Previous PageNext Page

2. Az Univerzum és a Föld

Sem az Univerzumot, sem a Földet semmilyen módon nem befolyásolja az, hogy mi mit gondolunk róla.

Történet

Már a prehisztorikus időkben felismerték azt, hogy az égi objektumok a földi rögzített nézőpontunkhoz viszonyítva mozognak. Az ősi kultúrák is használták a horizont, zenit, nadír, az égtájak fogalmát. Az univerzum, mint tér- és időbeli tájékozódási eszköz szerepet kapott a Föld minden kulúrájának fejlődésében, erre utalnak a csillagászati és naptári fogalmakkal magyarázott földi objektumok (Stonehenge, egyiptomi piramisok, Nazca-vonalak, stb.)

A csillagászati megfigyelések során négyféle "égi mozgást" figyeltek meg:

Görög gondolkodók
Az első világképalkotók Platon (i. e. 437 - 347) és Aristoteles (i. e. 384 - 322), akik az akkori eszközök és lehetőségek között hatalmas logikai teljesítménnyel vázolták fel az általuk ismert világ méreteit, feltételezhető határait, anyagát, változás- és mozgásformáit.

Geocentrikus világkép
Ptolemaiosz (120-160) formálja rendszerbe a geocentrikus világképet, középpontjában a Földdel, a Föld körüli szférákon a csillagok és bolygók pályáit bonyolult bolygókerékszerű kapcsolatokkal.

Heliocentrikus világkép- mozgó világ
A geocentrikus világképet a lengyel Kopernikusz (1473-1543) fordította ki a sarkából, a világkép középpontjába a Napot helyezve.
A német Kepler (1571-1630) és az olasz Galilei (1564-1642) dolgozzák ki a heliocentrikus világkép addig megismert részleteiből alkotható modelljét, bolygók és holdjaik mozgásának szabályszerűségei alapján. Ebben az időszakban ismerik fel a fény sebességét, a Jupiter holdak keringésének megfigyeléséből levont következtetések alapján.

Táguló világ, pulzáló világegyetem
A 20. század első évtizedei kiterjesztették ismereteink határait az igen nagy távolságok és az igen kis méretek világa felé. A nagy távolságok felismeréséhez a csillagászat új eszközei, a kis méretek világába az atomi világ vizsgálata és a kvantumfizika vezetett.
Az új ismeretek ötvözésével a világképben gyökeres változást Einstein (1879-1955) munkája jelentette, aki kimutatta, hogy világrendszerünkben egyedül a fény sebessége állandó és független a koordinátarendszerektől, minden egyéb, sebesség, távolság és idő változó a megfigyelés helyétől és idejétől függően. Kimutatta azt is, hogy a statikus, változatlan világ csak valószínűtlen határeset, a világegyetemnek dinamikusnak, tágulónak vagy zsugorodónak kell lennie. Fridman orosz tudós támasztotta alá számításokkal, Hubble amerikai csillagász pedig megfigyelésekkel az Univerzum tágulását.

Vörös eltolódás, a tágulás bizonyítéka

Hubble amerikai csillagász az 1920-as években ismerte fel azt a jelenséget, hogy a galaxisoktól érkező fényt spektrális összetevőkre bontva a jellegzetes színek a hosszabb hullámhosszak, a vörös irányába eltolódnak. Az eltolódást a Doppler effektus alapján magyarázva, és Einstein relativitás elméletének tételeit alkalmazva ez arra nyújt bizonyítékot, hogy az Univerzum objektumai a tőlünk mérhető távolságuk függvényében növekvő sebességgel távolodnak tőlünk - táguló világegyetemben élünk.

