Planety układu słonecznego

8 planet, 5 planet karłowatych (Ceres (pas planetoid między Marsem a Jowiszem, ceres - rzymska bogini wegetacji, 4 karłowate ułożone poza orbitą Neptuna w planetoidowym pasie Kuipera (przewidział istnienie tych ciał ), Pluton, Haumea (hawajska bogini płodności), Makemeke (stwórca ludzkości na Wyspie Wielkanocnej), Eris (grecka bogini niezgody)), pas Kuipera, obłok Oorta, stanowią łącznie skraj Układu Słonecznego. W obłoku Oorta znajduje się większość komet.

Parametry planet

Wenus, Uran i Pluton odwracają się w przeciwna stronę.

Planety wewnętrzne

Merkury, Wenus, Ziemia, Mars - małe planety, mają podobne rozmiary, wykazują dużą gęstość, zbudowane przede wszystkim ze skał, wykazują powolną rotacja wokół własnej osi.

Powierzchnia Merkurego i Księżyca - liczne kratery, zagłębienia pokryte podobnymi skałami (bazaltowymi, nazwane przez astronomów morzami),

Mars - zaawansowane procesy erozji (w stosunku do Księżyca i Merkurego), aktywność wulkaniczna i deformacje skorupy, wulkan Olimpus - 23km.

Wenus - pod względem wielkości i gęstości bardzo podobna do Ziemi, powierzchnia zakryta przez chmury kwasu siarkowego, jej atmosferę tworzą CO2 i woda. Temperatura atmosfery 500oC, ciśnienie ponad 90 razy większe niż na Ziemi. Podobnie jak na Ziemi występują wyżyny niejednokrotnie pochodzenia wulkanicznego, łańcuchy górskie, których wysokość wynosi kilka tys. metrów, doliny ryftowe, sama skorupa Wenus jest skorupa młoda (500 mln lat).

Planety zewnętrzne (gazowe olbrzymy)

Jowisz, Saturn, Uran, Neptun - bardzo mała gęstość, zbudowane z wody, metanu, wodoru, helu; szybko obracają się wokół własnej osi.

Jowisz H₂ 82%, He 18%

Wenus CO₂ 96%, N₂ 3,5%, Ar 0,1%

Ziemia N₂ 78%, O₂ 21%

Mars CO₂ 96%

przyjmuje się, ze gwiazdy powstają w wyniku kondensacji mgławicy, która określana jest jako nebula. Mgławice te zbudowane są przede wszystkim z dwóch najlżejszych pierwiastków - wodoru i helu. Tym dwóm pierwiastkom towarzyszą niewielkie ilości tlenu i cięższych pierwiastków (np. krzemu i żelaza). Zagęszczanie tej materii było możliwe dzięki siłom grawitacji, im większy był stopień zagęszczenia, tym bardziej rosła energia wewnętrzna. W ten sposób miały tworzyć się protogwiazdy, których podstawową cechą jest dośrodkowy ruch grawitacyjny cząstek materii. Gdy temperatura osiągnęła wartość około 1 mln K, rozpoczęły się reakcje jądrowe - to moment powstania gwiazd, w tym Słońca.

Planety Układu Słonecznego powstały na skutek kondensacji mgławicy występującej wokół Słońca. Jako że w zewnętrznych partiach mgławicy temperatura była niska, możliwa była dzięki temu kondensacja amoniaku, wody, metanu w postaci kryształków lodu. Cięższe pierwiastki (krzem, żelazo, glin) wchodziły w reakcje z tlenem, dzięki czemu powstały cząstki pyłu kosmicznego. W relatywnie krótkim czasie (ok. 100 tys lat) cząstki pyłu w wyniku kolizji tworzyły coraz większe asteroidy, a te z kolei w wyniku kolejnych kolizji powiększały swoją wielkość. W wyniku tego procesu kolizji cząstek o coraz większej wielkości i później kolizji samych asteroid, miały powstać planety, przy czym skład planet był uzależniony bezpośrednio od odległości od Słońca, tzn. w pobliżu Słońca planety zostały uformowane z pierwiastków ciężkich (metali krzemianów), w dużej odległości powstały planety złożone z gazu (CH4, N2, H2, O2) i pewnej ilości cząstek pyłu (grafit, kryształki lodu.

