Ciała tworzące Układ Słoneczny
advertisement
Ciała tworzące Układ Słoneczny Układ Słoneczny składa się z następujących obiektów: Słońca. Czterech skalistych planet – Merkurego, Wenus, Ziemi i Marsa oraz ich księżyców. Pasa planetoid. Czterech gazowych planet – Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna oraz ich Księżyców. Różnych niewielkich obiektów leżących poza orbitą Neptuna, w tym : o obiektów pasa Kuipera, w tym między innymi Plutona, który do niedawna był zaliczany do planet, obecnie jednak jest traktowany jako planeta karłowata o obłoku Oorta. Każdy z obiektów Układu Słonecznego należy do jednej z 3 kategorii: planet (jest ich osiem) planet karłowatych (jak dotąd oficjalnie są trzy, w praktyce przynajmniej kilkadziesiąt) małe ciała Układu Słonecznego (bardzo duża liczba). PAS (PIERŚCIEŃ) KUIPERA To rejon poza orbitą Neptuna w przybliżeniu w odległości 30 do 100 AU od Słońca zawierający wiele małych, lodowych ciał. Obecnie sądzi się, że jest to źródło komet krótko – okresowych. Sporadycznie orbity obiektów z Pasa Kipera zostaje zakłócone przez oddziaływanie grawitacyjne wielkich planet w taki sposób, że ciała te przechodzą przez orbitę Neptuna. Jeżeli dodatkowo przejdą one w pobliżu planety to zostaną najprawdopodobniej wypchnięte poza Układ Słoneczny lub wejdą na orbitę krzyżującą się z innymi planetami, co spowoduje, że mogą się one dostać do samego centrum Układu. Nazwa tego obiektu pochodzi od nazwiska Gerarda Kipera, który przewidział istnienie tych ciał w roku 1950. Pierwsza planetoida należąca do pasa została odkryta w 1992 przez D.Jewitt i J. Luu za pomocą teleskopu w obserwatorium na Mauna Kea (Hawaje). W chwili obecnej jest znanych około 800 obiektów znajdujących się w tym obszarze. W okresach 2-3 letnich grawitacyjne protuberancje wytrącają obiekty z ich orbit i stają się one chwilowymi kometami krążącymi wokół Słońca. POWSTANIE UKŁADU SŁONECZNEGO Słońce jest naszą najbliższą gwiazdą. Jego promieniowanie wpływa na całą naszą przyrodę. Bez Słońca nie było by planet ani nie powstałoby życie na Ziemi. Jednym słowem nie było by nas. Wszystko zaczęło się ponad 4,5 mld lat. Potężny obłok pyłu, gazu i prostych cząsteczek, wypełniający przestrzeń między gwiazdami w naszej Galaktyce, Drodze Mlecznej, zaczął się zapadać pod wpływem własnej siły ciążenia. Wskutek ciągłego wypromieniowania energii gorący pierwotnie obłok ochłodził się do tego stopnia, że ciśnienie gazu w jego wnętrzu nie mogło już zrównoważyć grawitacji. Pierwotnie obłok ten miał dość nieregularny kształt oraz moment pędu, czyli obracał się wokół własnej osi. Podczas gdy coraz bardziej się zapadł, a przy tym, oczywiście, kurczył, wirował coraz szybciej. Mamy tu więc doczynienia z tym samym zjawiskiem, jakie możemy zaobserwować u łyżwiarza figurowego wykonującego piruet: gdy przybliża do ciała szeroko początkowo rozpostarte na boki ramiona, wiruje coraz szybciej. Równolegle do osi obrotu działa w obłoku w zasadzie jedynie siła ciążenia, natomiast prostopadle do niej zarówno grawitacja, jak i siła odśrodkowa. Obłok kurczył się więc przede wszystkim w kierunku zgodnym z osią obrotu, a w mniejszym stopniu prostopadle do niej, tak że w końcu powstał mniej lub bardziej wyraźnie ukształtowany gazowo-pyłowy dysk ze stosunkowo gęstym jądrem. fot. Dysk protoplanetarny-wizja artystyczna (autor: NASA) Dalsze zagęszczanie się obłoku zależy teraz głównie od tego, jak duży jest jego moment pędu, a co za tym idzie-siła odśrodkowa. Zbyt duży moment pędu może bowiem przeszkodzić ześrodkowaniu się mas gazu. Obłok musi więc przede wszystkim pozbyć się momentu pędu. Jednak z godnie z prawami natury moment ten nie może bezpowrotnie przepaść. Jego część musi więc zostać przekazana innemu partnerowi. Jak obłok zdoła to zrobić?. Po pierwsze może się podzielić, to znaczy rozpaść na dwa lub trzy mniejsze obłoki, z których każdy przejmie część pierwotnego całkowitego momentu pędu i stanie się gwiazdą, dzięki czemu powstanie układ podwójny lub wielokrotny. Wariant ten jest pójściem po linii najmniejszego oporu, gdyż co najmniej trzy czwarte wszystkich gwiazd narodziło się jako gwiazdy podwójne lub nawet potrójne. Inny wariant znacznie rzadszy: gwiazda przychodzi na świat jako jedynaczka, a to oznacza, że nie ma innego wyjścia, jak tylko przemieścić moment pędu z masywnego jądra do otaczającego go gazowo-pyłowego dysku, a z niego- na obrzeża obłoku. Moment pędu w środku dysku jest więc teraz odpowiednio mały, by gaz i pył mogły się tu zagęścić w stosunkowo powoli obracającą się kulę, tak zwaną protogwiazdę. Większa część momentu pędu zawarta jest wówczas w zewnętrznych częściach gazowo-pyłowego dysku i zostanie później przejęta przez planety, które z niego powstaną. W naszym Układzie Słonecznym jest to szczególnie wyraźnie widoczne: Słońce skupia wprawdzie około 99,8% całkowitej masy Układu, ale udział Słońca w łącznym momencie pędu wynosi tylko 0,5%. Praktycznie wic cały moment pędu Układu Słonecznego zawarty jest w rotacyjnych i orbitalnych momentach pędu planet. Na końcu tego procesu ewolucyjnego, który trwał około miliona lat, pojawiła się protogwiazda-gwiezdny noworodek. I ta dziecina się