A tágulásnak a gravitáció miatt lassulnia kell a világegyetem anyagának tömegvonzása miatt. Ha a sűrüség kellően kicsi, a lassulás gyenge, s a tágulás olyan mértékű lenne, hogy az anyag sohasem tudna égitesteket alkotni. Ha az anyag sűrüsége nagyobb, a világegyetem a gravitáció hatására összeomlana. A mai megfigyelések alapján a világegyetemünk az örökké táguló és az összeomló világegyetem modellek közötti igen szük egyensúlyi ösvényt követi. Jelenlegi állapotában a világegyetem átlagsűrűsége 2 x 10-29 g/cm3. Ez földi viszonyok között előállíthatatlanul tökéletes vákumnak felel meg.

Az Univerzum kora és mérete
A táguló világegyetem alapján következtethetünk a kezdeti pontra. Az 1980-as évektől ismert Hawking munkája, aki a táguló világképből visszafelé indulva alkotta meg a Kezdeti Pillanat, Ősrobbanás, a Big Bang modelljét.

Ha az univerzum tágul, s tágulási sebessége időben a távolsággal fokozatosan nő, akkor bizonyosan volt a folyamatnak egy kiindulópontja a téridőben. Ez a pont, szingularitás, a Big Bang, azaz a kezdetek kezdete. A világegyetem történetét ábrázolja sematikusan a következő ábra:

A Világegyetem korát a jelenlegi csillagászati ismeretek alapján 16 milliárd évre tehetjük. A diagramon is feltüntetett 1 mp időpontban a mai univerzum anyaga egy 3 cm-es átmérőjű gömböt töltött ki, s hőmérséklete 10 milliárd K volt. A mai fizikai és matematikai eszközökkel a folyamat a Big Bang-et követő T=10-43 sec-ig (Planck idő) visszavezethető. A Planck idő az ún. kauzális horizont, melynél korábbi történetről jelet nem kaphatunk. A kiinduló téridő (amely dimenzió nélküli ún. szingularitás) megismerése ilyen elvi korlátokba ütközik, így ez a megismerésnek méretbeli és időbeli határait jelenti.

Az Univerzum ma ismert átmérője mintegy 16 milliárd fényév. Ez az a távolság, amelyet mai eszközeinkkel képesek vagyunk átfogni.

Az Univerzum szerkezete
Az anyag a Világegyetem rendszerén belül az egyetemesen érvényesülő gravitációnak engedelmeskedve rendeződik.
A ma ismert legnagyobb egységek a lokális csoportok, amelyek galaxishalmazokat fognak össze. Ez alatti csoportok a galaxishalmazok. Ezek mindegyikéhez nagyszámú galaxis tartozik. Ilyen galaxis a Tejút, amelyhez bolygórendszerünk kapcsolódik. A galaxisokat csillagok építik fel, egy-egy galaxisban milliárdot meghaladó számú csillag van.

A galaxisunkat (mely kívülről nézve valószínűleg a többi galaxishoz hasonlóan spirál), csak vékony metszetben, élből láthatjuk, ezért kapta az égbolton megjelenő, csillagokban gazdag vékony sáv a Tejút nevet. A galaxisok centruma egyben gravitációs súlypontuk is. A galaxis magban uralkodó roppant mértékű gravitáció miatt a galaxis magjában valószínűleg fekete lyuk alakul ki. Egy ilyen fekete lyuk képét láthatod a Hubble teleszkóp képe alapján:


Fekete lyuk egy szomszédos galaxis középpontjában. A lyuk középpontjában látszó felvillanás az elnyelődő anyag utolsó üzenete

A csillagok nagy tömegű, hidrogént, illetve héliumot tartalmazó égitestek, amelyek a hidrogén fúziója, héliummá alakulása révén hatalmas tömegű energiát bocsátanak ki magukból, legnagyobbrészt sugárzás formájában. A Nap a Tejút galaxis egyik közepes méretű, és élettartamának 2/3-át már megélt csillaga, mely a lassan körbeforgó spirális karok egyikén helyezkedik el.

