Transcript Glonaalfüüsika Maa

Globaalfüüsika
Maa
Kalju Eerme
Planeet Maa
• Üks Päikesesüsteemi väikestest e. Maa tüüpi
planeetidest. Tahke kristalse maakoorega.
Koosneb mitmetest tahketest, vedelatest ja
gaasilistest kontsentrilistest kihtidest.
• Kannab oma pinnal elu ja tsivilisatsiooni
• Tekkinud koos Päikese ja teiste planeetidega üle
4.5 miljardi aasta tagasi
• Pidevas muutumises
Maa süsteemi teadused
• Planeet Maa on keeruline isereguleeruv süsteem.
• Säilitab tasakaalulist olekut pidevalt muutuvates
tingimustes (muutuvad välistingimused ja sisemuses
toimuvad protsessid).
• Funktsionaalsus (rohkem füüsika)
• Ajalugu (Maa elulugu) geoloogia. Päris algus (tekkimine)
astronoomia.
• Arusaamise areng kulgeb staatiliselt maailmapildilt
dünaamilisele.
Maa uurimise meetodid
• Enamasti lepitakse nende eksperimentidega, mida loodus
korraldab ja katsutakse looduslikke protsesse lahti
mõtestada.
• Vaatlused seotud kvalitatiivse või mitte päris range
kvantitatiivse hinnangu andmisega.
• Mõõtmised annavad kvantitatiivse tulemuse.
Statsionaarsed regulaarsed mõõtmised. Vaatlusvõrgud.
Ühtsed rahvusvaheliselt koordineeritud
mõõtmisprogrammid.
• Ekspeditsioonid. Intensiivuuringuteks statsionaarselt
raskesti ligipääsetavates kohtades.
Maa uurimine
• Kõigepealt, mis Maa pinnal
• Rändurite reisikirjeldused. Esmatähtis majanduslik ja
strateegiline informatsioon. Loodusteaduslik taustaks.
• Suured rahvusvahelised projektid ja programmid
• International Polar Year 1882-1883 (Idee - Austria leitnant
Karl Weiprecht), kordus 1932-1933.
• International Geophysical Year 1957-1959. Liidrid Lloyd
V. Berkner (USA) ja Sidney Chapman (Suurbritannia).
Osalisi riike 67, kulutused 2 miljardit USD.
• Edasi palju erinevaid suuri projekte
Maa tekkimisest.
Mõtteloo üldine taust
• Tähed moodustavad taevas äratuntavaid kujundeid,
tähtkujud. Justkui fikseeritud taevasfäärile.
• 7 “rändavat” taevakeha - Päike, Kuu, Merkuur, Veenus,
Marss, Jupiter, Saturn. Neile omistati saatuslikku jõudu ja
nende järgi pandi nädalapäevadele nimed.
• Enamuse olemasolu ajast astronoomia olnud astroloogiat
teenindav teadus. Algus üle 5000 a. tagasi. Põlluharijatest
sumeritel ja semiitidest karjakasvatajatel oli vaja kalendrit.
• Päikesekalender (põlluharijatel), kuukalender
(karjakasvatajatel), päikese-kuukalender.
Vana-aja astronoomia
• Taevakehade liikumise detailne kirjeldamine. Eriti tähtis
Veenus. Maailma ehitus, veel vähem Maa tekkimine ei
kerkinud üles.
• Alates 800 e.Kr. Astroloogia. Agressiivsetel Assüüria
valitsejatel oli vaja sõjakäikude edu prognoosi. Kõigi
planeetide liikumise järgi. Planeetide nimed algul
kohalikud, hiljem riigis ametlikult tunnustatud jumalate
järgi.
• Astronoomia osaks jätkuvalt ka kalendri ja aja teenistus.
Astronoomia “kuldajastu” Kreekas, 600-150 e.Kr.
• Kreeka filosoofiline mõtlemine algab Thalesest 600 e. Kr. Egiptuse
matemaatika ja Babüloonia astronoomia alusel. Mõtlemine sai vabade
inimeste väärtustatud tegevuseks. Maailma ehituse loogiliselt
konstrueeritud mudelid, mis lubasid teadaolevaid fakte võimalikult
vastuoludeta seletada. Liikumise põhjused ei huvitanud.
