputerowa synteza obrazów 3D

Monitorowanie zmian środowiska naturalnego

Ślady eksploatacji lasów w Amazonii

Ślady w atmosferze w wyniku ruchu lotniczego

(17)

Mars

[doba]

Ok. obie

6787 6.42*10²³ 5.0 1.026 686.98 210 1.524

Widok z lądownika Wiking (1976)

Lądowanie robota SPIRIT na Marsie

(Robot aktywny w latach 2004-10)

Kanały na Marsie?

Mapa powierzchni Marsa ~1900 G. Schaparelli.

Mars, struktury powierzchniowe

(18)

Mars, struktury powierzchniowe

Mars, obszary polarne

Mars, struktury powierzchniowe

(19)

Mars, szczegóły na powierzchni

Mapa powierzchni Marsa

Budowa wnętrza Marsa

Marsjańskie księżyce

Deimos

Phobos

(20)

2016-01-03 83

Układ Planetarny – klasyfikacja

Planety ziemskie

Planety olbrzymy

T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

Jowisz

[godz]

Ok. obie

[lata] Temp [K] a [JA]

142 800 1.9*10²⁷ 59.5 9.8 11.86 120 5.203

Misje Pioneer 1973, Voyager 1979, Galileo 1989 Cassini-Huygens 1997

1989 1973

1979

1997

Zjawiska w atmosferze

Struktury powierzchniowe

(21)

Budowa wnętrza Jowisza

88

Księżyce Jowisza

2016-01-03

89 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

Obecnie odkryto 67 księżyców Jowisza

Pierścienie planet składają się z ogromnej liczby niewielkich ciał.

Wizja „artystyczna”

4 największe księżyce Jowisza (tzw. Galileuszowe) Aktywność wulkaniczna na księżycu Io

AD 1979)

(22)

Saturn

Średnica

[godz]

Ok. obie

120660 5.69*10²⁶ 35.6 10.2 29.46 88 9.539

Misje Pioneer 1973, Voyager 1979, Galileo 1989 Cassini-Huygens 1997

1989 1973

1979

1997

Struktury powierzchniowe na Saturnie

Zjawiska w atmosferze Saturna

Zorze polarne

Wyładowania atmosferyczne

Pierścienie Saturna

(23)

Wnętrze Saturna

Księżyce Saturna

Obecnie odkryto 53 księżyce Saturna)

2016-01-03 Mimas (2010) T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 98

Enceladus (2005)

Dione (2009)

Thetys

Tytan i Thetys (2009

)

Hiperon (2005) Iapetus (2007)

Misja Huygens do księżyca Tytan

Lądownik sondy Huygens „usiadł” na Tytanie w roku 2005

(24)

Trajektoria sondy Cassini-Huygens w latach 1997-2004

Jeziora metanowo-etanowe na Tytanie.

Po prawej porównanie rozmiarów z Jeziorem Superior Sonda Huygens

Obrazy powierzchni Tytana

Mapa powierzchni Tytana (2005 …)

Uran

1986 Średnica

[godz]

Ok. obie

51118 8.68*10²⁵ 21.3 17.9 84 59 19.18

(25)

Wnętrze Urana

Atmosfera, pierścienie i księżyce Urana

Księżyce Urana - odkryto 27

Miranda największy księżyc Urana

Miranda

2016-01-03 107

T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi Ariel

Umbriel Tytania

Oberon

Księżyce Urana

(26)

Neptun

1989 Średnica

[km] Masa [kg] Vu [km/s] Ok. obr [godz]

Ok. obie

49528 1.02*10²⁶ 23.3 19.1 164.8 48 30.06

Odkrycie Neptuna

Uran przyspieszany przez Neptuna Uran spowalniany

przez Neptuna

Odkrycie Neptuna rok 1846

U. Le Verrier J.C. Adams

Na podstawie zakłóceń w ruchu Urana przewidują istnienie kolejnej planety.

Obliczają jej położenia na sferze niebieskiej.

Le Verrier wysyła swoje obliczenia do Obserwatorium Berlinskiego.

Odkrycie Neptuna

23 wrzesień 1846, Galle znajduje Neptuna odległego o 1 stopień od przewidzianego położenia

Johann G. Galle

(27)