Az anyag jelentős része az űrben nem égitestek, hanem csillagközi por alakjában jelentkezik. Ez a csillagközi por az akkréciós égitest keletkezési modellben az égitestek alapanyagáúl szolgál. A Hubble űrteleszkóp felvétele alapján a Hattyú-köd képe látható:


A Swan Nebula köd 3 millió fényév magasságú anyagfelhője. A Hubble űrteleszkóp felvétele

A Naprendszer

A Naprendszer 9 bolygót és több kisebb űrobjektumot (többek között üstököst) magába foglaló egység, amely a Nap, egy közepes csillag gravitációs terében alakult ki. A Naprendszer átmérője mintegy 10 fény-óra, azaz a fény a Plutó pályájának átmérőjét 10 óra alatt futja be (A fenti képen látható képződménynek a Naprendszer tehát mintegy négy milliárdod - 4.5 x 10-9 része).

A Nap
Átmérője 1,4 millió km, tömege a Föld tömegének 333.430-szorosa. Sűrüsége 1,42 g/cm-3. A nehézségi gyorsulás értéke a Nap felszínén a Földének 28-szorosa.

A napfoltokat 1611-ben fedezték fel.A nagyobbak átmérője 85000 km fölötti. Élettartamuk néhány naptól több hónapig tarthat. Elhelyezkedésük a Nap egyenlítőjéhez kötött. A napfolt tevékenység ciklikus, ciklusideje 11 év. A napfolt tevékenység, a földi mágnesség, a légkör ionizációja egymáshoz kapcsolódó jelenségek.
A Nap külső világító atmoszférája a korona - hőmérséklete 1 millió K körüli. Napszél formájában kiterjed az egész Naprendszerre. A korona alatti zónában alakulnak ki a protuberanciák, többmillió km-es gázívekkel. A következő réteg a kromoszféra. A fotoszféra - 6200oC - a nap látható felszínét alkotja. A felszínről napkitörések indulnak ki, amelyeket mágneses viharok provokálnak. Ezek a földi távközlésben is zavarokat okozhatnak.

A nap szerkezete és felszíne részleges és teljes napfogyatkozáskor vizsgálható a legkedvezőbb módon. A hold és napfogyatkozás létrejöttét előidéző együttállást mutatja be az alábbi ábra:

Adatok a bolygó-szomszédokról

A Föld az ún. belső bolygók (Merkur, Vénusz, Föld, Mars) egyike. A bolygók közül földi eszköz eddig a Marsra és a Vénuszra szállt le sikeresen. A Vénuszt a 20 szovjet Venyera (1980-1985) űrszonda mellett az amerikai Magellan (1989) és a Pioneer Venus Orbiter (1978) űreszközök látogatták meg és térképezték fel.

Vénusz
A bolygó mérete közel azonos a Földdel, tengely körüli forgása azonban sokkal lassúbb, egy Venusz-nap 283 Föld-nap hosszúságú. Bár a felszín 80 %-át vulkáni szerkezetek foglalják el, a maradék 20 %-ot meteoritkráterek; aktív vulkánt eddig nem fedeztek fel, s az atmoszférában sem detektáltak vulkáni működési termékeket. A Naprendszer egyik legmagasabb hegye, a Maxwell Magaslat (13000 m) itt található. A bolygó felszínén a kéreglemez-mozgások nyoma, riftesedés, törésrendszerek láthatók. A bolygó felszínén erózió nincs. Nagy impakt meteoritkráterek (max. 300 km átmérővel) figyelhetők meg.

Mars
Atmoszférájának sűrüsége a Föld atmoszférájának 1 %-a. Légköre 95 % széndioxidból és 5 % nitrogénből áll. Felszíni hőmérséklete 65 és -130 F között változik. Felszínét a Mariner (1973) és Viking űrszondák (1977) térképezték először. Vulkáni vonulatok, folyóvíz hálózat, meteor kráterek jelenlétét ismerjük. A felszíni objektumok méretei a Földön ismertnél jelentősebbek. Az Olympus Mons 24000 m magasságú hegy, a Naprendszer legnagyobb vulkáni szerkezete. A Valles Marineris kanyonszerű, 6000 m mély és 230 km szélességű völgyrendszer. A legújabb Mars-szonda igazolta, hogy a sarkokon talált jég vízből van, így valószínű, hogy a Marsnak korábban jelentős mennyiségű vízzel borított felszíne lehetett. A marskéreg 15-130 km vastagságú, alatta 2300-4100 m vastag köpeny jellegű képződmény valószínűsíthető. A bolygó magját 1200-1900 km átmérőjű zóna alkotja.