• Pythagoras, 580-500 e.Kr. - maakera ümmargune, Ehatäht ja Koidutäht
sama.
• Anaxagoras määras 434 e.Kr. lapiku Maa eeldusel Päikese suurust ja
väitis, et Päike Peloponnesose poolsaare suurune (60 km) kuum kivi.
• Eudoxos (408-355) mütoloogiliste kangelaste ja loomade järgi
nimetatud tähtkujudega tähekaardi (370 e.Kr.) autor, 365.25 ööpäevase
kalendriaasta juurutaja ja sodiaagi vöö tähtkujude eristaja ülejäänutest.
Kristallsfääride mudeli rakendaja (27 sfääri).
Astronoomia “kuldajastu” 2
• Kristallsfääride mudeli täiustused: Kalippos (370-300) 34
sfäärini ja Aristoteles (384-322) 56 sfäärini
• Apollonius tõi sisse epitsüklid (300 e.Kr.), millede
teooriale lõpliku lihvi andis Hipparchos (180-125)
• Aristoteles- antiikaja autoriteet. Teisitimõtlejad:
Herakleitos (390-310 - tähistaevas paigal ja Maa pöörleb
ümber telje. Merkuur ja Veenus tiirlevad ümber Päikese ja
Päike koos nendega ümber Maa. Aristarchos (312-230) Maa pöörleb ümber telje ja tiirleb ümber Päikese. Päike
palju kaugemal kui Kuu ja suurem kui Maa.
Astronoomia “kuldajastu”3
• Eratosthenes (275-194): Maa ümbermõõdu määramine
lähtudes sfäärilisusest ja Päikese kulminatsiooni kõrguse
erinevusest eri laiuskraadidel. 39 400 km.
• Antiikastronoomia kokkuvõte Ptolemaios’e (87-165)
kapitaalse planeetide liikumise geotsentrilise mudeli näol,
mille varal planeetide liikumist 1500 aasta vältel arvutati.
• Kinnistähtede asukohtade jaoks Hipparchose kataloog
(1022 tähe asukohad).Planeedid liiguvad mööda
epitsükleid, millede tsentrid omakorda mööda suuremaid
ringe deferente. Näivalt silmusekujuline liikumine.
Maa suuruse määramine
Rooma teadus
• Vähe uusi mõtteid. Kreeka mõtlejate töödest
entsüklopeedilised kokkuvõtted. Strabon - geograafia,
Plinius - loodusteadused, Galenos - meditsiin,…
• Klaudius Ptolemaios - astronoomia. Kirjutanud teisigi
monumentaalseid teadusi. Geograafia.
• Teaduse keskus Aleksandria.331 e. Kr. Ptolemaioste
rajatud Museion ja raamatukogu (hävis 48 a.)
• Kadus Kreeka kolooniatele omane konkurents ja uute
ideede genereerimine. Impeeriumi ühtlustav toime.
Araabia astronoomia
• Muhameedliku ajaarvamise alguspunkt 16. Juuli 622.
Muhamed kolis Mekkast Medinasse. Araablased
vallutavad järk-järgult senise tsiviliseeritud maailma.
Impeerium Hispaaniast ja Marokost kuni Indiani.
Abassiidide dünastia pealinn Bagdad.
• Teadustest hinnatuimad - meditsiin ja astronoomia.
Palvetamisel tuli pöörduda näoga Mekka suunas. Arstid
pidid tundma astroloogiat, et määrata ravitsemiseks sobivat
aega.
• Kreeka teaduse maailmapilt säilis Guptade dünastia (kuni
650) aegses teoste kogus Siddharta.
Araabia astronoomia 2
• Kaliif al-Mansuri ajal (alates 754) tõlgiti matemaatika ja
astronoomia teoseid india ja süüria keelest ja hiljem otse
kreeka allikatest. Kaliif Harun ar Rashid (766-809) käskis
tõlkida ka Klaudius Ptolemaiose Megalis syntaxis e.
Almagest’i. Tõlge valmis tema poja kaliif al-Mamuni
valitsemise (813-833) ajal. 827 Mesopotaamias meridiaani
kaare pikkuse mõõtmine. Tulemus 1 kraad = 113 km
(tegelik 111.8 km).
• Tuntuim kalifaadi aegne araabia astronoom al-Battani e.
Albategnius.
