Robert Kratochvíl Přírodovědecká fakulta Masarykovy Univerzity

transcript

Brno 2009

Zajímavosti Sluneční soustavy

• Vznik Sluneční soustavy• Slunce• Terestrické planety• Plynní obři• Planety• Menší tělesa

O čem budeme mluvit

• vznik před 4,6 miliardami let (giga annuum – Ga)

• hmotnost 105 až 106 hmotností Slunce (MS)

• teplota 10 až 30 K• hustota 1000 molekul v cm3

• průměr několik milionů světelných let (light year – ly)• složení – zejména H a He, dále molekuly složené z

C, N, O, S, Si

• běžně jde o stabilní útvar, proč zkolaboval?

Molekulový oblak

• díky vhodné kombinaci hmotnosti, teploty a hustoty

• hmotnost překonala Jeansovu kritickou hmotnost MJ

• možný start – výbuch blízké supernovy• přeměna gravitační potenciální energie na kinetickou

-> nárůst teploty• centrální část se smršťovala rychleji – zde Slunce

Molekulový oblak

uaJ mG

• Slunce• planety• planetky• měsíce• komety• meteoroidy• meziplanetární prach a plyn

• vše vázáno gravitační silou Slunce• vše v pohybu, zpravidla prográdním

Co vše obsahuje dnešní Sluneční soustava

• vnitřní oblast oblaku kolabovala dříve• průměr 7 – 20 tisíc astronomických jednotek (astronomical

unit – AU)• složení podobné dnešnímu Slunci – 98% H, He a Li• 105 až 106 let od vzniku molekulového oblaku vzniká

protohvězda – energie pouze ze smršťování• zážeh termonukleárních reakcí až za dalších 50 milionů let

Slunce

Vznik Slunce z molekulového oblaku

• p-p řetězec

• 3α řetězec

• CNO cyklus – u hvězd těžších než 1,7 MS

• dále syntéza těžších prvků až po železo• další prvky již nevznikají syntézou

Slunce

Jaderné reakce

221142

HHeHeHe

eHHH e

BeHeHe126

Fe5626

• 99,85 % hmotnosti soustavy• stáří 4,6 Ga• průměr 1 400 000 km• hmotnost 2*1030

• hustota 1400 kg/m3

• otočí se jednou za 25 dnů (na rovníku)• povrchová teplota cca 5600 K • teplota jádra 15 milionů K• silné magnetické pole, hraje velkou roli• sluneční skvrny – umbra a penumbra• aktuálně je Slunce v minimu, maximum se očekává v roce

Slunce

Dnešní Slunce

• Absolutní hvězdná velikost +4,1 magnitud• označení DG2

• je hvězdou hlavní posloupnosti Hertzsprung-Russelova

diagramu

Slunce

Astronomické údaje

• Slunce každou sekundu vyzáří 4*1026 J energie (a ztratí

tím cca 4,5 miliardy kg hmotnosti)

• pro porovnání:

- silný sopečný výbuch – 1019 J

- největší vodíková bomba – 1017 J

- výroba energie celého lidstva za 1 s – 1013 J

Slunce

Slunce jako zdroj energie

• do roku 2006 definice výčtem: „Planety jsou: Merkur,

Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran, Neptun a

Pluto.“

• od Pražské konference Mezinárodní astronomické unie

v roce 2006 nová definice: „Planetou je těleso

primárně obíhající kolem Slunce po eliptické dráze, které

má dostatečnou hmotnost pro zaujmutí sférického tvaru a

vyčištění okolí své dráhy.“

Planety

• pouhá 2% hmotnosti mlhoviny po zážehu Slunce• zploštění vlivem rotace – proto disk• průměr 200 AU• milion let po vzniku Slunce – srážky prachových zrn, další

zploštění disku, narůst teploty• Slunce vypuzuje plyn pryč ze Sluneční soustavy -> plynní

obři se musí zformovat do 107 let, pak již chybí materiál• postupem času se akrecí (spojováním částeček) vytvořily

planety – rychlost růstu z počátku milimetry za rok

Planety

Vznik planet z protoplanetárního disku

• se vzrůstající vzdáleností od Slunce klesá teplota• při poklesu pod 1200 až 1700 K kondenzují z plynné do

pevné formy Al, Ca, Ti, Fe, Ni, jejich oxidy, silikáty,…

• při teplotě kolem 200 K kondenzuje i H2O a NH3

• tato teplota cca ve vzdálenosti 3 až 4 AU• rozdělení na oblasti o různém chemickém složení,