A Mars felszínéről közölt képek sivatagi tájat mutatnak, erős felszínformáló erők, mállás, üledékképződés nyomaival.

A bolygók és a Hold főbb tömeg- és pályaadatait az alábbi táblázat foglalja össze:

A Naprendszerről eddig a legteljesebb információt két űrszonda, a Voyager-1 és Voyager-2 szolgáltatta. A szondák a 70-es évek során indultak el a Földről, és a Naprendszerben kifelé haladva az összes bolygót felkeresték, majd elhagyták a Naprendszert. A Voyager-2 útja a Plutó pályájával való találkozásig 10 évig tartott. Az űreszközök útját az alábbi diagramon láthatod. Az észlelt információk a 80-as évek elejétől számos közleményben jelentek meg.

A bolygók gravitációs terében számos hold kering. A Voyager szondák ezekről a Holdakról is részletes információkkal szolgáltak. Számunkra a legfontosabb, és egyúttal az ember által meglátogatott egyetlen szomszédos égitest a Hold, amelyekről néhány információt az alábbiakban foglaltunk össze:

Hold


Az Apollo-14 leszálló modulja a Holdon.

A Hold a Föld bolygója. Valószínűleg a Földtől független űrobjektum volt, amelyet a Föld gravitációs tere befogott, mintegy 3 milliárd évvel ezelőtt.
Átmérője 3476 km, felülete 38 millió km2, Földtől mért közepes távolsága 384 000 km, mintegy 60 földsugár. Tömege a Földének 1/84-ed része, átlagos sűrüsége 3,34 g/cm3. A nehézségi erő a földinek kb 1/6-a.
A Föld-Hold rendszer tömegközéppontja a Föld belsejében van.
Légköre rendkívül ritka, felszíni hőmérséklete +135 és -150oC között ingadozik. Tengely körüli forgásának ideje azonos a keringési idővel - 27.3 nap, így a Föld felé mindig ugyanazon fele fordul.
A Hold legfontosabb földi hatása (a Nap hatásával összegződő) árapályerő, a tengerek vizének szabályos függőleges mozgása. Minden 24 óra 50 percben kétszer következik be apály és dagály. Dagály a Hold zenit és nadír-állásával azonos ponton egyaránt bekövetkezik (egymástól 180 fokra), a Hold gravitációs vonzása és a centrifugális erő következtében. A dagályhullám keletről nyugat felé haladva járja körbe a Földet. A Hold árapálykeltő hatása a Földön a Naphoz képest 2.2-szeres. A Nap hatása újhold és telihold idején érvényesül a legjobban, amikor a Hold hatásához hozzáadódik. A dagályhullám a szárazulatoknak csapódva energiát ad át, s egy olyan forgónyomaték jön létre, mely a Föld forgását lassítja. A nap hossza ezért 100 évenként 0,0016 mp-cel növekszik. Az árapály keltő erők hatása a földi hő egyik jelentős forrása.

A Holdról már a múlt század 60-as évei óta közvetlen tapasztalataink vannak. Az emberi történelem egyik jelentős mérföldköve volt az Apolló-program keretében az ember holdraszállása (Armstrong, Apolló-11). Az alábbi kép az Apolló-14 holdsétáján készült "holdtani térképet" mutatja be.