rozwijała. Dzięki sile przyciąganie ściągała coraz więcej gazu z otaczającego ją dysku, w związku z czym jej masa stale rosła. Gęstniało jednocześnie jej jądro za sprawą ciągle zwiększającej się grawitacji. Spadanie mas gazu na powierzchnię protogwiazdy oraz wzrost jej gęstości coraz bardziej rozgrzewały jej jądro, tak że w końcu zaczęła świecić. W tym stadium zużywała swą energię wyłącznie na drodze przekształcania energii grawitacyjnej w promieniowanie. Protogwiazda, której masa odpowiadała masie naszego Słońca, mogła wypromieniować od sześciu do sześćdziesięciu razy więcej energii niż Słońce. Mimo to nie byłą wówczas widoczna. Emitowała bowiem energię głównie w postaci wysokoenergetycznych fotonów, natychmiast pochłanianych przez atomy wchodzące w skład otaczającego ją obłoku gazowo-pyłowego. Dalsze procesy emisji i absorpcji powodowały stopniowy wzrost długości fali promieniowania, a zarazem spadek jego energii. Dopiero gdy promieniowanie ostygło do tego stopnia, że przekształciło się w fale podczerwone, zaczęło przenikać przez otaczający gaz. Protogwiazda zdradzała swą obecność zatem tylko dlatego, że pobudzała obłok do intensywnego świecenia w podczerwieni. Z czego składa się ta młodociana gwiazda? Powstała ze zgęszczonego fragmentu obłoku gazowo-pyłowego, który był złożony z atomów, które w początkowej fazie istnienia Wszechświata zostały utworzone podczas tak zwanej nukleosyntezy pierwotnej. W Kosmosie znajdowały się wtedy praktycznie wyłącznie wodór i hel, w stosunku trzy do jednego. Powstało oprócz tego trochę deuteru, mniej więcej dwa jądra tego izotopu wodoru na 100 000 jąder zwykłego wodoru, i jeszcze w przybliżeniu 100 000 razy mniej litu. Taki sam był skład obłoków materii międzygwiazdowej, czyli ośrodka międzygwiazdowego, wzbogacony dodatkowo niewielką ilością pyłu i pierwiastkami ciężkimi pochodzącymi z wybuchu nieistniejącej już wtedy, masywnej gwiazdy (supernowej). Protogwiazda, będąca dzieckiem takiego obłoku, składała się zatem, z grubsza rzecz biorąc, z 75% wodoru, 25% helu oraz śladowych ilości deuteru i cięższych pierwiastków. Protogwiazda stawała się więc coraz gorętsza, gorętsza, a w jej jądrze stale wzrastało ciśnienie. W końcu zgęstniała do tego stopni, że jej temperatura osiągnęła około miliona stopni. Teraz do zachodzącego dotychczas wyzwalania energii wskutek zapadania się prasłońca doszło jeszcze jej wytwarzanie na drodze kolejnego procesu. Przy tak wysokiej temperaturze jąder deuteru i zwykłego wodoru zderzały się bowiem na tyle mocno, że łączyły się, tworząc hel-3. Jest to jądro helu, w którym brakuje jednego nukleonu, a dokładniej jednego neutronu. Hel-3 to jeden z izotopów helu. Od tej chwili młoda gwiazda uzyskiwała swą energię dodatkowo z procesów reakcji termojądrowej, w tym wypadku tak zwanego spalania deuteru, czyli fuzji (syntezy jądrowej) deuteru i zwykłego wodoru. Powstające wówczas wysokoenergetyczne fotony (kwanty gamma) nie mogły jednak swobodnie opuszczać prasłońca ze względu na jego wielką gęstość. Niemniej wyzwolona energia musiała zostać w jakiś sposób odprowadzona na powierzchnię protogwiazdy, która w przeciwnym razie szybko by wybuchała. Ponieważ nie było to możliwe (lub też możliwe tylko w bardzo ograniczonym stopniu) na drodze promieniowania, przyroda zastosowała inną metodę, znaną nam najlepiej z kuchni. Gdy woda w garnku zacznie wrzeć, transportuje ciepło od dna do samej góry. Gorące bąble wody wznoszą się, ochładzają na powierzchni i na powrót opadają. Proces ten określa się mianem konwekcji. Całą zawartość garnka zostaje dzięki niemu dokładnie wymieszana. To samo dotyczy naszej protogwaizdy. Choć stężenie deuteru było w niej bardzo małe, w opisanym procesie powstawała duża ilość energii w postaci ciepła, które dzięki konwekcji zostawało dość równomiernie rozprowadzone we wnętrzu tego młodego ciała niebieskiego. Pod wpływem zachodzących procesów protogwiazda pęczniała. Młodociana gwiazda o masie Słońca mogła w tym stadium mieć pięciokrotnie większą od niego średnicę. Ponieważ konwekcja nieustannie dostarczała do jej jądra - a więc do miejsca, w którym było najgoręcej i gdzie przebiegały reakcje termojądrowe-nowego paliwa, ów proces skończył się, gdy wyczerpał się cały zapas deuteru, jakim protogwiazda dysponowała. Gdy spalanie deuteru się zakończyło, znikło również ciśnienie termiczne we wnętrzu protogwiazdy. Górę wzięła grawitacja i młoda gwiazda zaczęła się ponownie kurczyć. Jej gęstość zwiększała się, stale rosła również temperatura jej wnętrza. Gdy osiągnęła około 15 mln stopni, rozpoczęła się kolejna reakcja termojądrowa, spalanie wodoru. W procesie tym poprzez kilka kolejnych etapów przejściowych dochodzi do połączenia się czterech jąder wodoru-czyli innymi słowy, czterech protonów- w jądro helu. Teraz gwiazda mogła już do wytwarzania energii wykorzystać swe olbrzymie zasoby wodoru. Wraz z rozpoczęciem spalania wodoru fot. Formowanie się Układu Słonecznego protogwiazda stała się wreszcie prawdziwą Wielki wybuch (źródło: gwiazdą, która od tej chwili, zależnie od masy www.aerospaceweb.org) początkowej, może korzystać ze swych zapasów wodoru od miliona do stu miliardów lat. Ciśnienie