zároveň i oddělení oblastí terestrických planet a plynných

obrů• mladé Slunce vypařilo těkavé látky ve vnitřních částech

soustavy, ty byly vypuzovány pryč až do oblasti kde

zmrzly -> nárůst hustoty

Planety

Hranice ledu

• postupnou akrecí materiálu vznikají stále větší zrnka• akrece je intenzivnější před hranicí ledu, díky vyšší teplotě

jsou zrnka „lepkavá“, vznikají tělesa velikosti 1 až 10 metrů• za deset tisíc let vzniknou tělesa o průměru kolem 5 km

označované jako planetesimály• rychlost růstu je nyní několik cm za rok• po několika milionech let končí období formování planet a

v planetesimálách je obsažen téměř všechen materiál

původního akrečního disku

Planety

Planetesimály

• spojováním planetesimál vzniká řada planetárních zárodků, které se pohybují po silně eliptických drahách• jde o samotný počátek vzniku planet – před 4,6 Ga• planety se vytvářely 10 až 100 Ma

Planetesimály

• Merkur, Venuše, Země a Mars• ve vnitřní části Sluneční soustavy, do 4 AU• zárodky těchto planet měly průměrně hmotnost cca

0,05 MZ

• existovalo 20 až 40 planetárních zárodků o velikosti

Merkuru, některé se spojily do větších celků, jiné byly

vypuzeny na okraj Sluneční soustavy• složení: převážně Fe, Ni, Al a křemičitany• tyto prvky tvořily pouze 0,5% sluneční mlhoviny ->

omezení velikosti a počtu terestrických planet

Terestrické planety

• během 108 let srážek zárodků vznikly terestrické planety na eliptických drahách• dráhy se stabilizovaly dalšími srážkami s planetesimálami

a jinými zárodky a přešly na téměř kruhové• terestrické planety příliš nemigrovaly

Dráhy

• planety byly dále vystaveny intenzivnímu bombardování• střety s tělesy o hmotnosti až ¼ planety• vznik obrovského množství tepla, roztavení hornin, dnes

diferenciovaná geologická stavba

• odpařila se voda, CO2 a jiné plyny -> vznikly primární

atmosféry• impaktující tělesa dopravila na planety další vodu

Primární atmosféry

• vývojově mladší• vytvořeny geologickými, chemickými a u Země i

biologickými pochody (sinice začaly před cca 2,7 až 2,2

Ga produkovat první kyslík)

• existence atmosféry obecně je závislá na gravitaci a

teplotě• malá gravitace či velká teplota mají za následek její ztrátu

Sekundární atmosféry

• v planetárním plynném obalu mohou probíhat následující

reakce

• v případě ztráty vodíku se rovnováha přesouvá doprava,

vzniká oxidační atmosféra • naopak, je-li vodíku dostatek, vzniká atmosféra redukční

Atmosféra primární či sekundární?

HOPOHPH

HCOOHCO

HSOOHSH

HCOOHCH

• Jupiter, Saturn, Uran a Neptun• tvoří 99% hmotnosti všech těles obíhajících kolem Slunce• vznikli v období 106 až 107 roků• zrod ve vnějších částech Sluneční soustavy, zde hojnost

vodíku, helia a jednoduchých sloučenin s nízkou teplotou

tání

• zárodky planet od jednotek do desítek MZ, zbytek

hmotnosti gravitací zachycený plyn• všechny planety vznikli poblíž hranice ledu, poté migrovali• Uran a Neptun se pravděpodobně prohodili

Plynní obři

• s hloubkou atmosféry roste tlak, plyn přechází v aerosol a

následně v kapalinu až po extrémně stlačený ionizovaný

vodík kolem kamenného jádra – vodík má vlastnosti kovu

• viditelná část atmosféry sahá do hloubky cca 1000 km• rychlost proudění určujeme vůči magnetickému poli

Plynní obři

Složení

• Hillova sféra – oblast sférického tvaru, v níž má dané

těleso dominantní gravitační vliv na pohyb těles menších• co je uvnitř může být zachyceno• všechny dlouhodobě stabilní dráhy se nachází uvnitř