Meteoritok

A meteoritok a földi légkörön áthatoló, s a felszínre becsapodó űrobjektumok. A Föld felszínét valószinűleg ugyanúgy borították becsapódási kráterek, mint a Holdét vagy más égitestét, de ezek nyomát a felszíni mállás, erózió gyorsan eltünteti, elfedi. Ennek ellenére - főként a távérzékelés térhódítása révén - egyre több földfelszíni formával kapcsolatosan feltételezhető meteoritbecsapódással való kapcsolat. Egy jelentős méretű - mintegy 10 km átmérőjű - kanadai becsapódási kráter űrfelvételét látjátok az alábbi képen:

A becsapódó meteorit a légkörben rendszerint felrobban és elpárolog, így anyaga már nem található meg a Földön, de lökéshullámának nyomai, illetve a befogadó földi képződményekben kialakult nagy nyomást jelző ásványváltozatok megőrződnek.

A Föld felszínére érkező meteoritanyagok három típusba tartoznak:
- vasmeteoritok5%
- kőmeteoritok95%
- szenes meteoritokritkaságként

Összetétel

Vas-meteoritFe és 4-20 % Ni, egyéb fémek, FeS-troilit, Fe3C - vaskarbid, grafit.
Kő-meteoritokKét típusuk
90 % kondrit:40 % olivin, 30 % pyroxén, 10 % plagioklász, 10-20 % Fe-Ni
10 % akondrit:főleg piroxén, plagioklász, 10 % olivin, és Fe-Ni.
Vannak még szenes kondritok: ebben szerpentin és klorit, olivin, vasoxidok, karbonátok, szulfátok és organikus szénvegyületek.

Kérdések:

  1. Mi az Univerzum tágulási sebessége?
  2. Ha egy spektrum a kék felé tolódik el, mire következtethetünk a spektrumot kisugárzó objektum mozgásával kapcsolatban?
  3. Szétrobbanhat-e az Univerzum, ha tágul ?
  4. Egy vízcsepp (0,01 ml) az Univerzum átlagos sűrűségű részén mekkora térfogatot töltene meg?
  5. Becsüld meg a Tejútban felhalmozott anyag tömegét, ha feltételezzük, hogy a Galaxis tömege 1 milliárd Napnak megfelelő tömegű csillagból áll!
  6. Miért fekete a fekete lyuk?
  7. A Nap melyik bolygója nem illeszkedik az ekliptika síkjára?
  8. Melyek azok a bolygók, amelyeknél az év hosszabb a földi évnél?
  9. Melyik bolygón a leginkább hasonló a gravitáció a Földéhez?
  10. Mi a különbség a vasmeteoritok és a kőmeteoritok között?

Ajánlott weboldalak

http://pubs.usgs.gov/publications/text/dynamic.html
http://www.fourmilab.ch/earthview/
http://www.sprl.umich.edu/GCL/Notes-1999-Fall/universe.html
http://edc.usgs.gov/

Irodalom, ha többet akarsz tudni:

Barrow, John. D. (1994): A világegyetem születése. Kulturtrade Kiadó Budapest. 163 p.
Hawking S., Penrose R. (1996): A tér és idő természete. Talentum, Budapest. 191 p.
Hale, A.J. (1971): Apollo 14: The climb up cone crater. National Geographic 148. 136-148.
National Geographic (1977): Mars, our first close look, National Geographic 151, 3-31
Némedi Varga Z. (1990): Általános és szerkezeti földtan. Tankönyvkiadó, Budapest, 336 p.
Newcott, W.R. (1993): Venus revealed. National Geographic 183, 36-60.
Newcott W.R. (1997): The Hubble Telescope. National Geographic v. 191. 2-17.
Newcott W.R. (1998): Return to Mars. National Geographiv 192. 2-29.
Norris, R. D., Huber, B. T., Self-Trail, J. (1999): Synchroneity of the K-T oceanic mass extinction and meteorite impact; Blake Nose, western North Atlantic, Geology (Boulder), 27, p. 419-422.
Steiner F (1969): A Föld fizikája. Tankönyvkiadó, Budapest 1969, 245 p.