Geografie fizica generala - curs 5

2. CALEA LACTEE (GALAXIA NOASTRĂ) ŞI SISTEMUL SOLAR

 

2.1. CALEEA LACTEE

Face parte din Grupul Galactic Local (24 galaxii). Este un sistem cosmic ce conţine peste 150 de miliarde de stele de tipuri şi vârste diferite (inclusiv Soarele), cuprinse în numeroase grupuri şi roiuri.

            Deşi asupra ei s-au făcut observaţii încă din Antichitate, când i s-a dat şi numele de Calea Lactee (galactos înseamnă „lapte”) datorită apariţiei sale pe bolta cerească sub forma unei mari fâşii albe de-a lungul căreia se concentrează stele, abia târziu, după secolul al XVII – lea a fost separată ca un sistem asupra căruia s-au realizat măsurători.

            • Este o galaxie spiral – turtită, cu un diametru de cca 30.000 pc.

• În cadrul structurii concentrice au fost separate: bulbul, cu diametrul de 200 pc., în formă de sferă turtită (central, pe cca 100 pc. este nucleul), cu densitatea cea mai mare de stele şi de materie interstelară; discul, destul de turtit, cu stele grupate mai ales în planul central; are un diametru de 150.000 pc.; gazul interstelar şi stelele sunt concentrate în patru braţe ce pleacă din centrul galaxiei şi se desfăşoară în planul Ecuatorului galactic; haloul, la exterior, alcătuit din materie gazoasă foarte rarefiată, cu un diametru de 150.000 ani lumină.

            • Galaxia are o mişcare de rotaţie în jurul axei mici, cu viteză diferită de la un nivel la altul; ea creşte din centru până la o depărtare de 800…1000 pc, după care scade.

• Masa Galaxiei este de cca 110…160 miliarde de mase solare.

 

2.2.SISTEMUL SOLAR (PLANETAR)

 

2.2.1. Caracteristici generale

• Sistemul Solar se află în cadrul Căii Lactee, între braţele Perseu şi Săgetător, la o depărtare de 30.000 a.l. de centrul galaxiei.

Este alcătuit, pe de o parte, dintr-o stea de mărime mijlocie (Soarele), iar pe de altă parte, din corpuri cosmice ce se învârt în jurul acesteia (8 planete, 50.000…100.000 asteroizi, din care cca 2.300 cu dimensiuni mari, numeroşi meteoriţi şi comete).

• În cadrul sistemului, Soarele ocupă poziţia centrală şi înglobează aproape întreaga masă a acestuia: 99,87% (2 x 1030 kg). Ea este de 332.946 mase terestre sau de cca 700 ori masa însumată a planetelor.

• Diametrul sistemului (la nivelul orbitei lui Pluto) este de cca 50 u.a, iar la nivelul orbitelor cometelor – de 40.000 u.a.

• Diametrul Soarelui este de 1.390.000. km, al planetelor variază între 3.000 km (Pluto) şi 142.796 km (Jupiter), diametrele sateliţilor – între 10 şi 5.262 km (Ganimede), ale asteroizilor între sub 1 km şi 1.160 km (Ceres). Meteoriţii au frecvent dimensiuni submilimetrice. În sistem există un număr enorm de comete, ale căror cozi variază între 100.000 km şi 100.000.000 km lungime.

• Planetele şi asteroizii execută mişcări de revoluţie în jurul Soarelui, iar sateliţii – în jurul planetelor, în baza legii atracţiei universale.

• Durata mişcării de revoluţie variază de la o planetă la alta şi de la un satelit la altul.

• Deplasarea planetelor, asteroizilor şi a majorităţii sateliţilor se realizează frecvent în sens direct (de la vest spre est), pe orbite eliptice, care sunt cuprinse în planuri cu oblicitate redusă. Sateliţii descriu orbite aproape circulare, situate în majoritatea cazurilor în planul ecuatorial al planetelor. Cometele şi asteroizi au orbite oblice, ale căror planuri intersectează planul ecuatorial al Soarelui în unghiuri mari.

 

2.2.2 Concepţii privind alcătuirea Sistemului Planetar - FACULTATIV

De-a lungul mileniilor au fost elaborate diferite modele ale structurii acestuia, potrivit nivelului de cunoaştere ştiinţifică şi al concepţiilor filosofice. Ele se concentrează în jurul a două idei: sistem geocentric sau sistem heliocentric.