Zaawansowana grawitacja doprowadziła do wzrostu temperatury we wnętrzu Ziemi i przyjmuje się że to podstawowe źródło budowy strefowej.

Powstanie Księżyca - za prawdopodobną uznawana jest teoria, wg której zderzenie Ziemi z asteroidą doprowadziło do powstania pierścienia cząstek wokół Ziemi i z tych cząstek miał zostać uformowany grawitacyjny Księżyc.

Powstanie pierwotnych oceanów na powierzchni ziemi spowodowane spadkiem temperatury i skropleniem atmosfery. Jaki był skład pierwotnej atmosfery można wywnioskować, zakładając że pierwotna atmosfera ziemi była podobna do tej panującej na Wenus.

W ciągu 1 sekundy Słońce wyrzuca ok. 1 mln t materii, złożonej z protonów i elektronów, to tzw. wiatr słoneczny. Poza światłem widzialnym, Słońce wysyła także fale radiowe, promieniowanie podczerwone, promieniowanie ultrafioletowe, rentgenowskie. Wg geologów przez ostatnie 3 mld lat ilość energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi nie zmieniła się.. Wyraźnie obserwowane są skutki zmian aktywności słonecznej, które występują w okresach 11-letnich. Związane są z procesem przestawiania biegunów magnetycznych Słońca. Zostaje to odzwierciedlone w przyrostach drzew, przy czym zmienność ta nie jest obserwowana na większych szerokościach geograficznych, bardziej widoczne w szerokościach równikowych.

Rozbłyski chromosferyczne zewnętrznej warstwy Słońca wpływają na natężenie promieniowania rentgenowskiego, które po upływie 8 minut dociera do górnych partii atmosfery. Jego następstwem bywają zakłócenia fal radiowych. Do Ziemi dociera także strumień plazmy w postaci elektronów i protonów, przy czym większość tych cząstek zostaje wyłapana przez pole magnetyczne Ziemi. Ich zderzenie z cząsteczkami tlenu wywołuje zjawisko zorzy polarnej, o długości fali światła zielonego i czerwonego.

Ruchy Ziemi

• Ziemia wraz z galaktyka oddala się od innych galaktyk uczestnicząc w ogólnej ekspansji Wszechświata

• wraz ze Słońcem obiega jądro Galaktyki

• obiega Słońce

• obraca się wokół własnej osi

• wraz ze swoją osią dokonuje ruchu precesyjno - nutacyjnego

Obieg Ziemi wokół Słońca

determinowany przede wszystkim niemal wyłącznie przez oddziaływanie grawitacyjne Słońca. Oddziaływanie grawitacyjne planet na Ziemię jest znikome. Ziemia krąży wokół Słońca po drodze, która jest elipsą, sama znajduje się w jednym z ognisk tej elipsy. Płaszczyzna orbity Ziemi to tzw. ekliptyka. Średnia odległość Ziemi od Słońca to 149 mln 600 tys. km, przy czym ze względu na spłaszczenie orbity Ziemia w ciągu roku znajduje się raz w położeniu bliższym Słońcu (peryhelium 3.01.), a raz w położeniu dalszym (aphelium 4.07.). W peryhelium ruch Ziemi jest najszybszy, a w aphelium ruch ten jest najwolniejszy. W wypadku peryhelium 147 mln km, w aphelium 152 mln km. Peryhelium Ziemi ma miejsce zimą, aphelium latem. Taki układ sprawia, ze zima na półkuli północnej jest krótsza niż na półkuli południowej. Ekscentryczność tej elipsy nie wynika z faktu, że Słońce zmienia pozycję, tylko że Ziemia jest jakby na gumowej lince i raz ruch ten jest równomierny, a raz bardziej eliptyczny. Jedno wahnięcie mimośrodu elipsy od maksimum do minimum, gdzie różnica między peryhelium a aphelium zbliża się do 0, ma miejsce w okresie 100 tys. lat. Związana z tym ilość ciepła docierająca do Ziemi zmienia się w ilości 0,3%.

