A Hold Plachy Emese MTA CSFK CSI
CSILLAGÁSZATI ALAPTANFOLYAM 2013
A HOLD AZ ÓKORBAN Mezopotámia: fogyatkozások ciklikussága Ókori görögök: – Szeleukosz: árapály és a Hold kapcsolata – Anaxagorasz: égi kő melyet a Nap világít meg (börtön, száműzetés) – Arisztotelész: földi és égi szférák határolója Középkorig ható elmélet – Arisztarkhosz: Nap és Hold relatív távolsága Φ = 87° -> 20x valójában 89,8° -> 390x – Ptolemaiosz (Almagest) : egész pontos érték a méretre és távolságra
NAPTÁRAK • Holdfázisok jól nyomonkövethetőek 354.37 • Évszakok/csillagok szintén • 12 holdhónap (354.57 nap) < 1 év (365.2423 nap) • Legtöbb naptár luniszoláris (volt) – Kínai, hindu, héber, etc. – szökőnapok/hónapok beiktatása • Tiszta holdnaptár: iszlám – 11-12 nappal rövidebb év – ~ 33 évenként ér körbe a napévhez képest • Hónap kezdete: újhold, telihold, első holdsarló
Japán luniszoláris naptár
A HOLD ÉS A TÁVCSÖVEK • 1609 Galilei: kráterek felfedezése • Vele egyidőben Thomas Harriott is – Publikálatlan vázlatok • 1647, Hevelius: Selenographia – Első mű kizárólag a Holdról • 1651, Giovanni Battista Riccioli – Almagestum Novum – Mai elnevezések eredete – Mare és fő kráter nevek
AZ ÉLŐ HOLD? • Élőlények, vegetáció a Holdon? • 19. sz. elejéig széles körben elfogadott nézet – Mare területek tengerek?
• 1837 Beer, Mädler: holdatlasz illetve könyv – Se légkör, se élet
FIZIKAI TULAJDONSÁGOK • Egyenlítői átmérő: 3476,2 km • Poláris átmérő: 3472,0 km
(27% Földátmérő)
• Lapultság: 0,0012 (Föld:0,0033) • Tömeg: 7,347 673 ∙1022 kg (1,2% Földtömeg) • Átlagos sűrűség: 3344 kg/m3 (Föld:5515 kg/m3) • Felszíni gravitációs gyorsulás: 1,62 m/s2
(1/6 g)
PÁLYAADATOK • Földközel (perigeum): 363 104 km • Földtávol (apogeum): 405 696 km • Közepes földtávolság (fél nagytengely): a = 384 400 km / látszó átmérő ~ Napé, 31,5' /
• Pálya excentricitása: e = 0,055 • Közepes pályasebesség: 1 km/s
• Pálya ekliptikával bezárt szöge (inklináció): i = 5° →holdpálya és Egyenlítő szöge 18,5° és 28,5°között változik
• Tengelyferdeség: 6,7°
A HOLD MOZGÁSA • Keringési periódus: 27,32 nap = SZIDERIKUS HÓNAP állócsillagokhoz képest, direkt irányba • Forgási periódus: 27,32 nap → kötött keringés következmény mindig ugyanazt az oldalát látjuk valójában 59% okok: - pálya nem esik az ekliptikába: alulról v. felülről látunk rá (szélességi libráció) - tengelyforgás egyenletes, keringési sebesség nem átlátunk a túlsó félgömb szegélyére (hosszúsági libráció)
(Kepler II.tv.):
A HOLD MOZGÁSA SZINODIKUS HÓNAP: 29,53 nap hosszabb, mint a sziderikus hónap
újholdtól újholdig egy holdi nap: a Nap két delelése között eltelt idő a Holdon mialatt a Hold megkerüli a Földet, a Föld pályáján is előrehalad
5
A HOLD MOZGÁSA DRAKONIKUS HÓNAP: 27,21 nap, míg a felszálló csomóból újra a felszálló csomóba ér
csomóregresszió: a csomóvonal a Nap gravitációs hatására retrográd irányba forog, P = 18,6 év → földtengely nutációs mozgása
→ fogyatkozási év: 346,62 nap míg a Nap újra a Hold felszálló csomójában látszik (rövidebb mint egy év, a csomópont lemarad)
A HOLD MOZGÁSA kiegészítés: ANOMALISZTIKUS HÓNAP: 27,55 nap perigeumból perigeumba hosszabb mint egy sziderikus hónap ok: pályaellipszis direkt irányú forgása, P ~ 8,9 év TROPIKUS HÓNAP: ~ 27,32 nap tavaszponthoz való visszatérés kicsit rövidebb, mint egy sziderikus hónap ok: tavaszpont lassú vándorlása
A HOLD FÉNYVÁLTOZÁSAI
újhold
első negyed
telihold