promieniowani, które działa podczas tego procesu we wnętrzu gwiazdy, równoważy jej siłę ciążenia i przeciwdziała dalszemu zapadaniu się. W przypadku naszego Słońca doszło do tego mniej więcej po 40 mln lat jego ewolucji. Jak się jeszcze przekonamy, jest to stosunkowo krótki okres w porównaniu z czasem, przez który Słońce, począwszy od tego momentu, wytwarza energię ze spalania swych niezmiernie wielkich zapasów wodoru. Proces spalania wodoru jest dla istnienia naszego Słońca tak ważny, że zasługuje na nieco dokładniejsze omówienie. Słońce zawdzięcza mu przecież energię, którą codziennie tak szczodrze wysyła w przestrzeń kosmiczną w postaci światła, ciepła i szybkich cząstek. Tak więc, z czterech protonów powstaje jedno jądro helu. Cztery protony mają masę równą 4,0313 jednostki masy atomowej, jest więc lżejsze od nich o 0,71%. Dlaczego tak się dzieje? Przy połączeniu się czterech protonów została wyzwolona energia wiązania. Jest ona tożsama z energią, jaką należałoby zużyć, by jądro helu rozbić na jego części składowe. Zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina energia równa się masie pomnożonej przez prędkość światła do kwadratu. Przeliczając zatem podaną powyżej utratę masy na energię, otrzymujemy wartość 26,731 MeV (jeden MeV, czyli megaelektronowolt, to energia, jaką uzyskuje elektron przyspieszony przez różnicę potencjałów miliona woltów lub około 4,3 bilionowych części dżula(J)). Dla uzmysłowienia tej wartości należy zauważyć, że do ogrzania jednego grama wody o jeden stopień Celsjusza niezbędna jest energia wynosząca 4,185 J. Pod względem absolutnej wielkości te 4,3 bilionowe części dżula, które zostają wyzwolone podczas jednego (tylko jednego) procesu syntezy jądrowej to bardzo mało, ale i tak jest to około dziesięciu razy więcej, niż można uzyskać z wszelkich innych typów reakcji termojądrowej. Energia ta musiała jednak gdzieś się podziać. Pewną jej część otrzymywały i unosiły neutrina, cząstki powstające podczas procesu syntezy jądrowej i bez przeszkód opuszczające gwiazdę. reszta, podobnie jak to już było przy spalaniu deuteru, przypadała na wspomniane powyżej wysokoenergetyczne fotony, czyli kwanty gamma. W przeciwieństwie do neutrin nie mogą one jednak pożegnać się z gwiazdą raz na zawsze, gdyż jest ona dla nich po prostu za gęsta. Nasze Słońce też nie wypromieniowuje licznych kwantów gamma, lecz głównie światło widzialne oraz podczerwone w postaci ciepła. Gdyby kwanty gamma wydostawały się bez przeszkód na powierzchnię gwiazd, byłoby dla nas, a także w ogóle dla życia, niezwykle groźne. Kwanty te mają bowiem tak wielką energię, że w krótkim czasie zniszczyłyby na Ziemi wszystkie formy życia. Jeśli zatem kwanty gamma nie pojawią się na powierzchni Słońca, to znaczy, że na swej drodze do niej muszą przechodzić jakieś przeobrażenia. I rzeczywiście, są one nieustannie rozpraszane na elektronach wchodzących w skład materii gwiazdowej, pochłaniane i ponownie emitowane przez jony. Przy każdym takim procesie kwant przekazuje część swej energii partnerowi reakcji, zyskując w zamian większą długość fali. Zanim wynurzy się w końcu na powierzchnię gwiazdy, straci już tyle energii, że przekształci się w ubogi energetycznie foton z zakresu światła widzialnego lub podczerwonego. Ale droga z wnętrza gwiazdy jest długa i trudna. Rozpraszanie i reemisja są ukierunkowane. Oznacza to, że fotony są praktycznie rzecz biorąc bez przerwy przerzucane tu i tam między elektronami i jonami, czasem w kierunku powierzchni gwiazdy, to znów w bok, a nawet z powrotem do jej środka. W ten sposób foton wędruje po długiej zygzakowatej trasie, by w końcu opuścić macierzystą gwiazdę. Oczywiście trwa to bez porównania dłużej, niż gdyby foton podążał do powierzchni gwiazdy w linii prostej. W przypadku Słońca pokonanie takiej trasy zabiera kwantowi energii około dwóch milionów lat. Innymi słowy, światło, które dziś dociera do nas ze Słońca, powstało w jego wnętrzu w wyniku reakcji termojądrowej mniej więcej 2 mln lat temu. Gdy cztery protony połączą się w jądro helu, zostaje wyzwolona energia o wartości 4,3 bilionowych części dżula. Moc promieniowania Słońca wynosi około 385 bilionów watów, co oznacza, że w ciągu sekundy wypromieniowuje 385 bilionów dżuli energii. Aby wyprodukować tak olbrzymią ilość energii, Słońce musi w każdej sekundzie przekształcić około 6020 mln ton wodoru mniej więcej w 595 mln ton helu. Tę różnicę, rzędu pięciu milionów ton masy-dokładnie jest to 4,27 mln ton-Słońce traci co sekundę w postaci promieniowania. OBŁOK OORTA Jest to dysk składający się z lodu, pyłu, gazów i planetoid obiegających Słońce w odległości 300 do 100 000 AU. Jest to odległość odpowiadająca 1000-krotnemu dystansowi między Słońcem a Plutonem lub ok. 1 rokowi świetlnemu. Podobnie jak pas Kipera, obłok Oorta jest pozostałością po formowaniu się Układu Słonecznego. Pochodzą z niego komety, a według niektórych teorii może pojawić się z niego zagrożenie dla Ziemi i innych planet. fot.Obłok Oorta (autor: NASA) Obłok Oorta uznawany jest za skraj Układu Słonecznego. Zaraz za nim zaczyna się przestrzeń międzygwiezdna. Obłok Oorta składa się z hipotetycznego obłoku wewnętrznego