Ruch Ziemi wokół własnej osi

Oś obrotu Ziemi jest nachylona do płaszczyzny jej orbity pod kątem 66^o 33'. Jest to powodem zmieniających się pór roku. Istnieją wahania kąta nachylenia o wartość 2,6^o (ang. tilt), okres tych zmian wynosi 41 tys. lat. Zmiany te wpływają na ilość energii, która dociera szczególnie do wyższych szerokości geograficznych. W strefach międzyzwrotnikowych różnice te nie mają większego znaczenia, natomiast jeżeli chodzi o wyższe szerokości zmiana kąta nachylenia jest istotna.

Precesja

To efekt oddziaływania grawitacyjnego Słońca i Księżyca na Ziemię. W efekcie tych oddziaływań, oś Ziemi wykonuje ruch po obwodzie stożka, którego połówkowy kąt rozwarcia wynosi 23,5^o. Często podawana jest wartość 23^o 27'. pełen obrót precesyjny dokonuje się w ciągu 25 tys. 800 lat. W wyniku precesji zmienia się położenie biegunów świata. Obecnie biegun północny występuje w pobliżu gwiazdy polarnej. Za 12 tys. lat gwiazdą biegunową będzie Wega - najjaśniejsza gwiazda gwiazdozbioru Lutni.

Nutacja

To wynik oddziaływania grawitacyjnego Słońca i Księżyca. Polega na tym, że ruch precesyjny nie odbywa się dokładnie po tym samym obwodzie stożka lecz po pewnej linii falistej. Okres wahań wynosi 18,6 lat.

Ruch obrotowy Ziemi wywołuje siłę Coriolisa

F = 2 ω v sin

ω - prędkość kątowa

fi -szerokość geograficzna

v - prędkość poruszającego się ciała

Siła Coriolisa jest silniejsza na wyższych szerokościach geograficznych. Im prędkość będzie większa, tym siłą Coriolisa będzie większa, dlatego większe znaczenie ma ruch mas powietrza niż ruch mas wody.

Siła Coriolisa wpływa na ruch wiatrów w strefie międzyzwrotnikowej (wpływa na ruch pasatów). Sama wartość siły Coriolisa jest niewielka - na szerokości geograficznej Krakowa równa jest 0,01 dyny, co odpowiada przyspieszeniu 0,000112 m/s².

Obrót wpływa na kształt planet, a dokładnie chodzi o stopień ich spłaszczenia. Na Jowiszu gdzie obrót wynosi 9h 50 min, wartość spłaszczenia równa jest 1:15 (S = Rr - Rb / Rr). Dla Ziemi wynosi 1:298, a dla Wenus która obraca się w ciągu 240 dni posiada spłaszczenie wynoszące 0.

Milutin Milankovič w 1930 przedstawił pracę, w której opisał zmiany położenia Ziemi względem Słońca i własnej osi na przestrzeni czasu. Szczególną uwage poświęcił ekscentryczności orbity oraz wahaniom osi. Wykazał, że łączny efekt zmian Ziemi wokół Słońca jest odzwierciedlony sezonowymi zmianami wartości nasłonecznienia, które szczególnie zmienia się w wysokich szerokościach geograficznych. Wg Milankoviča rozwój lodowców ma miejsce w okresie zimnych pór letnich, które na 65^oN występują w okresie 100 tys., 40 tys. i 20 tys. lat. Wahania temperatur w okresie zimy są mało istotne, istotne są wahania w okresie letnim, gdyż to one powodują topnienie lodu, co wpływa na możliwość jego akumulacji. Te założenia teoretyczne zostały potwierdzone badaniami geologicznymi i stąd używamy terminu „cykle Milankoviča”.

