Z ajímavosti Sluneční soustavy

Robert Kratochvíl

Přírodovědecká fakulta Masarykovy Univerzity

Brno 2009

Zajímavosti Sluneční soustavy

O čem budeme mluvit

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

Zajímavosti Sluneční soustavy

Molekulový oblak

• vznik před 4,6 miliardami let (giga annuum – Ga) • hmotnost 10 5 až 10 6 hmotností Slunce (M S ) • teplota 10 až 30 K • hustota 1000 molekul v cm 3 • 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?

Zajímavosti Sluneční soustavy

Molekulový oblak

• díky vhodné kombinaci hmotnosti, teploty a hustoty • hmotnost překonala Jeansovu kritickou hmotnost M J

M J

  

kT G



a m u

  3 2 1  • možný start – výbuch blízké supernovy • přeměna gravitační potenciální energie na kinetickou > nárůst teploty • centrální část se smršťovala rychleji – zde Slunce

Zajímavosti Sluneční soustavy

Co vše obsahuje dnešní Sluneční soustava

• Slunce • planety • planetky • měsíce • komety • meteoroidy • meziplanetární prach a plyn • vše vázáno gravitační silou Slunce • vše v pohybu, zpravidla prográdním

Slunce

Vznik Slunce z molekulového oblaku

• vnitřní oblast oblaku kolabovala dříve • průměr 7 – 20 tisíc astronomických jednotek (astronomical unit – AU) • složení podobné dnešnímu Slunci – 98% H, He a Li • 10 5 až 10 6 let od vzniku molekulového oblaku vzniká protohvězda – energie pouze ze smršťování • zážeh termonukleárních reakcí až za dalších 50 milionů let

Slunce

Jaderné reakce

• p-p řetězec 1 1

H

 1 1

H

 1 2

H



e

 1 2

H

 1 1

H

 2 3

He

   

e

2 3

He

 2 3

He

 2 4

He

 2 1 1

H

 2  • 3α řetězec 2 4

He

 2 4

He

 4 8

Be

4 8

Be

 2 4

He

 12

C

6   • CNO cyklus – u hvězd těžších než 1,7 M S • dále syntéza těžších prvků až po železo 56

Fe

26 • další prvky již nevznikají syntézou

Slunce

Dnešní Slunce

• 99,85 % hmotnosti soustavy • stáří 4,6 Ga • průměr 1 400 000 km • hmotnost 2*10 30 • hustota 1400 kg/m 3 • 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 2013

Slunce

Astronomické údaje

• Absolutní hvězdná velikost +4,1 magnitud • označení DG2 • je hvězdou hlavní posloupnosti Hertzsprung-Russelova diagramu

Slunce

Slunce jako zdroj energie

• Slunce každou sekundu vyzáří 4*10 26 J energie (a ztratí tím cca 4,5 miliardy kg hmotnosti)

E



m



c

2 • pro porovnání: silný sopečný výbuch – 10 19 J největší vodíková bomba – 10 17 J výroba energie celého lidstva za 1 s – 10 13 J

Planety

Planety

• 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

Vznik planet z protoplanetárního disku

• 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 10 7 let, pak již chybí materiál • postupem času se akrecí (spojováním částeček) vytvořily planety – rychlost růstu z počátku milimetry za rok

Planety

Hranice ledu

• 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 H 2 O a NH 3 • 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

Planetesimály

• 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

Zajímavosti Sluneční soustavy

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

Terestrické planety

Vznik

• Merkur, Venuše, Země a Mars • ve vnitřní části Sluneční soustavy, do 4 AU • zárodky těchto planet měly průměrně hmotnost cca 0,05 M Z • 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

Dráhy

• během 10 8 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

Terestrické planety

Primární atmosféry

• 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, CO 2 atmosféry a jiné plyny -> vznikly primární • impaktující tělesa dopravila na planety další vodu

Terestrické planety

Sekundární 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

Terestrické planety

Atmosféra primární či sekundární?

