Fizyka układów planetarnych Ziemia, Księżyc Wykład 2
Voyager 1, 1990 Źródło: NASA
parametr śr. promień masa śr. gęstość śr. przyspiesz. graw. wartość 6370 km 6 10 24 kg 5,5 g cm - 3 9,8 m s - 2 albedo 0,367 śr. temp. powierzchni 16 C (288 K) Ciśnienie atm. (poziom morza) 1013 hpa Źródło: NASA
parametr wartość styczeń lipiec 147 mln km 152 mln km mimośród (zakres zmian) peryhelium (3 I) aphelium (4 VII) średnia pr. orbit. 0,0167 (0,00 0,07) 147 10 6 km 152 10 6 km 39 km s - 1 32'31" 31'27" Źródło: Internet
doba gwiazdowa (1-2) słoneczna (1-3) prędkość lin. na równiku (Wè E) wartość 23 h 56 m 04 s 24 h 00 m 00 s 1670 km/h Źródło: P.Bond: Exploring the Solar System/Wikipedia
Źródło: gnomonika.pl
Atmosfera grubość ok. 100 km masa ok. 5 10 18 kg (ok. 10-6 masy planety) miejsce skomplikowanych procesów termodynamicznych i dynamiki płynów utrzymywana przez ziemską grawitację Źródło: NASA
Źródło: NASA Atmosfera Aby cząstka gazu mogła opuścić planetę (po orbicie parabolicznej), jej prędkość musi być większa lub równa II prędkości kosmicznej: v v p = 2GM p R p, gdzie G stała grawitacji, M p masa planety, R p jej promień. Cząstki (gazu idealnego) posiadają prędkości opisane prawem Maxwella-Boltzmanna: " d N N = 4v2 π v exp v 2 " % % $ ' 3 $ o # v o & ' dv, # & gdzie dn liczba cząstek o prędkościach z przedziału (v,v + dv), N liczba wszystkich cząstek, v o najbardziej prawdopodobna wartość prędkości zależna od temperatury T i masy cząstek m v o = 2kT m.
Atmosfera Całkując rozkład Maxwella-Boltzmanna od v p do nieskończoności otrzymujemy liczbę cząstek, które są w stanie opuścić atmosferę planety: N p N = 2 # u & % exp( u2) +1 Φ( 2u) (, $ ' gdzie π u 2 = m 2kT v 2 p, Φ(x) = 1 2π Przykładowe wartości N p /N: x " exp 1 % $ # 2 y2 'dy. & Księżyc Ziemia (górna atm.) H 2 0,5 10-5 N 2 10-7 10-73 Źródło: NASA
Skład azot (78%) tlen (21%) argon (0.9%) inne Źródło: Wikipedia
Strefy troposfera (konwekcja, do 8 km na biegunach i 18 km na równiku, 80% masy atmosfery, prawie cała zawartość pary wodnej, zachodzi w niej większość zjawisk pogodowych) stratosfera (do 50 km, podgrzewanie przez UV, warstwa ozonowa) mezosfera (50 85 km, w górnej części gaz zjonizowany przez promieniowanie wysokoenergetyczne głównie ze Słońca) jonosfera (85 2000 km, gaz zjonizowany) o termosfera (85 700 km, zorze) o granica Kármána (100 km) o egzosfera (>700 km, praktycznie próżnia, głownie uciekające H i He, także śladowe ilości O) Źródło: Internet
Źródło: Wikipedia
Geoida powierzchnia ekwipotencjalna pola grawitacyjnego przechodząca przez średni poziom oceanów opisuje rozkład masy w bryle planety. potencjał pola grawitacyjnego: φ = GM r, gdzie M masa będąca źródłem potencjału, r odległość od źródła pola. różni się od elipsoidy obrotowej o ±100 m Źródło: ESA/GOCE
Moment bezwładności Jeżeli masa m jest rozłożona w sposób ciągły w objętości V, to moment bezwładności ciała względem dowolnej osi wynosi: I = r 2 d m = r 2 ρ dv, gdzie r to odległość elementu masy dm o objętości dv od osi obrotu, ρ gęstość. Dla jednorodnej kuli o masie M i promieniu R: I = 2 5 MR2. Zatem parametr I = 0, 4. 2 MR Dla Ziemi pomiary wskazują na wartość tego parametru równą 0,33, co świadczy o niejednorodności i wzroście ρ wraz z głębokością.