i obłoku zewnętrznego Asteroida Kleopatra 216, w kształcie kości dla psa. Znajduje się pomiędzy Marsem a Jowiszem. Odbija promieniowanie radiowe tak dobrze, iż prawdopodobnie zbudowana jest głównie z niklu i żelaza. Jej kształt może być wynikiem zderzenia z inną asteroidą. Powierzchnia asteroidy jest luźno związanym rumoszem, wnętrze może jednak zawierać stały metal. Wnętrze jednego z większych kraterów na planetoidzie Eros, pokryte produktami wietrzenia skał zwanymi regolitem (zdjęcie ze statku kosmicznego NEAR Shoemaker, przelatującego 50 km nad Erosem). Brązowy obszar - regolit zmieniony poprzez oddziaływanie wiatru słonecznego, które nastąpiło prawdopodobnie w momencie zderzenia z mikrometeorytem; biały obszar - regolit niezmieniony. We wnętrzu krateru . widoczne brązowe głazy PLANETY Do niedawna za planetę uważano obiekt astronomiczny okrążający gwiazdę lub pozostałości gwiezdne, nie przeprowadzający reakcji termojądrowych w swoim wnętrzu, wystarczająco duży, by uzyskać prawie okrągły kształt oraz osiągnąć dominację w przestrzeni wokół swojej orbity. Od 24 sierpnia 2006 roku mamy nową definicję planety w Układzie Słonecznym, która ustanowiona na kongresie Międzynarodowej Unii Astronomicznej w Pradze. Zgodnie z tą definicją, planetą jest ciało niebieskie, które znajduje się na orbicie wokół Słońca, posiada wystarczającą masę, by własną grawitacją pokonać siły ciała sztywnego tak, aby wytworzyć kształt odpowiadający równowadze hydrostatycznej (prawie okrągły) oraz jest to ciało, które oczyściło sąsiedztwo swojej orbity z innych względnie dużych obiektów. Obiekty, które nie spełniają ostatniego warunku i, które nie są księżycami są określane jako planety karłowate. Obiekty nie spełniające drugiego warunku (a nie będące księżycami) to małe ciała Układu Słonecznego, należy do nich większość planetoid (z wyjątkiem planety karłowatej Ceres), większość obiektów transneptunowych(nie będących planetami karłowatymi), komety oraz inne małe ciała takie jak np. meteoroidy. Definicja uchwalona w 2006 r. odnosi się jedynie do planet w Układzie Słonecznym i nie wprowadza rozgraniczenia między planetami a obiektami gwiazdopodobnymi. Ogólna, niezależna od układu planetarnego definicja planety jak dotąd nie została wypracowana, jednak astronomowie często posługują się tymczasową definicją przedstawioną 2001 i 2003 r. w oświadczeniu Grupy Roboczej IAU do spraw Planet Pozasłonecznych. Zgodnie z tą definicją, planetą jest obiekt, który: okrąża gwiazdę lub pozostałości gwiezdne, posiada masę mniejszą, niż masa wymagana do przeprowadzenia fuzji jądrowej deuteru (czyli około 13 mas Jowisza) oraz spełnia wymagania minimalnej masy takie same, jak w przypadku planet Układu Słonecznego (kryterium równowagi hydrostatycznej obecnie). Niegwiazdowe obiekty o masie większej od minimalnej masy wymaganej do przeprowadzenia fuzji deuteru są nazwane brązowymi karłami. Obiekty spełniające warunek maksymalnej masy, ale swobodnie unoszące się w przestrzeni w młodych gromadach gwiazd nie są planetami; IAU sugeruje określanie takich obiektów mianem brązowych podkarłów. Definicja z 2003 r. nie przesądza natomiast statusu pozostałych obiektów spełniających warunki masy przewidziane dla planet, ale wolno unoszących się w przestrzeni międzygwiazdowej (poza młodymi gromadami gwiazd).[3] Słońce Całe życie na Ziemi zależy od promieniowania, ciepła i energii Słońca. Bez Słońca nie byłoby planet ani nie powstałoby życie na Ziemi, to właśnie ta najbliższa nam gwiazda wpływa na całą naszą przyrodę. Pod względem rozmiarów i promieniowania Słońce należy do przeciętnych gwiazd typu widmowego G2V. Masę Słońca można obliczyć na podstawie uogólnionego II prawa Keplera, biorąc pod uwagę okresy gwiazdowe planet i ich odległości od Słońca. Masa Słońca jest równa 1,989 · 1030 kg, średnica wynosi 1 391 960 km. W porównaniu z Ziemią jest ono 335 000 razy bardziej masywne i ma 109 razy większą średnicę. W wyniku wydatku promieniowania masa Słońca maleje w tempie około 5 mln t w ciągu sekundy; w przybliżeniu 85 % tych strat powoduje promieniowanie elektromagnetyczne, a resztę promieniowanie korpuskularne Słońca, czyli tzw. wiatr słoneczny. Przyspieszeni grawitacyjne na powierzchni Słońca wynosi 274,96 m/s2, prędkość ucieczki -618,67 km/s. W porównaniu z Ziemią wartości te są odpowiednio 28,1 i 55,4 razy większe. Słońce jest właściwie olbrzymią obracającą się kulą gazową, przy czym przeciętna gęstość jego materii wynosi 1,410g/cm3, a zatem tylko niewiele więcej niż gęstość wody (1 g/cm3). Temperatura we wnętrzu Słońca sięga 19 · 106 K, a gęstość aż 130 g/cm3.Tak duża gęstość w centrum Słońca powstaje na skutek olbrzymiego ciśnienia górnych warstw słonecznych, wynoszącego 4 · 10 MPa (około 400 miliardów atmosfer). fot. Protuberancje na Słońcu Zdjęcie wykonane przez sondę kosmiczną SOHO (autor:NASA) Gęstość w miarę oddalania się od środka spada i przy powierzchni wynosi już tylko 0,001 g/cm3.Materia, z której zbudowane jest Słońce, mimo olbrzymiego ciśnienia wszędzie zachowuje właściwości gazu. Słońce składa się w 70% z wodoru, w 28% z helu, a około 2% przypada na pozostałe pierwiastki. Powierzchniowe warstwy Słońca nie obracają się jak ciało sztywne. Na równiku słonecznym prędkość rotacji jest największa, na biegunach najmniejsza. Okres obrotu zmienia się od 25,38 dnia na równiku aż do 35 dni w pobliżu biegunów. Pyłowa otoczka wokół Słońca powstaje z pyłowej materii międzyplanetarnej. Utworzyło ją Słońce dzięki swojej sile przyciągania w ciągu 10 milionów lat. Cząstki otoczki, wyparowując w pobliżu Słońca, emitują promieniowanie podczerwone.