 

  • Modelul sistemului geocentric a apărut în antichitatea greacă la Eudox, în sec. 5 î.Hr. (stelele reprezintă puncte fixe pe o sferă exterioară, iar planetele pe altele la interior, toate executând o mişcare de rotaţie în jurul Pământului de la est la vest în 24 de ore) şi a fost dezvoltată de Aristotel (384 – 322 î.Hr.), Apollonios din Perga (sec. III, 262 – 180 î. Hr. - elaborează teoria epiciclelor) şi Claudiu Ptolemeu (cca 90 – cca 168 d.Hr.) care, în lucrarea sa „Sintaxa matematică” sau „Almageste” arată că, potrivit acestei teorii, centrul întregului sistem este Pământul, care este imobil; în jurul său sunt sfere pe care se mişcă Luna, Soarele, planetele şi stelele.
  • Modelul sistemului heliocentric, ca idee, apare la Aristarh din Samos (în 265 î.Hr.) (Soarele este imobil, în centrul unei sfere a stelelor, iar planetele sunt în mişcare în jurul său) şi în detaliu la N. Copernic (1473-1543) în lucrarea De revolutionibus orbium coelestium (Despre mişcările de revoluţie ale corpurilor cereşti) apărută în 1543. În esenţă, teoria sa constă în:

- Soarele este fix şi în centru, iar Pământul şi planetele se învârtesc cu o mişcare uniformă în jurul lui pe orbite circulare,

- Pământul execută o mişcare de rotaţie în 24 de ore şi una de revoluţie într-un an.

Teoria a fost negată atunci de religia catolică, dar susţinută de către descoperirile lui G. Galilei (cei patru sateliţi ai lui Jupiter realizează mişcări de rotaţie în jurul acestuia, dovedind că Pământul nu este singurul centru al mişcării tuturor corpurilor cereşti; analizează fazele planetei Venus şi că aceasta realizează o rotaţie în jurul Soarelui; urmăreşte deplasarea petelor de pe suprafaţa Soarelui dovedind rotaţia acestuia în jurul axei) şi Giordano Bruno (arată că „în spaţiul incomensurabil şi infinit umblă nenumăraţi sori, stele înconjurate de planete asemănătoare cu cele care se învârtesc în jurul Soarelui, ca şi Pământul. Lumile şi sistemele de lumi ale Universului variază mereu şi toate au un început şi un sfârşit, invariabilă şi veşnică este numai energia care stă la baza lor. Şi pe alte planete din alte lumi trebuie să fie viaţă ca şi pe Pământ” G. Petrescu, 1962).

 

2.2.3.Teorii privitoare la formarea Sistemului Solar - FACULTATIV, cu exceptia teoriilor aparute dupa 1970

Principalele teorii au fost elaborate începând cu secolul XVIII, pe măsura acumulării de date din observaţii şi a progresului în matematică şi fizică.

  • Teoria lui Buffon (1747). Pământul a rezultat din materie desprinsă (expulzată) din Soare în urma ciocnirii acestuia cu o cometă de dimensiuni foarte mari. Acestei ipoteze i se opune în principal faptul că apropierea cometei de Soare ar fi dus (datorită tempertaurii mari) la volatizarea ei şi deci ciocnirea nu ar fi fost posibilă.
  • Teoria lui Immanuel Kant, formulată la 1754 în lucrarea Istoria universală a naturii şi teoria cerului, pleacă de la premisa existenţei unui haos primitiv, adică de la o nebuloasă cu materie pulverulentă şi gaze distribuite haotic. Prin ciocniri repetate s-au format Soarele, apoi planetele.
  • Teoria lui Pierre Simon de Laplace emisă, în 1796, în lucrarea Despre sistemul lumii. În faza primară exista o nebuloasă de particule solide şi gaze care executa o mişcare de rotaţie. Concentrarea materiei sub efectul gravitaţiei a dus la apariţia Soarelui în centru, iar creşterea vitezei mişcării de rotaţie a determinat mărirea forţei centrifuge şi separarea treptată a unor inele de materie care se vor roti în jurul Soarelui. În cadrul inelelor, prin concentrarea materiei, s-a ajuns la formarea planetelor.
  • Teoria lui James H. Jeans a fost emisă în 1919. Fizicianul englez pleacă de la ipoteza că planetele s-au format dintr-o uriaşă protuberanţă de materie expulzată din Soare, ca urmare a atracţiei exercitată de o altă stea care a trecut la mică distanţă de aceasta. Probabilitatea unei astfel de apropieri este redusă, iar calculele dovedesc că materia expulzată s-ar fi rarefiat şi nu s-ar fi ajuns la concentrări planetare.
  • Teoria lui C. von Weizsäcker (teoria turbulentă) formulată în 1943. În spaţiul viitorului Sistem Solar existau praf şi gaze rezultate din expulzări din Soare, dar şi de provenienţă primară cosmică, care erau angajate în mişcări de rotaţie în mai multe celule (vârtejuri) de mărimi şi poziţii diferite. În circa 100 mil. ani, prin concentrarea materiei din cele mai importante celule au rezultat planetele.
  • Teoria lui Otto I. Schmidt (1943) are la bază următoarele idei:

- în Galaxie există numeroşi nori de praf şi gaze (nebuloase);

- Soarele, în deplasarea lui, a intersectat o astfel de nebuloasă, pe care a captat-o; norul de particule şi gaze captate se va roti în jurul său sub influenţa forţei de atracţie;

- particulele se vor ciocni, ducând la concentrarea materiei în mai multe sectoare;

- în apropierea Soarelui, unele particule au fost captate de acesta, altele au fost respinse de presiunea radiaţiei solare, iar componenţii (uşori) situaţi la o distanţă redusă au fost volatizaţi datorită căldurii; la distanţe foarte mari, materia iniţială s-a păstrat (gaze şi particule). Între cele două situaţii au luat naştere pe de-o parte planete mici, cu densitate mare, rotire înceată şi fără sau cu puţini sateliţi, iar la distanţe mai mari s-au născut planete – gigant, cu densitate mică, rotire rapidă şi cu mulţi sateliţi.

  • Teoriile apărute după 1970 au dus la imaginarea altor modele de formare şi evoluţie a Sistemului Solar, care, în sinteză, pun în evidenţă mai multe etape distincte:

- Exploziile novelor şi supernovelor au dus la dezvoltarea unor unde de şoc (radiaţii cosmice) care acţionează asupra materiei din spaţiul cosmic, impunând concentrarea ei sub formă de nori de gaze şi praf (nebuloase).

- Din aceşti nori se ajunge, prin concentrare, la o nebuloasă sferică care, prin rotire, se turteşte; forţa centrifugă favorizează dezvoltarea unui disc de acreţie – stadiul existent în Sistemul nostru Solar cu cca 4,6 miliarde de ani în urmă. Predominau elementele uşoare (îndeosebi H, He) şi praful stelar. Din unirea atomilor s-au format molecule care s-au unit, prin ciocnire, cu pulberile, rezultând particule mici (grăuncioare) sub 1 cm diametru. Prin ciocnirea acestora au rezultat elemente mari care n-au mai putut fi antrenate în mişcarea gazelor şi au început să cadă spre planul central al discului, unde s-a format protosteaua care se încălzea treptat. Din materia din restul discului de acreţie, prin ciocniri au rezultat blocuri care vor creşte treptat, ajungând la diametre de zeci de km. Ciocnirile dintre acestea vor fi violente, elementele mici se vor sfărâma, materialele rezultate vor fi captate de blocurile mari, care vor creşte şi vor dobândi o forţă de gravitaţie ridicată, care va intensifica procesul de atragere a materiei din discul de acreţie, transformându-se în planetoizi, ce se vor înscrie pe orbite în jurul stelei.

- În timp ce în centrul nebuloasei s-a format protosoarele şi apoi, după declanşarea „focului nuclear”, steaua (Soarele), în discul de acreţie au rezultat aproape concomitent, prin concentrarea materiei din restul nebuloasei, planetoizii şi, din aceştia, planetele. Ele vor alcătui sistemul planetar.

- Trecerea Soarelui de la faza de protostea la cea de stea (odată cu începutul reacţiilor termonucleare), a produs modificări, datorită căldurii degajate, pe planetele din apropiere (Mercur, Venus, Pământ, Marte); se va topi gheaţa de amoniac şi metan, rezultând vapori care vor fi eliberaţi în spaţiu. La planetele îndepărtate, acest efect a fost nul, ceea ce se reflectă în alcătuirea lor precumpănitor din aceste gaze care au rămas solidificate.