Keskaja astronoomia
• 11. ja 12. saj. Teaduse keskus Cordoba kalifaadis
Hispaanias.
• 1258 vallutas Hulaghu-khaan (Tšingiž- khaani pojapoeg)
Bagdadi. Astronoom Nassir-Eddin rajas Iraanis suure
moodsa observatooriumi. Koostas parandatud
astronoomilised tabelid.
• Ulugbek (1394-1449) rajas 1425 Samarkandi lähistele
observatooriumi. Idamaade astronoomia täpseimad
vaatlused. 1019 tähe positsioonide kataloog. Varasemast
täpsem ekliptika kalde määramine.
Astronoomia Euroopas
• 1000. aasta paiku algas araablaste tarkuse ja kreeka
autorite tõlkimine ladina keelde.
• Dominikaani mungad Albert von Bolstedt (Albertus
Magnus) (1193-1280) ja Aquino Thomas (1225-1274)
püüdsid ühendada Aristotelese kosmoloogia ja kristliku
kiriku õpetuse ühtseks süsteemiks.
• Loodusuurimine ja maagia läbipõimunud.
• Astronoomia õpetamise ja asrtronoomiliste vaatluste algus
Euroopas 14. ja 15. saj.
Mikolaj Kopernik (Copernicus) 1473-1543
• Õppis Krakowi ülikoolis 1491-1495, sai onu abiga
kanoonikuks Frauenbergis, õppis 1496-1503 Bologna’s,
Paduas ja Ferraras kauneid kunste, meditsiini ja
õigusteadust (doktor)
• De Revolutionibus orbitum coelestium- 6 raamatut.
• Heliotsentriline maailmapilt. Epitsüklid sees. Liikumised
ringjoonelised. Aristarchost otse ei maini.
• Koperniku teooria alusel arvutas Erasmus Reinhold (1551)
Preisi tabelid (Preisi hertsog Alberti kulul), mis olid
täpsemad kui kastiilia kuninga Alfons X toetusel Toledos
koostatud Alfonsi tabelid (1252).
Tycho Brahe 1546-1601
• Lõuna-Rootsis sündinud Taani aadlik. 12 aastaselt ülikooli,
et saada poliitikuks. Õppis Kopenhaagenis, Leipzigis,
Wittenbergis, Rostockis ja Baselis.
• Astroloogiahuvi viis astronoomia juurde.
• Uraniborgi ja Sterneborgi observatooriumide ehitamine.
Kuningas Fredrik II (suri 1588) soosing
• Oma aja täpseim vaatleja (2’ senise 15’ asemel)
• 1597 lahkub Taanist, 1599 kuni surmani Prahas Rudolf II
õukonnamatemaatik.
• Viimasel eluaastal abiliseks Johann Kepler.
Johann Kepler 1561-1630
• Vaesest perest pärit ja kehva tervisega. Õppis
kloostrikoolis, mis andis õiguse astuda Tübingeni ülikooli.
1591 magister. Protestant, mis tõi pahandusi kaela.
• 1594 Grazis matemaatika lektor. Ülesannete hulgas
astroloogilise kalendri toimetamine koos ilmaennustusega
järgmiseks aastaks. See edukas.
• 1596 Mysterium Cosmographicum.
• 1601 Rudolf II õukonnamatemaatik. Töötas Brahe Marsi
orbiidi andmetega 25 aastat. Kepleri seadused. 1627
Rudolfi tabelid.
• 1628 Wallensteini ihuastroloog.
Isaac Newton 1643-1727
• Farmeri poeg. Cambridge ülikooli Trinity kolledž 16611665. 1668 magister.
• 1668 peegelteleskoop
• 1669 matemaatikaprofessor
• Tööd astronoomia ja dünaamika, optika ja puhta
matemaatika valdkondadest.
• 1687 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica.
Dünaamika alused. Ülemaailmne gravitatsiooniseadus ja
Maa kuju teooria (pöörlev Maa pöördellipsoid)
• 1671 Kuningliku Seltsi liige, 1703 president,1705 rüütliks
Hüpoteesid päikesesüsteemi tekkimise kohta
• Kuna loodus oli teadaolevalt jumalate looming, siis 18. saj.
keskpaigani tekkimise küsimust ei olnud. Maailm loodud
6000 a. tagasi. Biosfääri liigid selles valmis hierarhias.