[5] [3] Podstawowe dane Promień 696 260 ± 70 km Masa (1.9891 ± 0.0012) · 1026 Moc promieniowania (3.845 ± 0.006) · 1026 W Średnia gęstość 1408 kg/m³ Temperatura efektywna 5 777 ± 2.5 K Wiek 4.54 ·109 lat Temperatura centralna 15.4 · 106 K Ciśnienie centralne 2.37 · 1016 N/m² Promień sfery promienistej 5.15 · 105 km Masa sfery promienistej 98 % masy Słońca Grubość warstwy konwektywnej 1.81 ·105 km Masa strefy konwektywnej < 1.7 % masy Słońca Grubość fotosfery 500 km Temperatura fotosfery 5 800 K Temp. w warstwie(min temp.) 4 200 K Temperatura chromosfery 4 200 K - 25 000 K Grubość chromosfery ok. 2000 km Temperatura warstwy przejściowej 25 000 K - 106 K Temperatura korony > 106 K Odległość średnia Słońce - Ziemia 149 597 870 ± 2 km Odległość min Słońce - Ziemia 147.1 · 106 km (w styczniu) Odległość max Słońce - Ziemia 152.1 · 106 km (w lipcu) Okres obiegu Słońca przez Ziemię 365d 6h 9m 10s.5 Jądro i strefa konwekcyjna W jądrze zachodzi łączenie się wodoru w hel. W tym reaktorze termojądrowym panuje temperatura około 15 milionów stopni ciśnienie 200 mld razy przewyższające ciśnienie ziemskiej atmosfery na poziomie morza. Ten centralny obszar Słońca ma średnicę około 280 000 km. Wyprodukowana w nim energia musi zostać przetransportowana na zewnątrz. Proces ten zachodzi w otaczającej jądro strefie promienistej (zwanej także warstwą promienistą lub obszarem promienistym) grubości 350 000 km. Przenoszeniem energii zajmują się tu głównie fotony. Można ten proces porównać ze sposobem, w jaki ogrzewa sięjakiś przedmiot trzymany w określonej odległości nad gorącą płytą kuchenną. Im blizej powierzchni Słońca a więc im dalej od jądra tym mniej jest efektywny. Dalsze przesyłanie energii zachodzi więc na drodze konwekcji. W grubej około 210 000 km strefie konwekcji (zwaną również warstwą konwekcji lub obszarem konwektywnym) materia wrze jak w garnku. Bąble ogrzanej materii wznoszą się, stygną i na powrót zanurzają się w słonecznych głębinach. fot. Budowa wnętrza Słońca (źródło: http://helio.astro.uni.wroc.pl/) W strefach tych następuje stały spadek temperatury i ciśnienia w kierunku od dołu do góry, czyli od wewnętrznych ku zewnętrznych warstwom Słońca. Tylko w jądrze temperatura i ciśnienie są wystarczająco wysokie, by mogło zachodzić spalanie tego pierwiastka. Gdy jednak cały wodór w tym centralnym obszarze Słońca zostanie wykorzystany, nie może go zasilić wodór z obszaru promienistego, gdyż tworząca go materia nie miessza się z materią wchodzącą w skłąd jądra. Mogłoby to nastąpić wyłącznie na drodze konwekcji, a ta zachozi jedynie w zewnętrznym obszarze Słońca. Po zużyciu zatem 10% wodoru energetyczna dziłalność jądra zacznie zmierzać ku końcowi.[1] W jądrze Słońca energia jest produkowana w tempie równym LΘ=3,90 × 1033 erg/s i wypromieniowywana z powierzchni Słońca zgodnie ze wzorem L = 4πR2σTe4 , gdzie L jest równe LΘ, a R = RΘ. Energia powstaje w reakcjach fuzji 4 protonów w jądro helu. Istnieją dwa rodzaje takich cyklów: cyklu CNO (cyklu węglowo-azotowo-tlenowego) oraz cyklu PP( cykl proton-proton). Z pierwszego cyklu pochodzi tylko 1% energii, ponieważ dopiero w wyższych temperaturach jest to efektywne źródło energii. Wiekszość więc energii powstaje podczas tego drugiego cyklu.[4] Cykl proton-proton Pełny łańcuch reakcji, który prowadzi do przemiany jąder wodoru w jądra helu, wygląda następująco: p + p → 2H + e+ + Ve 2 H + p → 3He + γ 3 He + 3He → 4He + 2p + γ Reakcja pierwsza nadaje cyklowi jego nazwę, gdyż zaczyna się od reakcji proton + proton. Symbol γ oznacza foton promieniowania gamma, czyli foton o wysokiej energii. By w reakcji zachowane były zarówno energia, jak i pęd. dwie cząstki nie mogą połączyć się w jedną (o znacznej masie spoczynkowej),lecz musi pojawić się jeszcze drugi produkt. Druga cząstka powinna mieć ładunek równy zeru oraz zerowe liczby barionową i leptonową. Musi zatem być fotonem. Pojawienie się fotonu oznacza, że w przemianie biorą udział zarówno oddziaływania silne, jak i elektromagnetyczne. Aby mogło dojść do ostatniej reakcji, dwie poprzedzające ją reakcje muszą zajść dwukrotnie. A zatem po lewych stronach reakcji występuje 6 protonów, a po prawych - dwa protony i jedno jądro helu 4. W rezultacie w jedno jądro atomu helu zostaje przekształcone netto cztery protony. Moc promieniowania Słońca jest określona przez tempo wypływu ciepła z jego wnętrza. Słońce dopasowuje swój promień (a zatem i temperature centralną) w taki sposób, by tempo produkcji energii było równe tempu wypływu. Gdyby oddziaływanie słabe nie spowalniało pierwszego kroku w cyklu proton-proton, promień Słońca po zakończeniu fazy kontrakcji byłby większy (a zatem miałoby ono niższątemperaturę centralną). Tmpo produkcji energii nadal równałoby się tempu utraty energii z powierzchni. Cała różnica polegała by na tym, że żylibyśmy w pobliżu gwiazdy koloru czerwonego.