- În planete, a început o structurare a materiei, care se pare că s-a produs mai ales într-o fază de evoluţie când materia reprezenta o topitură generalizată. Aceasta s-a datorat realizării unor temperaturi mari impuse de comprimarea gravitaţională, bombardamentul meteoritic şi dezintegrării radioactive. În topitură, elementele grele au coborât lent spre centrul planetelor, iar cele uşoare s-au ridicat. La exterior, sunt expulzate mase însemnate de gaze. Ca urmare a acestor transformări, a rezultat o atmosferă, diferită faţă de cea iniţială (nu mai conţinea amoniac şi metan, ci azot şi oxigen). Evoluţia planetelor a continuat prin crearea scoarţei, apoi, în cadrul acesteia, a marilor denivelări. Pe Pământ şi Marte, în depresiuni, s-a acumulat apa, creînd bazinele oceanice. Circuitul apei, radiaţiile solare au favorizat procese de modelare, dezvoltarea rocilor sedimentare, iar pe Pământ într-o fază ulterioară, a apărut viaţa, de care sunt legate şi ultimele modificări în compoziţia atmosferei (acumularea bogată a oxigenului).

 

2.3. SOARELE

 

2.3.1. Caracteristici generale

            Soarele, stea de mărime mijlocie (pitică galbenă), se află la 9.375 parseci (pc) de centrul Galaxiei şi la 15 pc. deasupra planului Ecuatorului galactic. Este steaua cea mai apropiată de Pământ (cca 150 mil. km, parcurşi de lumină în 8'20"). Ca formă, este o sferă de gaz incandescent care înglobează 99,9 % din masa Sistemului Solar; are un volum de 1,4 x 1027 m3 (de 1,3 milioane ori volumul Terrei), o suprafaţă de 6,08 x 1018 m2 (de 11.900 ori mai mare ca a Pământului), o rază ecuatorială de 109,2 ori mai mare decât cea terestră; în centru (interior), temperatura este de 15 milioane oK, iar la suprafaţă – de 5.700 oK (asigură o luminozitate de 3,9 x 1023 Kw); forţa de gravitaţie este de 27,9 ori mai mare decât cea terestră).

 

2.3.2. Alcătuirea Soarelui

            Modelul structural al stelei prezintă două părţi: interiorul (centrul) şi atmosfera, fiecare cu mai multe învelişuri.

  • Interiorul stelei (Corpul Soarelui)

            Corpul propriu-zis al Soarelui se compune din nucleu şi două învelişuri.

- Nucleul, în centrul Soarelui, se desfăşoară pe o distanţă de 0,2 – 0,3 din rază. Este alcătuit din H (cca 50 %), He (48 %), elemente grele (2 %). Densitatea materiei este de 158 g/cm3, iar presiunea în jur de 100 – 200 mld. atmosfere. Au loc intense reacţii termonucleare ce asigură temperaturi de peste 15 mil. oK.

- Zona radiativă este învelişul care ocupă cea mai mare parte din Soare, întinzându-se până la 0,8 din raza acestuia. În cadrul ei, conţinutul în H este mai mare (70 %). Energia produsă de nucleu și transferată aici suferă o reemisie sub formă de radiaţie electromagnetică. Temperaturile sunt în jur de 5 mil. oK.

- Zona convectivă face trecerea la atmosferă (fotosferă). Energia este transferată spre exterior prin curenţi de convecţie care determină diverse procese în atmosfera solară.

  • Atmosfera solară

Fotosfera (fotos, în limba greacă = lumină) este principala parte a atmosferei solare, de la care se propagă spre exterior aproape întreaga lumină emanată de Soare; are o grosime de 300 – 500 km şi concentrează cea mai mare parte din masa atmosferei solare. Gazele sunt rarefiate, de unde o densitate de 10-3…10-5 kg/m3, o presiune de 0,01 atm. şi temperaturi de 7.000 oK, în bază şi 4.000 (4.500) oK la partea superioară. Chimic, este un amestec de gaze, respectiv 92 % H, 7,8 % He şi 0,2 % alte elemente. Toată energia solară care ajunge pe Pământ provine din emanaţia fotosferei.

Principalele fenomene din fotosferă sunt:

- Granulele, ce apar ca „puncte” dese şi sunt provocate de curenţii de convecţie din zona convectivă care stăpung uneori fotosfera. Au diametre de cca 200…2.000 km, o durată de 5 – 10 minute şi temperaturi de până la 6.300 oK.

- Faculele sunt areale cu strălucire mai mare decât restul fotosferei şi se află în jurul petelor. Apar ca urmare a intensificării locale a câmpului magnetic, consecinţă a creşterii activităţii zonei convective. Temperatura este cu 200…300 Ko mai mare decât în restul fotosferei. Durata lor este de circa 15 zile.