• v planetárním plynném obalu mohou probíhat následující reakce

CH

4 2

NH

3 

H

2

O



N

2  

CO

3

H

2  3

H

2

H

2

S

8

H

2

S

 2

H

2

O



S

8   8

H SO

2 2  3

H

2

CO CH

4 

H

2

O



C

  2

CO H

2 2 4

PH

3  6

H

2

O

 

H P

4

O

6 2  12

H

2 • v případě ztráty vodíku se rovnováha přesouvá doprava, vzniká oxidační atmosféra • naopak, je-li vodíku dostatek, vzniká atmosféra redukční

Plynní obři

Vznik

• Jupiter, Saturn, Uran a Neptun • tvoří 99% hmotnosti všech těles obíhajících kolem Slunce • vznikli v období 10 6 až 10 7 roků • zrod ve vnějších částech Sluneční soustavy, zde hojnost vodíku, helia a jednoduchých sloučenin s nízkou teplotou tání • zárodky planet od jednotek do desítek M Z , zbytek hmotnosti gravitací zachycený plyn • všechny planety vznikli poblíž hranice ledu, poté migrovali • Uran a Neptun se pravděpodobně prohodili

Plynní obři

Složení

• 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

Měsíce planet

Podmínky existence

• 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

Planety II

Merkur

• 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

Venuše

• 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 % CO 2 • tlak při povrchu 100x větší než na Zemi

Planety II

Země

• 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

Země

Modrá obloha Země

• Rayleighův rozptyl • všechny barvy, v modré pouze maximum, má nejkratší vlnovou délku • meteoroid, meteor, meteorit

Země

Krátery na Zemi

• 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

Země

Měsíc

• 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

Útvary na povrchu

• 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

Planety II

Mars

• 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

Mars

Povrch

• 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 10 9 m 3 za sekundu (Gibraltar jen 60 milionů m 3 za s)

Zajímavosti Sluneční soustavy

Mars

• 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

Planety II

Jupiter

• 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 M Z • silně ovlivňuje své okolí – planetesimály pohlcuje i vystřeluje na okraj nebo pryč ze Sluneční soustavy

Jupiter

Struktura

• 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

Jupiterovy měsíce

• 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

Migrace Jupitera

• 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

Planety II

Saturn

• 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 % H 2 , 3,5 % He • rychlost atmosférického proudění až 1800 km/h

Saturn

Měsíce

• 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% CO 2 , 1,7% CH 4

Zajímavosti Sluneční soustavy

Uran

• v roce 1986 sonda Voyager 2 • velký planetární zárodek (až 20 M Z ) – podobně i Neptun • pozdější vývoj -> méně plynného materiálu, jedná se tedy spíše o ledové obry • atmosféra – 83 % H 2 , 15 % He, 2 % CH 4 • tloušťka 500 – 1000 km • rychlost proudění v atmosféře až 800 km/h – ne na rovníku, ale na 60 ° zš

Zajímavosti Sluneční soustavy

Uran

• 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

Planety II

Neptun

• 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 % H 2 , 19% He a 1% CH 4 • největší měsíc Triton – jediný velký zachycený měsíc, pochází pravděpodobně z Kuiperova pásu • hmotnost 1,6 x větší než Pluto • průměr 2700 km, retrográdní rotace

Menší tělesa

Blízkozemní planetky

• 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

Aten

Q > 0,9833 AU S

Apollo

S q < 0,1,0167 AU

Amor

Q > 0,1,0167 AU S 0,0167 AU < q > 1,3 AU

Menší tělesa

Planetky hlavního pásu

• 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

Planetky hlavního pásu

Zástupci

• 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

Menší tělesa

Jupiterova rodina planetek

• 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

Trojané Řekové

Menší tělesa

Transneptunická tělesa

• 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

Sedna

• 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

Děkuji za pozornost

Zajímavosti Sluneční soustavy

Pou žité prameny

• 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

Bonus

Předpověď na nejbližší noci

• 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 °

Bonus

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