[4] Cykl CNO Przekształcenie czterech jąder wodoru w jedno jądro helu w cyklu reakcji, w których jądra o większych ładunkach występowałyby jako katalizatory. Reakcje cyklu CNO C + p → 13N + γ 13 N → 13O + e+ + Ve 13 C + p → 14N + γ 14 N + p → 15O + γ 15 O → 15N + e+ + Ve 15 N + p → 12C + 4He 12 Produktem ostatniej reakcji jest jądro 12C, występujące na samym początku cyklu, w pierwszej reakcji. A zatem obfitości jąder węgla, azotu i tlenu pozostają nie zmienione w wyniku powyższych reakcji, o ile cykl ten osiągnął stan stacjonarny, w którym kolejne reakcje zachodzą jedna po drugiej i przekształcają efektywnie cztery jadra wodoru w jedno jądro helu. Ciąg reakcji ma charakter cykliczny. Można by było rozpocząć go od dowolnej reakcji, dodając proton do któregokolwiek ze stabilnych jąder 12C, 13C, 14N, 15N. Dlatego też część cyklu CNO przedstawiona powyżej jest często nazywana cyklem CN. Rozpady beta w reakcji drugiej i piątej zachodzą w jądrach, w których protony są liczniejsze od neutronów. Bierze w nich udział oddziaływanie słabe. W rozpadach beta biorą udział już ukształtowane jądra. Kiedy oddziaływanie utworzy 13N i 15O, po upływie średnio - 870 i 178 s jądra te się rozpadną. Natomiast w pierwszej reakcji cyklu proton-proton oddziaływanie słabe musi zadziałać w bardzo krótkim czasie- wtedy, gdy dwa protony są dostatecznie blisko siebie. To wymaganie sprawia, że reakcja ta zachodzi z bardzo małym prawdopodobieństwem. Z tego powodu w gwiazdach o temperaturze centralnej nieco wyższej niż Słońce cykl CNO jest głównym sposobem spalania wodoru, mimo że biorą w nim udział jądra o liczbach atomowych większych, niż to ma miejsce w cyklu proton-proton. Ziemia Narodziny Ziemi Dzieje Ziemi rozpoczęły się w momencie potężnego wybuchu masywnej gwiazdy - supernowej. Świadczą o tym wyniki badań meteorytów, które pozostały jako zbędne resztki po powstaniu Układu Słonecznego. Duże znaczenia mają tu również dane uzyskane dzięki badaniom izotopów. fot. Ziemia widziana przez Apollo 17 (autor: NASA) Fala uderzeniowa jaka powstała wskutek wybuchu supernowej, spowodowała w innym miejscu - po mniej niż milionie lat utworzenie się olbrzymiego gazowo-pyłowego obłoku. Znajdujące się w nim i oddalone dotychczas od siebie atomy wodoru i helu przemieszczały się z atomami cięższych pierwiastków - np. węgla, stanowiącego podstawę znanych nam form życia, a także, azotu i żelaza- które swego czasu powstały w gwieździe i zostały siłą jej wybuchu rozproszone w przestrzeni kosmicznej. Jednocześnie wszystkie atomy podążały z wolna w kierunku środka obłoku. Działało przy tym coraz intensywniej prawo powszechnego ciążenia, dzięki któremu obłok stopniowo się kurczył. Istniejące wewnątrz niego zawirowania doprowadziły do powstania mniejszego, obracającego się fragmentu, który wkrótce całkowicie odłączył się od otoczenia, a następnie zaczął gwałtownie się kurczyć, w związku z czym wirował coraz szybciej. Po kilku milionach lat ten fragment wirował w końcu z taką szybkością, że przekształcił się stopniowo w cienki dysk o średnicy około 80 mld kilometrów. Była to mgławica słoneczna, z której powstał następnie Układ Słoneczny. Minęły znowu dziesiątki tysięcy lat, podczas których cięższe pierwiastki, jak żelazo i nikiel, przemieszczały się stopniowo od centrum owej mgławicy. Jej środkowa część wskutek grawitacyjnego zapadania stawała się coraz gorętsza, podczas gdy obrzeża coraz bardziej stygły. Tu małe pyłki zbijały się, tworząc stopniowo coraz większe ziarna, które z czasem urosły do rozmiarów skalnych brył, a w końcu - stosunkowo dużych ciał o średnicy kilku kilometrów, tak zwanych planetozymali. niezliczone planetozymale krążące wokół powstającego w centrum układu prasłońca zderzały się ze sobą, tworząc protoplanety. Te całkiem już masywne ciała o średnicy od kilkuset do tysiąca kilometrów przyciągały z otoczenia jeszcze większe ilości materii. W środku mgławicy prasłońce na tyle już zgęstniało, że niemal cała masa fragmentu obłoku, z którego powstało, połączyła się w całość - i jego wnętrze zaczęło płonąć. ruszył reaktor termojądrowy, przetwarzający wodór w hel. Uwalniała się przy tym energia, która sprawiała, że Słońce zaczęło w końcu świecić. Planety nie były jednak jeszcze gotowe. Ziemia również nie zyskała swej ostatecznej postaci i musiała niejedno przejść, nim zmieniła się w obecną naszą planetę. Przede wszystkim nasza praziemia musiała przetrwać jeszcze gwałtowniejsze niż poprzednio bombardowanie skalnymi bryłami. Młody Układ Słoneczny przepełniony był niezliczonymi planetoidami, a ich chaotyczne orbity krzyżowały się niemal doskonale kołowymi orbitami planet, z którymi dość często się zderzały. Każda taka kolizja dostarczała rodzącej się Ziemi energii i nowego kosmicznego materiału. Owa praziemia byłą dość gorąca, a jej powierzchnia pozostawała w stanie ciekłym. Jej atmosfera składa się początkowo niemal wyłącznie z wodoru. Gdy jednak Słońce rozpaliło się jak należy, zaczął wiać od niego tak zwany wiatr słoneczny-strumień jonów i elektronów pędzący w