Skorupa 5 40 km, 3 2,7 g cm -3 SiO 2 (60%), Al 2 O 3 (16%), CaO 6,4% Płaszcz górny do gł. ok. 400 km, 3,3 g cm -3 SiO 2 (46%), MgO (38%), FeO (7,5%) Płaszcz dolny do gł. ok. 2900 km, 5 6 g cm -3, 50% masy Płynne jądro zewnętrzne ok. 11 g cm -3, Fe, Ni, S, Si, 31% masy grubość ok. 2000 km, wiry konwekcyjne Stałe jądro wewnętrzne ok. 6000 K, do 18 g cm -3, Fe, Ni rotuje szybciej niż reszta planety o 0,3 0,5 /rok promień ok. 1200 km, 1,7% masy Źródło: Wikipedia
Źródło: Nature, 377, 203-209 (1995). Źródło: Wikipedia
Zmienne pole magnetyczne zmiany położenia biegunów krótko czasowe zmiany natężenia: 1 5%, deformacja magnetosfery przez wiatr słoneczny, zmiany w jonosferze np. wskutek pływów długoczasowe zmiany natężenia: związane z przesuwaniem się biegunów magnetycznych w skali geologicznej natężenie cały czas się zmienia (teraz słabnie o ok. 5 10% na stulecie), a co 10 5 10 6 lat dochodzi do przebiegunowania Źródło: Wikipedia
natężenie pola magnetycznego è czas [10 3 lat] Zmienne pole magnetyczne zmiany położenia biegunów krótko czasowe zmiany natężenia: 1 5%, deformacja magnetosfery przez wiatr słoneczny, zmiany w jonosferze np. wskutek pływów długoczasowe zmiany natężenia: związane z przesuwaniem się biegunów magnetycznych w skali geologicznej natężenie cały czas się zmienia (teraz słabnie o ok. 5 10% na stulecie), a co 10 5 10 6 lat dochodzi do przebiegunowania Źródło: NASA
czas [mln lat] Zmienne pole magnetyczne zmiany położenia biegunów krótko czasowe zmiany natężenia: 1 5%, deformacja magnetosfery przez wiatr słoneczny, zmiany w jonosferze np. wskutek pływów długoczasowe zmiany natężenia: związane z przesuwaniem się biegunów magnetycznych w skali geologicznej natężenie cały czas się zmienia (teraz słabnie o ok. 5 10% na stulecie), a co 10 5 10 6 lat dochodzi do przebiegunowania Źródło: Wikipedia
wiatr słoneczny fala uderzeniowa MAGNETOSFERA Źródło: Internet
Rekoneksja linii pola magnetycznego Źródło: ESA/ATG medialab Źródło: NASA
Pasy radiacyjne Van Allena wewnętrzny: 1000 5000 km, głównie elektrony i protony z wiatru słonecznego zewnętrzny: 15 25 tys. km, głównie elektrony trzeci, efemeryczny, pojawia się między dwoma ww. pasami po silnej erupcji słonecznej anomalia południowoatlantycka następstwo asymetrii rozkładu pola magnetycznego Źródło: NASA
Near Earth Asteroid Rendezvous Spacecraft (NEAR), 1998 Źródło: NASA
parametr Księżyc Ziemia śr. promień 1740 km 6370 km masa 0,07 10 24 kg 6 10 24 kg śr. gęstość 3,3 g cm - 3 5,5 g cm - 3 śr. przysp. grawit. 1,6 m s - 2 9,8 m s - 2 albedo 0,12 0,367 temp. powierzchni 40 400 K 185 331 K Ciśnienie atm. (przy powierzchni) 1013 hpa Źródło: NASA
parametr wartość półoś wielka 384 10 3 km okres syderyczny 27,32 d (c 1 è d 1 ) okres synodyczny 29,53 d (c 1 è d 2 ) mimośród 0,0554 perygeum 362 10 3 km apogeum 406 10 3 km barycentrum 4600 km od środka Ziemi Źródło: Internet
33'28" 29'55" 12% mniejsza parametr wartość półoś wielka 384 10 3 km okres syderyczny 27,32 d okres synodyczny 29,53 d mimośród 0,0554 perygeum 362 10 3 km apogeum 406 10 3 km barycentrum 4600 km od środka Ziemi Źródło: Wikipedia
Libracja można zaobserwować 59% powierzchni parametr wartość półoś wielka 384 10 3 km okres syderyczny 27,32 d okres synodyczny 29,53 d mimośród 0,0554 perygeum 362 10 3 km apogeum 406 10 3 km barycentrum 4600 km od środka Ziemi Źródło: NASA
Środek masy: W ogólności położenie środka masy: Dla dwóch ciał i początku układu współrzędnych w środku masy: m 1 r 1 = m 2 r 2 parametr wartość półoś wielka 384 10 3 km okres syderyczny 27,32 d okres synodyczny 29,53 d mimośród 0,0554 perygeum 362 10 3 km apogeum 406 10 3 km barycentrum 4600 km od środka Ziemi barycentrum Źródło: Internet