Hillovy sféry• kolem Země sféra o poloměru cca 1,5 milionu km

• Rocheova mez – minimální vzdálenost měsíce od planety,

ve které ještě nebude roztrháno jejími slapovými silami• Země 18 500 km• Jupiter 175 000 km• Saturn 150 000 km

Měsíce planet

Podmínky existence

• 1974 sonda Mariner 10• 14. ledna 2008 sonda Messenger

• velká hustota, na svůj průměr velké kovové jádro• dříve byl srovnatelný se Zemí, ale blízkost Slunce

postupně obrousila horní vrstvy

• teplota povrchu – 430 °C přivrácená strana, -180 °C

odvrácená• Slunce oběhne za 88 dnů, kolem osy se otočí za 58,5 dne

• impaktní pánev Caloris Planitia (průměr 1550 km)

Planety II

Merkur

• sonda Veněra 9 – říjen 1975• sonda Magelan

• teplota povrchu 465 °C – skleníkový efekt• oběh kolem Slunce – 255 dnů• oběh kolem osy – 243 dnů retrográdně

• atmosféra z 96,5 % CO2

• tlak při povrchu 100x větší než na Zemi

Planety II

Venuše

• vznik 50 Ma po Slunci• před 4,5 Ga diferenciace kovového jádra a křemičitanového pláště

• konec pozdního intenzivního bombardování – před 3,8 Ga• nejstarší stopy života – mikrofosílie staré 3,5 Ga

• kapalná voda

• jediná známá planeta s deskovou tektonikou – důležité pro vznik života

Planety II

• Rayleighův rozptyl

• všechny barvy, v modré pouze maximum, má nejkratší vlnovou délku

• meteoroid, meteor, meteorit

Modrá obloha Země

• Beringerův kráter – průměr 1200 m, hloubka 150 m• vznikl dopadem meteoritu před cca 50000 lety

• pozdní intenzivní bombardování (před 3,85 Ga) – cca

40 kráterů o průměru 1000 km, několik pánví o průměru

5000 km -> dokonalá sterilizace planety

• Chicxulub – průměr 180 až 300 km, stáří (65,0 ± 0,2) Ma,

impaktor 10 km

• po srážce Zěme s tělesem o velikosti Marsu 30 až 100 milionů let po vzniku Slunce byl vytvořen Měsíc

Krátery na Zemi

• Měsíc má vázanou rotaci se Zemí, ale díky libraci

(pohupování) můžeme sledovat až 60 % jeho povrchu• tmavá místa – měsíční moře, světlá – měsíční pevnina• nejsnáze pozorovatelným kosmickým objektem• jediné těleso, na kterém lze pouhým okem pozorovat povrchové útvary• poměrově je největším měsícem ve Sluneční soustavě• zatmění

• struktura:- tlustá kůra – 45 km- pevná litosféra – 1000 km- těžiště posunuto o 2 km od středu

Měsíc

• terminátor – předel světla a stínu

• kráter Tycho (průměr 85 km), Koperník (93 km, stáří 810 Ma) a další• pánev Orientale (průměr 930 km), Imbrium (1160), Serenitalis, Nectaris, Crisium

• 15 výzkumných programů, nejvýznamnější Apollo

(1967 – 1972)

• měsíční prach

Měsíc

Útvary na povrchu

• sonda Mariner 9 – objev gigantických sopek• nejaktuálnější výzkum – rovery Spirit a Opportunity a laboratoř Phoenix

• teploty -140 až + 20 °C• tlak při povrchu 100x nižší než na Zemi• atmosféra z 95,3 % CO2

• spousta malých vírů v atmosféře planety – derviši • celoplanetární prachové bouře

• výrazný vliv střídání ročních období – vymrzá až ¼ atmosféry -> expanze polárních čepiček

Planety II

• Olympus Mons – výška 21 171 m, největší sopka Sluneční

soustavy, aktivní ještě před 2,4 Ma• impaktní pánev Hellas (průměr 2300 km)• gigantický systém údolí Valles Marineris – délka přes

4000 km

• dříve kapalná voda, globální záplavy (údolí Ares Vallis – délka 1700 km, Kasei Valles – délka 3200 km, šířka 500 km, hloubka 2,9 km)• průtok vody až 109 m3 za sekundu (Gibraltar jen 60 milionů m3 za s)