kierunku planet z prędkością dochodzącą do 2000 km/s. Ziemia miała za małą masę, by jej atmosfera chroniła ją przed tym słonecznym huraganem. wiatr słoneczny wypychał gaz z wnętrza dysku na jego peryferie. Tam właśnie powstawały gazowe planety olbrzymy. Przez wiele milionów lat nie działo się na Ziemi nic szczególnego. Jako całkiem martwa skalna bryła okrążała Słońce. Jej gorąca i ciekła powierzchnia stopniowo stygła, krzepła, pękała i kurczyła się. Kurczenie się coraz bardziej rozgrzewało wnętrze Ziemi, aż metale poczęły się topić. Ziemia zaczęła żyć przynajmniej z geofizycznego punktu widzenia. Taka zatem zewnętrznie spokojna Ziemia kryła jednak pod swą bardzo jeszcze cienką skorupą niezwykle intensywne życie wewnętrzne, które co rusz przebijało się przez jej zastygłą powierzchnię. Wśród zmieszanych ze sobą związków chemicznych znajdowały się również bardzo ciężkie, które powstały w ciągu nie więcej niż 1-2 minut podczas eksplozji supernowej w jej pędzącej z prędkością kilkudziesięciu tysięcy kilometrów na sekundę otoczce, mającej temperaturę kilku miliardów stopni:tor i uran. Ich bardzo duże jądra, złożone z ponad 230 nukleonów (protonów i neutronów), są nietrwałe i łatwo ulegają rozpadowi promieniotwórczemu. Zostają wówczas uwolnione wysokoenergetyczne cząstki i promieniowanie gamma, a wytworzona przy tym energia jest na tyle duża, że silnie ogrzewa otoczenie rozpadającego się jądra. Wnętrze Ziemi uległo więc stopnieniu nie tylko w skutek panującego w nim ciśnienia, ale także dzięki rozmaitym procesom rozpadu promieniotwórczego. W jej powierzchnię nadal uderzały z prędkością dochodzącą do 11 km/s najróżniejszej wielkości meteoryty, przebijając skorupę ziemską i przekazując wnętrzu naszej planety swą ogromną energię ruchu w postaci ciepła. Meteoryty także przyczyniały się więc do ogrzewania i roztapiania materii wchodzącej w skład naszego globu. jej topnienie powodowało z kolei rozdzielenie się pierwiastków lekkich i ciężkich. Siła ciężkości przemieszczała ciężkie żelazo i nikiel do środka planety. Z obu tych pierwiastków powstało pierwsze proste jądro Ziemi. Wciąż jeszcze bardzo gorąca, rozpalona do białości papka złożona z mniej gęstych, lżejszych materiałów, głównie krzemianów (związków krzemu, takich jak kwarc), płynęła z kolei w kierunku skorupy ziemskiej i utworzyła kulistą powłokę z ciekłej skały, czyli płaszcza Ziemi. Ów prąd wstępujący transportował do góry także pierwiastki promieniotwórcze, które tu wskutek rozpadu rozgrzewały otoczenie tak dalece, że wnętrze ziemi także dziś jest bardzo gorące i w dużym stopniu ciekłe. Opadające na jądro Ziemi ciężkie pierwiastki uwalniały energię grawitacyjną, która wraz z energią powstającą podczas rozpadu ciężkich jąder pierwiastków promieniotwórczych - toru i uranu- spowodowała wydzielanie się wystarczającej ilości ciepła, by stopiło się również żelazo przemieszczające się w kierunku jądra. W ten sposób powstała we wnętrzu Ziemi utrzymująca się do dziś nadwyżka ciepła, wywołująca tak zwane prądy konwekcyjne (prądy unoszenia) w płynnych skałach płaszcza Ziemi. Roztopione skały przebijały się pod ciśnieniem wewnętrznych prądów przez najcieńsze miejsca skorupy ziemskiej na jej powierzchnię. Powodowały powstanie potężnych stożków wulkanicznych, z których kraterów wylewały się potoki lawy, pokrywającej i wyrównującej pierwotną powierzchnię naszej planety. Prądy konwekcyjne ciekłej materii powoli ochładzały Ziemię, a nad jej płaszczem stopniowo powstawała nowa skorupa. Ale głęboko we wnętrzu naszej planety nadal zachodziło rozdzielenie się składników jej jądra. Wzrastające ciśnienie spowodowało ponowne zestalenie się jego środkowej części (jądra wewnętrznego), natomiast żelazo w jądrze zewnętrznym pozostało płynne. Wznoszące się i opadające prądy ciekłego żelaza uruchomiły gigantyczny proces elektryczny. Powstała "prądnica", maszyna, która napędzana przez przepływy metalu, wytwarza potężne prądy elektryczne, powodujące z kolei powstawanie pola magnetycznego, przenikającego całą kulę ziemską i sięgającego nawet w przestrzeń kosmiczną. Pole geomagnetyczne ma taki sam kształt jak pole wytwarzane przez magnes sztabkowy - również ono rozciąga się daleko poza sam magnes. Dla Ziemi pole magnetyczne jest tarczą czy też ekranem ochronnym. Osłania ono powierzchnię naszej planety przed szybkimi wysokoenergetycznymi cząstkami, wysłanymi przez Słońce. Na powierzchni Ziemi także zaszły rozmaite zmiany. Z gorącej lawy wydobywały się (można śmiało powiedzieć, że dosłownie wygotowały się) ogromne ilości najróżniejszych gazów. Gazy te-para wodna, dwutlenek węgla, metan i amoniak-które wydostały się z gorącego wnętrza Ziemi i znalazły w otaczającej ją lodowato zimnej przestrzeni kosmicznej, utworzyły z czasem wokół młodej planety pierwszą atmosferę. Woda jest związkiem chemicznym najpowszechniej występującym na naszym globie. Obecnie pokrywa około 71% powierzchni Ziemi. Łącznie znajduje się na niej 1,3 mld km3 wody słonej i zaledwie 4,2 km3 wody słodkiej. Ziemia uzyskała wodę wskutek zderzeń z kosmicznymi bryłami lodu. W czasie wierceń wypompowano z głębokości kilku tysięcy metrów interesującą ciecz. Ta bardzo lepka