Zmienność sama w sobie musi być potwierdzona. Najlepszą metoda potwierdzającą są badania izotopowe. Zazwyczaj jest tak, ze gdy następuje ocieplenie, jest większe parowanie i do atmosfery przedostają się atomy lżejsze i następuje względne wzbogacenie w izotopy cięższe.

Atmosfera Ziemi

Pod względem składu chemicznego, atmosfera Ziemi składa się z: azotu N2 78%, tlenu O2 21%, argonu Ar 1%, pary wodnej H2O 1%, dwutlenku węgla CO2 (0,03%), neonu Ne, helu he, których łączna ilość nie przekracza 0,04%. CO2 jest bardzo mało, ale odgrywa funkcje utrzymywania temperatury na powierzchni Ziemi i to jest efekt cieplarniany. Tlen zabezpiecza powierzchnię Ziemi przed nadmiarem promieni ultrafioletowych, gdyż absorbuje je, co powoduje powstanie ozonu O3. Atmosfera Ziemi zawiera także aerozole, chodzi głównie o wodę, a także o kwasy, które są w tej wodzie rozpuszczone. Znajdują się w niej także pyły kwiatowe. Powietrze nie jest równomiernie rozprzestrzenione na powierzchni Ziemi. W związku z siłami grawitacji cząstki powietrza występują w większej ilości przy powierzchni Ziemi.

Spadek ciśnienia atmosferycznego wraz z wysokością. Ciśnienie atmosferyczne jest o 2/3 mniejsze niż na poziomie morza, zatem ilość cząstek powietrza jest także o 2/3 mniejsza. 50% cząstek atmosfery znajduje się poniżej 5600 m. 90% poniżej 16 tys. m. 99,9999% poniżej 100 km. W związku z energią słoneczną cząstki powietrza są w nieustannym ruchu, trzeba pamiętać o rozróżnieniu dwóch pojęć - ciepła i temperatury. Pojęcie ciepła jest utożsamiane z energią wewnętrzną, której źródłem jest cząstek. Natomiast temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej. Jeżeli mamy mało cząstek, które drgają intensywnie, można mówić o wysokiej temperaturze.

Gdy masy powietrza przemieszczają się ze strefy o wysokim ciśnieniu do stref niskiego ciśnienia bez dodania energii, to ekspandują, ich drgania maleją i temperatura maleje. Mówimy wówczas o oziębieniu adiabatycznym. Powietrze oziębia się o temperaturę 6-10oC co 1km wznoszenia. Ocieplenie adiabatyczne następuje, gdy ruch jest od niższego do wyższego ciśnienia - przyspieszają, drgania wzrastają. Jeżeli powietrze unosi się ku górze ulega rozprężeniu, spada temperatura.

Warstwy atmosfery

Troposfera - (gr. tropos - powrót) Skupione w niej 90% masy atmosfery. Grubość jest inna nad biegunem (10 km), a inna nad równikiem (16 km). Wraz ze wzrostem wysokości temperatura spada, nad biegunem do -45oC latem i -70oC zimą. Nad równikiem ta wartość wnosi zawsze -70oC. Jedynie w troposferze zawarta jest para wodna, ruch mas powietrza jest wywoływany konwekcją.

Stratosfera - sięga do 50 km nad Ziemią. Temperatura w niej stopniowo wzrasta (coraz mniej cząstek, które są wzbudzone) do ok 0^oC w górnych partiach. Wzrost temperatury jest spowodowany absorpcją promieni UV. W efekcie tego powstaje ozon O3, którego największa ilość występuje na wysokości ok. 22km. Mowa wówczas o warstwie ozonowej.

Mezosfera - sięga do wysokości 90 km. Nie absorbuje energii słonecznej, stąd obserwowany jest spadek temperatury do ok. -80^oC.

Termosfera - 1% gazów, górna warstwa atmosfery. Temperatura ponownie wzrasta, co jest związane z absorpcja krótkich fal energii słonecznej. Nastepuje jonizacja powietrza, co wpływa na przewodność elektryczną. Chociaż temperatura jest duża (80oC), to ilość ciepła jest niezwykle mała (bo jest mało cząstek), nie jest to temperatura odczuwalna przez astronautów.