Povrch

• již vychladlé jádro -> mrtvá planeta

• má dva malé měsíce – Phobos a Deimos (Děs a Hrůza)

pravděpodobně pochází z vnějšího okraje hlavního pásu

planetek• Phobos obíhá Mars retrográdně

• největší planeta Sluneční soustavy• vzniknul nesmírně rychle• nachází se nejblíže za hranicí ledu, zde více materiálu

který se intenzivně spojoval ve větší části, větší množství

planetesimál• plyn (H, He) nakumulován kolem kamenného jádra o

hmotnosti 10 až 15 MZ

• silně ovlivňuje své okolí – planetesimály pohlcuje i

vystřeluje na okraj nebo pryč ze Sluneční soustavy

Planety II

Jupiter

• vnitřní struktura:

- kamenné jádro o poloměru 7500 km

- kovový vodík 40000 km

- molekulární vodík 20000 km- atmosféra 1000 km

• složení atmosféry – 85 % H2, 14 % He• nápadné pásy – světlejší teplé oblasti, tmavší chladnější• velká rudá skvrna – první pozorování již z roku 1660

Cassini, 12 x 20 tisíc km, obří tlaková výše (anticyklóna)

• rychlost proudění až 600 km/h

Jupiter

Struktura

• sondy Voyager 1, Galileo, New Horizons• 7. března 1610 objevil Galileo čtyři nejnápadnější měsíce

Ió, Europa, Ganymed, Kallistó• s rostoucí vzdáleností od mateřské planety hustota měsíců• klesá• Ió – průměr 3630 km, vulkanicky nejaktivnější těleso

Sluneční soustavy (díky slapovým silám Jupitera), 100 m

nového povrchu za milion let (na Zemi za 80 Ma), výška

lávových výronů 350 km• Europa – ledový svět• Kallistó – impaktní pánev Valhalla (průměr 1900 km)

Jupiter

Jupiterovy měsíce

• vznikl pravděpodobně 7 AU od Slunce• při gravitačních interakcích s okolím se zmenšovala

rychlost oběhu a začal se spirálovitě přibližovat Slunci• dnes vzdálen 5 AU od Slunce• při migraci vznikaly oběžné rezonance a řada planetesimál

byla vypuzena do vnějších částí Sluneční soustavy, kde

vytvořily Oortův oblak (až 99 %)• tento jev způsobil i pozní masivní bombardování

Jupiter

Migrace Jupitera

• vznikl poblíž Jupitera, dnes vzdálen 9,5 AU od Slunce• dnes rezonance s Jupiterem 5:2, dříve během vývoje 2:1,

což mělo podstatný vliv na vypuzení planetesimál na okraj

Sluneční soustavy

• obdařen největším prstencem ve Sluneční soustavě• prstenec rozdělen: A, Cassiniho dělení, B, C, D, E, F, G• velikost částic 0,01 – 1 m

• atmosféra – 96 % H2, 3,5 % He

• rychlost atmosférického proudění až 1800 km/h

Planety II

Saturn

• sonda Cassini

• Titan – největší Saturnův měsíc, průměr 5150 km• přistálo zde pouzdro Huygens• má hustou atmosféru, kapalnou vodu zde zastupuje směs

metanu, etanu a dusíkatých sloučenin

• Enceladus – průměr 504 km• jev kryovulkanismu – gejzíry až 100m vysoké

• má atmosféru – 91% vodní pára, 4% N, 3,2% CO2,

1,7% CH4

Saturn

Měsíce

• v roce 1986 sonda Voyager 2

• velký planetární zárodek (až 20 MZ) – podobně i Neptun

• pozdější vývoj -> méně plynného materiálu, jedná se tedy

spíše o ledové obry

• atmosféra – 83 % H2, 15 % He, 2 % CH4

• tloušťka 500 – 1000 km• rychlost proudění v atmosféře až 800 km/h – ne na

rovníku, ale na 60 ° zš

• rotační osa leží v rovině ekliptiky, Uran se tedy „valí“ po

své dráze

• největší měsíc – Titania, průměr 1600 km

• měsíc Miranda – sonda Voyager 2 v lednu 1986, útvar Circus maximus• měsíc dříve rozbit, ale fragmenty se opět poskládaly

• opět sonda Voyager 2, ale v roce 1989• atmosféra má mocnost 500 – 1000 km, mnohem živější• rychlost proudění až 2400 km/h• modré zbarvení díky metanu

• atmosféra je složena z 80 % H2, 19% He a 1% CH4

• největší měsíc Triton – jediný velký zachycený měsíc,

pochází pravděpodobně z Kuiperova pásu• hmotnost 1,6 x větší než Pluto• průměr 2700 km, retrográdní rotace