mieszanina wody, soli i gazów zawierała pierwiastek, który nigdy nie bywa pochodzenia ziemskiego: hel-3, izotop helu. Może się on dostać na Ziemię jedynie z Kosmosu, z reguły w postaci wtrąceń zawartych w spadających na nią meteorytach. Być może hel-3 zachował się w owej cieczy jako pozostałość po meteorytach i planetoidach, zderzających się z Ziemią w początkach istnienia Układu słonecznego. niewykluczone, że to właśnie one dostarczyły na nią wodę. Z oceanów pierwiastek ten dawno już zniknął, ale kilka kilometrów pod naszymi nogami tej kosmicznej substancji pozostało jeszcze niemało. Wynikałoby stąd, że większość wody znajdującej się na Ziemi nie powstała na niej, lecz pochodzi z przestrzeni kosmicznej. Na naszej praziemi deszcz padał i padał. Lało bez przerwy, dzień i noc. Woda zbierała się w zagłębieniach i wypełniała kratery, które pozostawały po zbombardowaniu Ziemi przez meteoryty i planetoidy w początkach istnienia naszej planety. Woda zaczęła kształtować jej powierzchnię, stopniowo niwelując znajdujące się na niej nierówności. Wypłukiwała również zawarte w minerałach związki chemiczne, dzięki czemu powstały słone oceany. Podczas trwania ulewy oblicze Ziemi nieustannie się zmieniało. Pojawił się na niej kolejny produkt chemicznych przemian węglowodorów, a mianowicie dwutlenek węgla. Związek ten ma właściwości gazu cieplarnianego: zatrzymuje docierające do powierzchni Ziemi ze Słońca promieniowanie cieplne, przyczyniając się do ogrzania jej atmosfery i skorupy, a tym samym mając decydujący wpływ na rozwój naszej planety. trzecim ważnym składnikiem ziemskiej atmosfery jest azot, którego obecność jest niewątpliwie wynikiem kosmicznej pomyłki. Podczas powstawania Ziemi cząsteczki amoniaku, zbudowane z atomów azotu i wodoru, przypadkowo zostały gdzieniegdzie wbudowane w struktury tworzących skorupę ziemską skał krzemianowych, zamiast podobnej wielkości atomów potasu. W następnych etapach kształtowania się naszej planety niemal cały azot został ponownie uwolniony i stał się z czasem głównym składnikiem ziemskiej atmosfery. Pod ciężkimi deszczowymi chmurami poszczególne zbiorniki wodne rozrastały się i łączyły, tworząc jeden wszechocean. W ten sposób powstała w Układzie Słonecznym jedyna w swoim rodzaju wodna planeta. Ten wodny świat otaczała cienka atmosfera, złożona głównie z dwutlenku węgla. W kroplach deszczu rozpuściła się jednak większość tego związku, a następnie wskutek określonych procesów geologicznych został chemicznie związany w zawierających związki potasu oraz magnezu skałach węglowych i prawie zupełnie zniknęła z atmosfery naszego globu. Zmieniła się również twarda skorupa ziemska. Stała się chłodniejsza, grubsza i w końcu popękała, tworząc ogromną mozaikę rozmaitych płyt tektonicznych. I teraz zaczął się ich powolny taniec. Wewnętrzne, gorące prądy - płynące od jądra Ziemi rozgrzewanego energią uwalnianą podczas rozpadu pierwiastków promieniotwórczych-przemiesiły ziemską bryłę i wprawiły płyty tektoniczne w ruch. Pływają one niczym statki po znajdującej się we wnętrzu płaszcza Ziemi warstwie miękkich, plastycznych skał, zwanej astenosferą. W niektórych miejscach zderzają się, w innych otwierają się między nimi szczeliny, z których wypływa wznosząca się z głębin Ziemi cienka lawa i zastyga, tworząc nowy fragment skorupy. Kiedy kształtowały się kontynenty, w oceanie najprawdopodobniej powstało życie. Utworzone w nieznany dotychczas sposób pewne zawierające węgielki cząsteczki nieustannie zmieniły budowę, aż w określonym momencie zyskały zdolność samoreprodukcji. Przekroczona została wówczas niesłychanie ważna granica, dzięki czemu w dziejach naszej planety nastąpiła skokowa zmiana jakościowa, gdyż w jej morzach pojawiły się pierwsze żywe istoty.[1] Powrót do góry [3] Podstawowe dane Charakterystyka orbity (J2000) 149 597 887,5 km Średnia odległość od Słońce (1,000000011 AU) 0,940 × 109 km Obwód orbity (6,283 AU) Ekscentryczność orbity 0,016 710 219 Mimośród 0,01671022 147 098 074 km Peryhelium (0,9832899 AU) 152 097 701 km Aphelium (1,0167103 AU) 365,25696 dni Rok gwiazdowy (1,0000191 lat) Średnia prędkość orbitalna 29,783 km/s Maksymalna prędkość orbitalna 30,287 km/s Minimalna prędkość orbitalna 29,291 km/s 0,00005° Nachylenie orbity względem ekliptyki (7,25° względem równika słonecznego) Satelity naturalne 1 - Księżyc Charakterystyka fizyczna Średnica równikowa Średnica biegunowa Przeciętna średnica Spłaszczenie Przeciętny obwód Powierzchnia Powierzchnia lądu Powierzchnia wody Objętość Masa Gęstość Przyspieszenie ziemskie na równiku Prędkość ucieczki Prędkość liniowa na równiku Prędkość kołowa 12 756,270 km 12 713,500 km 12 745,591 km 0,003352861 40 041,455 km 510 065 284,702 km2 148 939 100 km2 (29,2%) 361 124 400 km2 (70,8%) 1,0832 × 1012 km3 5,9736 × 1024kg 5,515 g/cm3 9,780 m/s2 (0,99732 g) 11,186 km/s 1674,38 km/h 15°/h (7,272 × 10-5 rad/s) -243,0185 d Okres obrotu Nachylenie równika względem płaszczyzny 23,439281° orbity Deklinacja 90° Albedo 0,367 185 K-(-88,3° C)(min) Temperatura powierzchni 287 K- 14° C(śred.) 331 K - 57,7° C(max) Skład atmosfery Azot 78,08% Tlen 20,94% Argon 0,93% Dwutlenek węgla, para wodna śladowe ok. 0,1%
