Fizyka i Chemia Ziemi

Transkrypt

1 Fizyka i Chemia Ziemi Temat 2: Natura obserwacji astronomicznych T.J. Jopek jopek@amu.edu.pl IOA UAM T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 1

2 Modele Wszechświata Dlaczego współczesne modele są bliższe prawdy? Czy jesteśmy bardziej inteligentni od astronomów starożytnych? Opanowaliśmy metodę naukową i rozwinęliśmy technikę. Dlaczego współczesna nauka i technika powstały w Europie a nie w Egipcie, Babilonie, Chinach, Indiach, Ameryce...? T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 2

3 Metoda naukowa Stawianie problemów - hipotez, które można weryfikować. W naukach przyrodniczych, weryfikacja hipotezy pociąga jej konfrontację z doświadczeniem. Hipoteza sprzeczna z doświadczeniem jest odrzucana T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 3

4 Natura obserwacji astronomicznych Obserwable w astronomii: cząsteczki, bryłki materii kosmicznej, cząsteczki elementarne, promieniowanie elektromagnetyczne T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 4

5 Obiekty obserwowane we Wszechświecie T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 5 5

6 Zjawisko meteoru Energia kinetyczna super bolidów energii wybuchów jądrowych T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 7 7

7 Bolidy 1-10 m średnicy T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

8 Spadek meteorytu Peekskill H6 1992, październik 9, 23:48 UT T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 9 9

9 Obserwacje TV meteorów T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 10 10

10 Automatyczna Kamera Bolidowa (Ondrejov) Fot. P. Spurny T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 11 11

11 Sieć kamer bolidowych Pracownia Komet i Meteorów T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 12 12

12 Obserwacje bazowe meteorów r, r, t e, a,,, i Obs T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 13 13

13 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 14 14

14 Wiele gwiazd posiada drobną składową: pyl, T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 15 15

15 Pył międzygwiazdowy w otoczeniu płaszczyzny Galaktyki Zodiakalny pył w otoczeniu płaszczyzny ekliptyki COBE/DIRBE - obraz nieba w podczerwieni T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 16 16

16 Gwiazdy i pył w Koronie Południowej WIYN, Inc., 3.5-m WIYN Telescope Interstellar Dust-Bunnies of NGC 891 Loke Kun Tan T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 17 17

17 Pochodzenie meteoroidów Rozpad komet i planetoid 73P/Schwassmann 3 1/P Halley C/1999 S4 Symulacja zderzenia dwóch małych planet T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 18

18 Kratery na powierzchni komety 81P/Tempel Meteoroidy powstają w wyniku utworzenia kraterów Głazy na powierzchni planetki 433 Eros Mimas Daktyl Księżyc T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 19 19

19 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 20

20 Ruch komet i planetek NEA Opis ruchu ciał względem Śłońca elementy orbity: a, e,,, i, T T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 21

21 Pochodzenie strumieni meteoroidów Wyrzutu materii kometarnej Bilans energii Giotto mission ESA E E S S E U E Reradi E Subli E Pr zewo Siły działające na uwolniony meteoroid F m Fp Fgc Fsp F gs T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

22 Fizyka wyrzutu materii kometarnej Formuła na szybkość wyrzutu meteoroidu, (m/sek) V(R c,r m, r ) F r 0.5 R c 8kT r 2 nh m 0 4R m m 8 GRc c T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 23

23 Powstanie strumienia meteoroidowego Faza I. Rój meteoroidów Cząstki pyłu wyrzucanye są z szybkością ~ m/s z powierzchni komety r m r c ; r m r c T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 24

24 Ewolucja strumienia meteoroidowego Faza II. Strumień meteoroidów r m r c ; r m r c T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 25

25 Strumień meteoroidów Kwadratydy T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 26

26 Natura obserwabli astronomicznych Cząsteczki, bryłki materii pozaziemskiej: do niedawna jedyne źródło materii kosmicznej materia badana w laboratoriach fizyko-chemicznych metodami typowymi dla fizyki i chemii jak dotąd obserwacje tych obiektów niewiele wniosły do współczesnego kosmologicznego obrazu Wszechświata, grają ważną rolę w badaniach Układu Planetarnego, meteoroidy dostarczają na powierzchnie Ziemi materiał organiczny T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 27

27 Natura obserwabli astronomicznych Obserwable astronomiczne: cząsteczki, bryłki materii kosmicznej, cząsteczki elementarne, promieniowanie elektromagnetyczne T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 29

28 Cząsteczki elementarne W przestrzeni około ziemskiej obserwowane są jądra atomowe, cząstki elementarne jak protony, elektrony neutrina Materią tą zajmuje się fizyka promieniowania X. Niełatwo jest wyznaczyć trajektorię tych cząstek. Wiemy, że jednym z ich źródeł jest Słońce T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 30