Planety II

Neptun

• planetky typu Aten• planetky typu Apollo• planetky typu Amor

• perihel blíže než 1,3 AU od Slunce

• odhadem 500 až 1000 objektů s průměrem větším než

1 km• celkem pozorováno 5857 objektů

• první objev 13. 8. 1898 Witt – Eros • největší objekt Ganymed – průměr 32 km

Menší tělesa

Blízkozemní planetky

SQ > 0,9833 AU

q < 0,1,0167 AU

Apollo

0,0167 AU < q > 1,3 AU

S Q > 0,1,0167 AU

• oblast vzdálená 3 AU od Slunce mezi Marsem a Jupiterem• planetky vznikly 4 Ma po Slunci

• chybí zde hmotnější těleso• celková hmotnost planetek netvoří ani 5 % hmotnosti

Měsíce• nedostatek materiálu postihl i Mars• na vině je Jupiter, svým působením silně zredukoval

materiál v této oblasti (důkaz rychlého vzniku Jupitera)• Kirkwoodovy mezery

Menší tělesa

Planetky hlavního pásu

• první objev 1. 1. 1801 Piazzi – Ceres• je i největším objektem, průměr 975 km – limit pro sférický tvar

• pozorované množství 440 000• Pallas, Juno, Vesta, …• planetka Ida s měsícem Dactyl

Planetky hlavního pásu

Zástupci

• na dráze Jupitera – Trojané a Řekové• první objev 1906 Wolfi – Achilles • největší známý objekt Hektor – 370 x 195 km• pozorované množství 2900

• za drahou Jupitera – Kentauři a Objekty rozptýleného

disku• napůl planetka, napůl kometa• první objev 31.10. 1920 Baade – Hidalgo• největší známý objekt Eris, průměr 1300 km• pozorované množství 242

Menší tělesa

Jupiterova rodina planetek

Trojané

Řekové

• objekty Edgeworthova-Kuiperova disku (Kuiperův pás)• 200x hmotnější než hlavní pás planetek• tělesa v rezonančních oblastech Neptuna• první objev 18. 2. 1930 Tombaugh – Pluto, průměr

1212 km• největší známý objekt – Makemake, průměr 1900 km

• objekty Oortova oblaku• obrovská „zásobárna“ komet

Menší tělesa

Transneptunická tělesa

• objev 14. 11. 2003

• Sedna je eskymácká bohyně moří, žijící dle legendy

hluboko v Arktických vodách

• průměr 1200 až 1800 km

• výrazně excentrická dráha – perihel 76 AU (nejbližší roku

2076), afel 975,5 AU

• nejvzdálenější detekovaný objekt Sluneční soustavy

Menší tělesa

Děkuji za pozornost

• Velké poděkování patří Mgr. Pavlu Gabzdylovi a Mgr. Janu• Píšalovi za poskytnutí materiálů ze kterých jsem čerpal.

• www.google.com

• www.wikipedia.com

• www.astronomie.cz

• www.hvezdarna.cz

Použité prameny

• ISS- 26.6.: 3h 39m 37s, jihozápad- 27.6.: 4h 03m 46s, západojihozápad- 28.6.: 2h 55m 00s, jihozápad- 29.6.: 3h 18m 19s, západojihozápad- 30.6.: 2h 10m 07s, jih

• Iridium: - 27.6: 23h 28m 13s, severoseverovýchod, 12 °- 1.7.: 2h 58m 01s, západoseverozápad, 42 °- 1.7.: 23h 15m 23s, severoseverovýchod, 20 °- 3.7.: 4h 32m 07s, západ, 70 °

Předpověď na nejbližší noci

• Merkur je vidět ráno nízko nad východním obzorem• Venuše je vidět ráno před východem Slunce • Mars (+1.1 mag) je vidět ráno nízko nad obzorem • Mars se 22. června přiblížil na 2° k Venuši • Jupiter (-2.5 mag) vychází před půlnocí a je v Kozorohovi • Saturn (+1 mag) i se svými nyní úzkými prstenci je vidět

večer v souhvězdí Lva • Uran je ráno ve Vodnářovi • Neptun je v Kozorohovi

Předpověď na nejbližší noci

Robert Kratochvíl Přírodovědecká fakulta Masarykovy Univerzity

Documents