- Petele sunt areale cu dimensiuni variabile (mici când activitatea Soarelui este redusă şi mari, cu diametre de zeci de mii de km, când aceasta este maximă). Apar pe fotosferă sub formă de pete întunecate, cu diametre de la câteva sute de km la zeci de ori diametrul Terrei. Corespund sectoarelor unde câmpul magnetic are valorile cele mai ridicate. În aceste areale, temperatura (4.000 oK) este mai redusă faţă de restul fotosferei, de unde şi aspectul întunecat.

• Cromosfera (cromos = „culoare”, în limba greacă) se desfăşoară la exteriorul fotosferei, având grosimea de 10 – 15 mii km, fiind vizibilă de pe Pământ în timpul eclipselor totale de Soare (apare ca un inel purpuriu, de unde a derivat şi denumirea). Este alcătuită din gaze extrem de rarefiate şi dispuse neuniform; are o densitate medie de cca 10-12 kg/m3. Temperatura la contactul cu fotosfera este de 4.000…4.500 oK, în mijloc – de 15.000 oK, iar la exterior, pe măsura scăderii densităţii, ajunge la peste 0,5 mil. oK. În cromosferă se produc mai multe fenomene:

Spiculele se formează în punctele de concentrare a câmpului magnetic. Sunt jeturi de gaze ceva mai reci şi dense, care se ridică neregulat din cromosferă în coroana solară. Au diametre în jur de 600 km, înălţimi de 10 – 12 mii km şi viteze de 20 – 25 km/s. Durata fenomenului este de 2 – 3 minute în ascensiune şi 10 – 15 minute în faza descendentă, de împrăştiere.

Erupţiile cromosferice – corespund unor creşteri rapide ale strălucirii unor areale din cromosferă foarte mari (ajung la 5 mld. km2).

• Coroana solară este învelişul exterior al atmosferei solare, dezvoltat integral într-un spaţiu circumscris de mai multe raze solare. Se separă o coroană interioară, de c-ca două raze solare şi una exterioară, de până la 10 raze solare. Masa coroanei reprezintă 10-15 din aceea a Soarelui, având o densitate ce scade lent spre exterior de la 10-12 kg/m3 la 10-20 kg/m3.

            La partea superioară a cromosferei se produc erupţii masive, ce se extind şi în coroană. Cele mai importante sunt portuberanţele. Acestea alcătuiesc jerbe uriaşe (lungimi de sute de mii de km şi lăţimi de 6.000 – 10.000 km), formate din gaze puternic ionizate, cu temperaturi foarte mari.

            Sunt separate: portuberanţe calme (au durată de câteva luni) şi portuberanţe eruptive (durată scurtă, câteva minute).

- Soarele emite în spaţiul interplanetar, în afară de radiaţia electromagnetică şi radiaţie corpusculară sub forma vântului solar. Aceasta este alcătuită din electroni, protoni, ioni emişi din coroană. Vântul solar exercită presiuni asupra magnetosferei terestre şi favorizează formarea aurolelor polare şi a furtunilor magnetice.

           

2.3. Evoluţia Soarelui

Soarele s-a născut acum cca 4,6 – 5 miliarde de ani, din materia cosmică. În prima parte a evoluţiei a fost foarte luminos, mai mare şi mai fierbinte. Prin pierderi importante de masă, însă, şi în urma expulzării sub formă de portuberanţe puternice, s-a ajuns la micşorarea treptată a razei sale. În prezent, el traversează o etapă mai calmă, cu erupţii şi explozii de mai mică amploare. În următoarele cinci miliarde de ani, rezervele de hidrogen aproape se vor epuiza, paralel cu creşterea ponderii heliului şi a temperaturilor din nucleu. Va urma arderea heliului şi probabil, o extensie a Soarelui la un diametru de mai multe zeci de ori. În urma reducerii distanţelor faţă de planetele apropiate, acestea se vor volatiliza, iar Pământul, destul de apropiat, va deveni un corp steril. Ulterior, prin pierderi de materie, brusc sau mai lent, Soarele va intra într-o etapă finală, care se va caracteriza prin micşorarea razei cu mult sub mărimea celei actuale. Se va ajunge, probabil, în circa 20 – 30 miliarde de ani la o stea neutronică.

 

 

 

 

 

 

 

Pagină actualizată la 30 Octombrie 2012.