29 Aktywność Słońca Wiatr słoneczny - jądra atomowe, - cząstki elementarne: - protony, - elektrony, - neutrina T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 31

30 SDO - Solar Dynamics Observatory Od na orbicie Cel ciągła obserwacja aktywności Słońca oraz jej skutków na otoczenie Ziemi T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 32

31 Aktywność Słońca - protuberancje T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 33

32 Cząstki słoneczne T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 34

33 Cząstki słoneczne w atmosferze Ziemi T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 35

34 Efekt działania wiatru słonecznego T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 36

35 Detecting Neutrinos Neutrinos Super Kamiokande Mozumi Mine, Japan 50,000 tons of water T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 37

36 Neutrina słoneczne detektor Super-Kamiokande Widok Słońca w neutrinach. Pole widzenia 90x90 stopni Rezultat 500 dniowych obserwacji T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 38

37 Sonda Genesis, cel - pobranie próbek z wiatru Słonecznego i dostarczenie ich na Ziemię. ( ) T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 39

38 Planowane przechwycenie sondy Genesis T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 40

39 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 41

40 Natura obserwabli astronomicznych W astronomii, mamy trzy rodzaje obserwabli: cząsteczki, bryłki materii kosmicznej, cząsteczki elementarne, promieniowanie elektromagnetyczne. Współczesny obraz Wszechświata, współczesna kosmologia głównie opiera się na obserwacjach promieniowania elektromagnetycznego docierającego z kosmosu w okolice Ziemi T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 42

41 Promieniowanie EH Ciąg przemieszczających się zaburzeń elektrycznych i magnetycznych Promieniowanie E-H można wykryć w wyniku jego oddziaływania z materiałami jakie napotyka na swej drodze. Energia promieniowania transformowana jest w inną postać dogodną do ilościowego określenia T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 43

42 44 Promieniowanie EH Natura falowo-korpuskularna Dla fali płaskiej mamy: c x t E E 2 cos 0 wektor Poyntinga ; i,, E x H E H E i H i E H x x c x t H H 2 cos 0 x T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

43 Promieniowanie EH fala EH rozprzestrzenia się z szybkością v charakterystyczną dla danego ośrodka częstość promieniowania ν jest dla danej fali wielkością stałą długość fali λ jest zależna od ośrodka, przez który fala E-H przechodzi dla próżni, analogiczny związek ma postać v c 0 w próżni szybkość propagacji fali E-H wynosi c i jest fundamentalną stałą fizyczną T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 45

44 Właściwości propagacyjne ośrodka charakteryzowane są stosunkiem: c v n n - współczynnik załamania ośrodka, ε - przenikalność dielektryczna ośrodka, μ - przenikalność magnetyczna ośrodka. Własności kwantowe promieniowania reprezentuje formuła: 2 E m c h h - stała Plancka m masa fotonu T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 46

45 Oprócz energii, fotonom można przypisać odpowiadającą im temperaturę: T h k [K] gdzie k - stała Boltzmana T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 47

46 Widmo fal elektromagnetycznych Pasmo Długość fali Częstość (Hz) Energia (J) Tempera. (K) Gamma < 0.1 nm > > >10 8 Rentgenowskie nm Ultrafioletowe nm Optyczne 300 nm-1μ m Podczerwone 1 μm-1 mm Mikrofalowe 1 mm-3 cm Radiowe 1 mm-30 m T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 48

47 Okna atmosferyczne 5000 A - okno wizualne 1 m - okno radiowe. 100 m - w wysokich górach możemy rejestrować promieniowanie podczerwone T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 49

48 Natura obserwabli astronomicznych bryłki materii kosmicznej meteoroidy, mikrometeoroidy, cz. Brownlee jądra atomowe, cząstki elementarne: elektrony, protony, jądra atomowe,... promieniowanie E-H kierunek propagacji, położenie obiektu: astrometria, astronomia pozycyjna, energia, jasność obiektu: astrofizyka, fotometria, spektroskopia polaryzacja: astrofizyka T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 50

49 Natura obserwacji astronomicznych Obserwacje promieniowania E-M zawsze dokonywane są za pomocą zestawu urządzeń będących układem typowego przetwornika. a) Kolektor promieniowania Detektor b) Przetwornik Każdy przetwornik oddziałuje z odbieranym sygnałem, wskutek czego część energii sygnału zostaje stracona, a jednocześnie sygnał ulega modyfikacji, zniekształceniu T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 51