parametr wartość półoś wielka 384 10 3 km okres syderyczny 27,32 d okres synodyczny 29,53 d mimośród 0,0554 perygeum 362 10 3 km apogeum 406 10 3 km barycentrum 4600 km od środka Ziemi Źródło: Internet
parametr wartość półoś wielka 384 10 3 km okres syderyczny 27,32 d okres synodyczny 29,53 d mimośród 0,0554 perygeum 362 10 3 km apogeum 406 10 3 km barycentrum 4600 km od środka Ziemi Źródło: Internet
parametr wartość półoś wielka 384 10 3 km okres syderyczny 27,32 d okres synodyczny 29,53 d mimośród 0,0554 perygeum 362 10 3 km apogeum 406 10 3 km barycentrum 4600 km od środka Ziemi Źródło: Internet
a) wybrzuszenie mórz i oceanów b) wybrzuszenie mórz i oceanów barycentrum grawitacja: siła odśrodkowa: w sumie 2 wybrzuszenie po przeciwległych stronach globu a+b) Źródło: Internet
płaszczyzna ekliptyki Księżyc płaszczyzna równika Księżyc Ziemia płaszczyzna ekliptyki Źródło: Internet/Gary Osborn
płaszczyzna orbity Księżyca Słońce Źródło: Internet
Źródło: Wikipedia/Internet/NASA Fizyka układów planetarnych 2. Ziemia, Księżyc
Źródło: Wikipedia/Internet/NASA Fizyka układów planetarnych 2. Ziemia, Księżyc
Krater o średnicy do 20 km Duży krater Źródło: LPI
wulkan tarczowy krater wulkany tarczowe relikt dawnej aktywności wulkanicznej na morzach średnica do 10 km łagodne nachylenie stoków (1 8 ) wysokość: kilkaset metrów do 1.5 km wypływ odgazowanej magmy pod niskim ciśnieniem Źródło: LPI
Źródło: NASA/JPL
wyżyny albedo do 0,17 wzniesienia do 9 km powyżej śr. poziomu wiek ok. 4 10 9 lat bazalty bogate w Al morza niższe albedo (0,05 0.08) 2 3 km poniżej średniego poziomu wiek ok. 3 10 9 lat bazalty bogate w FeO, TiO 2 Źródło: NASA
Źródło: NASA
Selenoida odchyłki do 500 m od średniego poziomu brak izostazji maskony w okolicach niektórych mórz Źródło: NAOJ 1 mgal = 10 3 cm s 2 Źródło: NASA
Ziemia morze płaszcz jądro powierzchnia ekwipotencjału skorupa Struktura wewnętrzna I/(MR 2 ) = 0,39, zatem budowa wewnętrzna musi być dość jednorodna małe jądro stałe o średnicy 680±180 km, głównie Fe i FeS, 1 3% masy, szacowana temperatura ok. 830 K, gęstość ok. 8 g cm -3 płaszcz w dużej części w postaci stałej do głębokości 1000 1200 km, głębiej w postaci płynnej, gęstość ok. 3,3 g cm -3 skorupa o gęstości 2,9 g cm -3, do głębokości 1 km zbity regolit, od głębokości 20 km skały bazaltowe różnica między CM i CF to 1,7 km 3500 km Źródło: Geological Survey Cnada
Skorupa po stronie Ziemi grubość ok. 60 km po stronie przeciwnej ok. 110 km efekt bliskości Ziemi Źródło: NASA
Aktywność sejsmiczna poniżej 3 stopni w skali Richtera aktywność sejsmiczna spowodowana uderzeniami meteorytów oraz rozładowywaniem naprężeń wewnętrznych zjawiska płytkie powstają wskutek naprężeń termicznych zjawiska głębokie (700 1000 km) pojawiają się wskutek naprężeń pływowych od Ziemi (niekołowa orbita) i Słońca Źródło: Geological Survey Canada
Fizyka układów planetarnych 2. Ziemia, Księżyc Szczątkowe pole magnetyczne dla Ziemi: 30-60 µt Źródło: NASA
Atmosfera (egzosfera) 1 R = 10 10 fotonów m 2 s 1 Atmosfera ziemska przy powierzchni morza zawiera 10 19 cząsteczek gazu w 1 cm 3, w przypadku Księżyca jest to zaledwie 10 5 molekuł. Źródło: NASA
Obszary wiecznie zacienione W obszarach biegunowych wykryto ślady wodoru interpretowane jako sygnatura H 2 O. Eksperyment zderzeniowy wykazał obecność H 2 O w wyrzuconej chmurze pyłu. Lód wodny może być w postaci drobnych kryształków zmieszanych z regolitem (1,5% masy) Źródło: NASA
Księżyce Kordylewskiego hipotetyczne skupiska pyłu w punktach libracyjnych L 4 i L 5 układu Ziemia - Księżyc Źródło: Wikipedia