Fizyka i Chemia Ziemi

Fizyka i Chemia Ziemi Temat 2: Natura obserwacji astronomicznych T.J. Jopek jopek@amu.edu.pl IOA UAM 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 1

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...? 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 2

Metoda naukowa Stawianie problemów - hipotez, które można weryfikować. W naukach przyrodniczych, weryfikacja hipotezy pociąga jej konfrontację z doświadczeniem. Hipoteza sprzeczna z doświadczeniem jest odrzucana. 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 3

Natura obserwacji astronomicznych Obserwable w astronomii: cząsteczki, bryłki materii kosmicznej, cząsteczki elementarne, promieniowanie elektromagnetyczne. 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 4

Obiekty obserwowane we Wszechświecie 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 5 5

Zjawisko meteoru Energia kinetyczna super bolidów energii wybuchów jądrowych 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 7 7

Bolidy 1-10 m średnicy 8 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

Spadek meteorytu Peekskill H6 1992, październik 9, 23:48 UT 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 9 9

Obserwacje TV meteorów 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 10 10

Automatyczna Kamera Bolidowa (Ondrejov) Fot. P. Spurny 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 11 11

Sieć kamer bolidowych Pracownia Komet i Meteorów 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 12 12

Obserwacje bazowe meteorów r, r, t e, a,,, i Obs 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 13 13

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 14 14

Wiele gwiazd posiada drobną składową: pyl,.... 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 15 15

Pył międzygwiazdowy w otoczeniu płaszczyzny Galaktyki Zodiakalny pył w otoczeniu płaszczyzny ekliptyki COBE/DIRBE - obraz nieba w podczerwieni 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 16 16

Gwiazdy i pył w Koronie Południowej WIYN, Inc., 3.5-m WIYN Telescope Interstellar Dust-Bunnies of NGC 891 Loke Kun Tan 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 17 17

Pochodzenie meteoroidów Rozpad komet i planetoid 73P/Schwassmann 3 1/P Halley C/1999 S4 Symulacja zderzenia dwóch małych planet 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 18

Kratery na powierzchni komety 81P/Tempel Meteoroidy powstają w wyniku utworzenia kraterów Głazy na powierzchni planetki 433 Eros Mimas Daktyl Księżyc 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 19 19

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 20

Ruch komet i planetek NEA Opis ruchu ciał względem Śłońca elementy orbity: a, e,,, i, T 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 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... 22 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

Fizyka wyrzutu materii kometarnej Formuła na szybkość wyrzutu meteoroidu, (m/sek) V(R c,r m, r ) F r 0.5 R c 8kT 0. 25 3 r 2 nh m 0 4R m m 8 GRc c 3 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 23

Powstanie strumienia meteoroidowego Faza I. Rój meteoroidów Cząstki pyłu wyrzucanye są z szybkością ~10-100 m/s z powierzchni komety r m r c ; r m r c 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 24

Ewolucja strumienia meteoroidowego Faza II. Strumień meteoroidów r m r c ; r m r c 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 25

Strumień meteoroidów Kwadratydy 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 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 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 27

Natura obserwabli astronomicznych Obserwable astronomiczne: cząsteczki, bryłki materii kosmicznej, cząsteczki elementarne, promieniowanie elektromagnetyczne. 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 29

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. 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 30

Aktywność Słońca Wiatr słoneczny - jądra atomowe, - cząstki elementarne: - protony, - elektrony, - neutrina 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 31

SDO - Solar Dynamics Observatory Od 2010.02.10 na orbicie Cel ciągła obserwacja aktywności Słońca oraz jej skutków na otoczenie Ziemi. 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 32

Aktywność Słońca - protuberancje 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 33

Cząstki słoneczne 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 34

Cząstki słoneczne w atmosferze Ziemi 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 35

Efekt działania wiatru słonecznego 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 36

Detecting Neutrinos Neutrinos Super Kamiokande Mozumi Mine, Japan 50,000 tons of water 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 37

Neutrina słoneczne detektor Super-Kamiokande Widok Słońca w neutrinach. Pole widzenia 90x90 stopni Rezultat 500 dniowych obserwacji 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 38

Sonda Genesis, cel - pobranie próbek z wiatru Słonecznego i dostarczenie ich na Ziemię. (2001-2004) 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 39

Planowane przechwycenie sondy Genesis 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 40

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 41

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. 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 42

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. 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 43

44 Promieniowanie EH Natura falowo-korpuskularna Dla fali płaskiej mamy: c x t E E 2 cos 0 wektor Poyntinga ; i,, E x 0 0 0 0 H E H E i H i E H x x c x t H H 2 cos 0 x 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi

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 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 45

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 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 46

Oprócz energii, fotonom można przypisać odpowiadającą im temperaturę: T h k [K] gdzie k - stała Boltzmana. 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 47

Widmo fal elektromagnetycznych Pasmo Długość fali Częstość (Hz) Energia (J) Tempera. (K) Gamma < 0.1 nm >3 10 18 >2 10-15 >10 8 Rentgenowskie 0.001-100 nm 3 10 20-3 10 15 2 10-13 - 2 10-18 10 10 10 5 Ultrafioletowe 10-300 nm 3 10 16-10 15 2 10-17 - 7 10-19 10 6-5 10 4 Optyczne 300 nm-1μ m 10 15-3 10 14 7 10-19 - 2 10-19 5 10 4 10 4 Podczerwone 1 μm-1 mm 3 10 14-3 10 11 2 10-19 - 2 10-22 10 4 10 Mikrofalowe 1 mm-3 cm 3 10 11-10 10 2 10-22 - 7 10-24 10-0.5 Radiowe 1 mm-30 m 3 10 11-10 7 2 10-22 - 7 10-27 10-5 10-4 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 48

Okna atmosferyczne 5000 A - okno wizualne 1 m - okno radiowe. 100 m - w wysokich górach możemy rejestrować promieniowanie podczerwone 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 49

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 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 50

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 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 51

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. 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 52

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 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 53

Atmosfera Ziemi Średnica Ziemi = 12756 km Wysokość jonosfery = 350 km Grubość troposfery przyjaznej dla człowieka = 7-8 km, 0.0006 rozmiarów Ziemi 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 54

Atmosfera Ziemi 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 55

2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 56

Straty energii, ekstynkcja : absorbcja, rozpraszanie 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 57

Ekstynkcja, straty energii Straty energii ~25% dw dw sec z w z 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 58

Refrakcja, zmiana Kierunku propagacji fali EH 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 59

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 1... 1sin 1) tan z z 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 60

Scyntylacje i seeing (Chwilowa ekstynkcja i refrakcja) 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 61

Pasmo radiowe, refrakcja jonosferyczna 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 62

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 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 63

Ruch obserwatora a kierunek propagacji fali E-H Ruchomy obserwator Aberracja kierunku propagacji fali EH: Δθ = Δθ I + Δθ II Wideo Massimo Mogi Vicentini 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 64

Natura precesji LS i nutacji osi rotacji bryły Ziemi 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 65

Precesja Luni-Solarna osi rotacji bryły Ziemi 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 66

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. 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 67

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. 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 68

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. 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 69

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. 2012-01-26 T.J.Jopek, Fizyka i chemia Ziemi 70