50 Natura obserwacji astronomicznych Konieczne są: kalibracja narzędzia obserwacyjnego, opracowanie obserwacji W tym celu: Obserwator wyznacza poprawki do rejestrowanego sygnału, czyli określa wszystkie istotne błędy systematyczne. Zniekształcenia sygnału o charakterze losowym opracowuje za pomocą statystyki matematycznej T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 52

51 Obserwacje wykonywane na powierzchni Ziemi Dodatkowe zniekształcenia sygnału: oddziaływanie atmosfery; propagacja promieniowania E-H przez zmienny ośrodek ruch Ziemi (obserwatora); wpływa na rejestrację kierunku propagacji promieniowania E-H zmienność układu odniesienia, w którym dokonywane są obserwacje T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 53

52 Atmosfera Ziemi Średnica Ziemi = km Wysokość jonosfery = 350 km Grubość troposfery przyjaznej dla człowieka = 7-8 km, rozmiarów Ziemi T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 54

53 Atmosfera Ziemi T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 55

54 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 56

55 Straty energii, ekstynkcja : absorbcja, rozpraszanie T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 57

56 Ekstynkcja, straty energii Straty energii ~25% dw dw sec z w z T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 58

57 Refrakcja, zmiana Kierunku propagacji fali EH T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 59

58 Refrakcja. Model płaskiej atmosfery n n 0 0 R sin sin z z z 0 0 z n sin sin z 0 1 ( n 0 z sin 1) tan z z T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 60

59 Scyntylacje i seeing (Chwilowa ekstynkcja i refrakcja) T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 61

60 Pasmo radiowe, refrakcja jonosferyczna T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 62

61 Przemieszczenie obserwatora a kierunek propagacji fali E-H Kierunek przyjścia fotonów ulega także zmianom z powodu ruchu obserwatora w przestrzeni kosmicznej Zmiany te wiążą się ze zjawiskami aberracji i paralaksy kierunku propagacji promieniowania G G r r'r sin p R r sin Z p'' 1 r, r [pc] Wideo Massimo Mogi Vicentini T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 63

62 Ruch obserwatora a kierunek propagacji fali E-H Ruchomy obserwator Aberracja kierunku propagacji fali EH: Δθ = Δθ I + Δθ II Wideo Massimo Mogi Vicentini T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 64

63 Natura precesji LS i nutacji osi rotacji bryły Ziemi T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 65

64 Precesja Luni-Solarna osi rotacji bryły Ziemi T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 66

65 Ruch układu odniesienia: precesja i nutacja Biegun świata P z epoki T 0 przesunął się do położenia P 1. Odpowiednie zmiany położenia punktu równonocy to: ϒ do ϒ 1. Tempo ruchu punktu równonocy wynosi ~50 /rok. Precesja Luni Solarna: - ruch bieguna świata i punktu równonocy wokół bieguna ekliptyki. - ruch układu odniesienia jako całości. Nutacja: wahania prawdziwego bieguna świata (±9 ) wokół trajektorii średniego bieguna T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 67

66 Ruch układu odniesienia: precesja planetarna Biegun ekliptyki K z epoki T 0 przesunął się do położenia K 1. Ruch bieguna ekliptyki pociąga zmiany położenia punktu równonocy z ϒ do ϒ 1. Tempo ruchu punktu równonocy wynosi ~0.5 /rok. Precesja planetarna: - ruch bieguna ekliptyki i punktu równonocy wokół bieguna świata, - ruch układu odniesienia jako całości. Ekliptyka i jej bieguny zmieniają swoje położenie w wyniku perturbacji planet na ruch układu Ziemia Księżyc T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 68

67 Kalibracja, opracowanie obserwacji astronomicznych Obserwacje fotometryczne (energia promieniowania EH): - błędy instrumentalne, - uwzględnienie ekstynkcji atmosferycznej, - statystyczne metody opracowania pomiaru. Obserwacja kierunku przyjścia prmomienowania EH: - błędy instrumentalne, instrumentalny profil, - refrakcję astronomiczną, - aberracje (dobową, roczną, planetarną), - paralaksę (dobową, roczną, wiekową), - precesję i nutację, - statystyczne metody opracowania pomiarów, - inne zagadnienia np. zagadnienie skali czasu T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 69

68 Obserwacje astronomiczne: cele - mapy sfery niebieskiej, - katalogi współrzędnych gwiazd: fundamentalne, względne, katalogi fundamentalne definiują układ odniesienia, - ruch ciał (efekt Dopplera, zmiany położeń ciał niebieskich), - masy gwiazd (ruchy gwiazd w układach podwójnych) - odległości do gwiazd (paralaksy trygonometryczne). - liniowe rozmiary ciał niebieskich, - skład chemiczny (spektroskopia), - zastosowania praktyczne: nawigacja, GPS, sondy, - zastosowania mniej praktyczna: kosmogonia, kosmologia T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 70