• 1749 George Louis Leclerc Comte de Buffon (1707-1788)
kirjeldus, et planeedid võisid tekkida mööduva komeedi
poolt Päikeselt väljarebitud aine klompidest. Maa 75 000
aastat vana. Esimene nn. katastroofihüpotees.
• 1755 Immanuel Kanti (1724-1804) anonüümselt ilmunud
raamatus “Üldine looduse ajalugu ja taeva teooria”
hüpotees, kuidas maailm tekib külma tolmudu hajusast
ainest. Ebahomogeensustest algab planeetideks
koondumine.
Buffon “Histoire Naturelle” 44 köidet 1749-1788
Päikessesüsteemi teke Les epoques de la nature (1778)
Planeetide tekke hüpoteesid
• 1796 Pierre Simon Laplace (1749-1827) analoogne
nebulaarhüpotees, mille järgi planeedid pidid tekkima
kuumast gaasudust, millised William Herschel (17381822) oli äsja avastanud.
• Tuntakse Kant-Laplace nebulaarhüpoteesina.
• Vastuolud
• Päike 99 % süsteemi massist, kuid ainult 2 %
pöörlemishulgast
• Maa ja Päikese koostised erinevad
Planeetide tekke hüpoteesid 2
• James Hopwood Jeans (1877-1946) 1917. Planeedid
tekkinud Päikese lähikontakti tõttu mõne teise mööduva
tähega. Pidi mööduma Päikese ekvaatori tasandis umbes 1
aü kauguselt. Tõenäosus väike.
• Hannes Alfven (1908-1995) seletas Päikese pöörlemise
aeglustumist ja nurkmomendi ülekannet planeetidele
elektriliste ja magnetiliste jõududega. Senised hüpoteesid
ainult mehaanika baasil.
• 1950 a. paiku igal endast lugupidaval astronoomil isiklik
päikesesüsteemi tekke hüpotees.
Planeetide teke
Päikesesüsteem
Maa tüüpi planeedid
Maa väliskuju ja mõõtmed
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Kauges minevikus peeti lapikuks
540 e.Kr. Pythagoras - Maa sfääriline
230 e. Kr. Eratosthenes Maa raadius 6311 km (6371 km)
127 Ptolemaios kirjutas Maa väiksemaks
1528 Jean Fernel (tõllaratas pikkuse mõõtmiseks)
1617 Villerbrod Snellius Hollandis
1636 Richard Norwood trassil London - York
1670 Jean Picard - Maa raadius 6 371 692 m
1687 Isaac Newton - Maa pöördellipsoid
Triangulatsioon ja nivelleerimine
• Astronoomilis-geodeetiliste tööde põhiülesandeks ongi
triangulatsiooni ja nivellimise võrkude moodustamine ning
nende abil n. nim. trigonomeetriliste ja nivellimise
punktide asendite ehk koordinaatide määramine.
• Trigonomeetriliste punktide kaugust üksteise suhtes ehk
nendest moodustatud kolmnurkade külgede pikkust ei
määrata lineaarsete mõõtmiste, vaid nurgamõõtmiste abil
mainitud kolmnurkades.
• Maakera pinna kõveruse tõttu ei ole võimalik siinjuures
tarvitada tasapinnalist trigonomeetriat.
Struve aegne teodoliit ehk universaalriist
Struve triangulatsioon 1816 - 1855
•
•
•
•
•
•
•
2800 km pikkune kaar Doonau suudmest Põhja-Jäämereni
Friedrich Georg Wilhelm Struve (1793-1864)
Carl Friedrich Tenner (1783-1859)
Maa kuju geoid sarnaneb kolmeteljelise ellipsoidiga
Praktikas kasutatud kaheteljelist ellipsoidi
IERS 1989, Ekv 6 378 136 m, Pol 6 356 751 m
Geoid jääb ellipsoidist kuni 100 m madalamale (Sri
Lankast lõunas) ja tõuseb kuni 70 m kõrgemale (Uus
Guinea lähistel).Erinevus ± 110 m.