Magnetosfera - najbardziej zewnętrzna warstwa atmosfery, wyłapuje cząstki wiatru słonecznego.

Powstanie atmosfery

Skład pierwotny atmosfery jest odtwarzany na podstawie badan gazów wulkanicznych, wśród których występuje przede wszystkim CO2, CH4, H2S, SO2, HCl, HF, NH3. Najprawdopodobniej zawierała także parę wodną (to skład atmosfery panującej współcześnie na Wenus). Zatrzymywanie promieni podczerwonych prowadzi do wzrostu temperatury Wenus, w przeszłości powodowało do wzrost temperatury pierwotnej atmosfery ziemskiej.

Na skutek spadku temperatury wydzieliła się hydrosfera. Za przełomowy moment uważa się pojawienie się tlenu, który w małej ilości, który powstał przez dysocjację pary wodnej w temperaturze ok 1500^oC. Mógł tez powstać pod wpływem promieniowania słonecznego. Wzrost ilości tlenu nastąpił prawdopodobnie dopiero wraz z rozwojem roślinności. Dwutlenek węgla związany został w skałach węglanowych.

Główną przyczyną cyrkulacji mas powietrza są różnice nasłonecznienia. Kierunek jest także modyfikowany siłą Coriolisa. Różne nasłonecznienie oznacza rożną gęstość powietrza, a to implikuje różnicę ciśnienia (wiatr - ruch, którego celem jest wyrównanie ciśnienia).

Nad równikiem ogrzane masy powietrza wznoszą się na wysokość ok 6 km zima i 12 km latem. Odpływają ku północy i ku południowi. Na szerokości ok 30^o powracają ku równikowi jako pasaty wiejące ku zachodowi. Część mas powietrza kierowana ku biegunom, skręcają w kierunku wschodnim i przemieszczają się jako tzw. zachodnia cyrkulacja mas powietrza. Komórki konwekcji występują w strefie zwrotnikowej jak i w strefie od zwrotnika do bieguna z jednej i drugiej strony, na obu półkulach.

Biosfera

Pod pojęciem biosfery rozumiana jest ta część ziemi, gdzie spotykamy organizmy żyjące. Większość organizmów występuje w wąskiej strefie pomiędzy 200m.p.p.m. Do 6000m.n.p.m. Duże wysokości dotyczą przede wszystkim obszaru stref klimat tropikalnego. Nieznana jest liczba wszystkich gatunków zamieszkujących ziemię. Przez ostatnie 250 alt prowadzone badania nad systematyka organizmów i obecnie zakłada się, ze całkowita liczba gatunków roślin i zwierząt wynosi od 3 do 30 mln, z czego dopiero wyróżniono 1,5 mln. Ponad połowę wszystkich gatunków stanowią owady, podczas gdy znanych jest tylko 4 tys. gatunków ssaków, co stanowi 0,025% całej populacji organizmów. Przeważają organizmy małe i z tego powodu trudne do zaobserwowania - bakterie, jednokomórkowce i wirusy. W tak dużej liczbie 3 do 30 mln, większość z nich będą stanowić właśnie te.

Głównymi czynnikami wpływającymi na rozwój biosfery są : temperatura, ciśnienie i chemia lokalnego środowiska. Biosfera ma bardzo duży wpływ na szereg procesów geologicznych, np. skład współczesnej atmosfery został ukształtowany w wyniku procesów biologicznych, skład oceanów jest uzależniony od aktywności organizmów, gdyż większość z nich pobiera z wody węglan wapnia potrzebny do budowy ich szkieletów. Nagromadzenia tych szkieletów prowadzi do powstawania skał wapiennych. Dzięki organizmom powstały złoża węgli kamiennych i złoża bituminów oraz naturalnych gazów. Większość organizmów, które pojawiły się na Ziemi już wymarła. Organizmy obecnie żyjące stanowią mniej niż 10% wszystkich organizmów dotychczas żyjących.

---