• Eesti kohal 20 m kõrgemal
Struve triangulatsiooni trass Eestis
Struve-Tenneri kraadimõõtmise kogutrass
Geoid ellipsoidi suhtes
Maa liikumised ruumis
• Koos Galaktikaga Ükssarviku (Monocerotis), viimasel ajal
pigem Lõvi (Leo) tähtkuju suunas 210 km/s
• Galaktika pöörleb kiirusega 220 km/s (periood 220 milj.
aastat), Päike raadiuses 8000 parsekit
• Galaktika ei pöörle jäigana ja kiirus pole ühtlane. Viimase
10 000 aastat liigub Päikesesüsteem 1000 korda tihedamas
keskkonnas kui eelmised 5 milj. aastat
• Maa tiirleb ümber Päikese elliptilisel orbiidil. Ekstsentrisus
praegu 0.017 e. minimaalse lähedal, maksimaalselt viimase
5 milj. aasta jooksul olnud 0.0607
Maa liikumised ruumis 2
•
•
•
•
•
•
•
•
Aasta 365 ööpäeva 5 h 48 m 46 s
Põhjapoolkera suvine poolaasta 186 ööpäeva, talvine 179
Periheel 3. Jaan, afeel 6. Juulil 2010
Tiirlemise keskmine lineaarkiirus 29.78 km/s. Kiiruste
erinevus periheelis ja afeelis 950 m/s
Maa pöörlemine läänest itta nagu tiirleminegi
Ööpäev 23 h 56 m 4 s. Lineaarkiirus 465 m/s
Ööpäevad pikimad märtsis, lühimad augustis. Erinevus
0.0025 s. ööpäev pikeneb 0.0023 s sajandis
Noore Maa ööpäevad 10 h, 900 milj. a. tagasi 18 h.
Pöörleva keha nurkmoment
• I = IMω = κMR2(1 + 2/3α) ω,
• ω - nurkkiirus,
• κ-struktuurikoefitsient, arvestab massijaotust raadiuse
sihis,
• M - Maa mass, IM - Maa inertsimoment
• R - Maa keskmine raadius,
• α - polaarne kokkusurutus.
• Masside ümberjaotumine toimub kõigis geosfäärides
• Pöörlemiskiiruse hüppelised muutused tsonaalse tuule
kiiruse kõikumisest
Maa pöörlemistelje asend ja orbiidi kuju
• Ekstsentrisus muutub 100 000 ja 400 000 a perioodidega
• Võrdpäevsuspunkte ühendav joon liigub orbiidi telgede
suhtes 19 000 ja 23 000 a perioodidega
• Pöörlemistelje kaldenurk orbiidi tasandi suhtes perioodiga
41 000 a
• Pöörlemistelje pretsessioon perioodiga 26 000 a
• Kuu eemaldub Maast 3 cm/a
Maa orbiidi ekstsentrisuse muutumine
Maa pöörlemistelje asendi muutumine
Pretsessioon
Milankovitci tsüklid2
Milankovitchi tsüklid
Seos jääaegadega
Maa reljeef
• Kogupindala 510 milj km2 (362 milj km2 ookean, 148 milj
km2 mandrid)
• Põhjapoolkera mandripoolkera 39.4 % mandrit
• Aafrika 29.4 milj km2 ,750 m üle merepinna
• L. Ameerika 18.2 milj km2 , 590 m
• P. Ameerika 20.3 milj km2 , 720 m
• Antarktika 13.9 milj km2 , 2040 m
• Aasia 43.4 milj km2 . 960 m
• Austraalia 7.6 milj km2 , 340 m
• Euroopa 10 milj km2 , 340
Ookeanid
•
•
•
•
Atlandi 94.314 milj km2, 337 210 km3
India 74.118 milj km2 , 284 608 km3
P. Jäämeri 12.257 milj km2, 1370 km3
Vaikne 181.334 milj km2. 714 410 km3
Reljeef 2
•
•
•
•
Megareljeef
makroreljeef
mesoreljeef
mikroreljeef
•
•
•
•
0-200 m madalikud
200-500 m kõrgustikud
>500 m mäestikud 45 % maismaast
500-800 m madal, 800-2000 m kesk, >2000 m kõrg
Ookeanide põhjareljeef
•
•
•
•
•
< 200 m mandriself
200 - 2500 m mandrinõlv
2500 - 6000 m ookeani nõgu
>6000 m süvikud
Mandrid 29 % Maa pinnast, mandriline maakoor 40 %