utolsó negyed
újhold
• könnyen észlelhető, periodikus jelenség → időszámítás alapja • saját fénye nincs, a bolygókhoz hasonlóan a Napról visszavert fénnyel világít • látszó fényessége a holdfázisok szerint erősen ingadozik (−2.5m -től −12.9m –ig)
• hamuszürke fény: újhold körüli napokban a Föld megvilágított részéről a Holdra visszaverődő napfény okozza
FOGYATKOZÁSOK holdfogyatkozás • teljes holdfogyatkozás: Hold egésze teljes árnyékban • részleges holdfogyatkozás: Hold egy része teljes árnyékban • penumbrális holdfogyatkozás: Hold félárnyékban (alig észrevehető) napfogyatkozás • teljes napfogyatkozás: megfigyelő teljes árnyékban • részleges napfogyatkozás: megfigyelő félárnyékban • gyűrűs napfogyatkozás: megfigyelő árnyékkúpon túl, Hold földtávolban
TELJES NAPFOGYATKOZÁSOK
www.suntrek.org
FOGYATKOZÁSI CIKLUSOK SZÁROSZ • babiloni elnevezés šar = év, ciklus • 1 szárosz : = 223 szinodikus hónap ≈ 6585 és 1/3 nap ≈ 19 fogyatkozási év ≈ 242 drakonikus hónap ≈ 239 anomalisztikus hónap → ugyanaz a fogyatkozás visszatér, de (az 1/3 nap miatt) 120°-kal
nyugatabbra → 3 szárosz alatt majdnem ugyanoda tér vissza (300 km-rel délebbre) → egy szárosz-sorozat (kb. 1200–1500 év) alatt az északi sarktól a déliig vándorol. → sorozatokat számozzák: egyszerre kb. 40 ciklus van folyamatban
ÁRAPÁLY ERŐK • árapály keltő erők: két pont között a gravitációs erő különbsége inerciarendszerbenn tömegközépponti rendszerben
• eredménye: árapály jelenség amplitúdója: 1 m óceánon 20 cm a szárazföldön földrajzi viszonyok miatt nagy helyi eltérések (15 métert is eléri: Nova Scotia, Fundy-öböl)
12
ÁRAPÁLY ERŐ SZÁMÍTÁSA
→ A Nap hatása kb. fele a Holdénak:
ROCHE-HATÁR 1847 Roche
Ft > Fg égitest szétszakad a konstans értéke függ az alaktól és a szakítószilárdságtól is
→ gyűrűk eredete
ÁRAPÁLY ERŐK HATÁSAI • árapály-fékezés: Föld forgásának lassulása 0,0023 s/évszázad Hold távolodása 3,8 cm/év fordított eset (beeső holdak): szinkronpályán belül van (Phobos) v. retrográd keringés (Triton)
• rezonanciák a forgás és a keringés között: 1:1 kötött tengelyforgás pl. Hold v. Plútó-Charon rendszer 2:3 rezonancia Merkúr • árapály-fűtés: (árapály mozgás → belső súrlódás → fűtés) e ≠ 0 v. nem kötött forgás esetén hosszú távon más égitestek perturbáló hatására marad csak fenn (pl. Io rezonanciák)
ÁRAPÁLY ERŐK HATÁSAI • árapály-fékezés: Föld forgásának lassulása 0,0023 s/évszázad Hold távolodása 3,8 cm/év fordított eset (beeső holdak): szinkronpályán belül van (Phobos) v. retrográd keringés (Triton)
• rezonanciák a forgás és a keringés között: 1:1 kötött tengelyforgás pl. Hold v. Plútó-Charon rendszer 2:3 rezonancia Merkúr • árapály-fűtés: (árapály mozgás → belső súrlódás → fűtés) e ≠ 0 v. nem kötött forgás esetén hosszú távon más égitestek perturbáló hatására marad csak fenn (pl. Io rezonanciák)
LÉGKÖR ÉS MÁGNESES TÉR • légköre gyakorlatilag nincsen – terminátor vonaljellege – csillagfedések: a Hold mögé kerülő csillag nem halványul csillag pozíciója változik → enyhe fénytörés észlelhető oka: 1000 elektron/cm3 gázburok (~ földi exoszféra) „tranziens jelenségek” (egy terület felfénylése, elszíneződése elhomályosodása, elsötétülése) gázkiáramlások lehetnek → hőleadást semmi sem akadályozza → felszín alakulás → érdekes jelenségek: – fekete égbolt, – nappal is látható csillagok, – fény árnyék erős ellentéte, – csend (hang nem terjed)
• saját mágneses tere sincsen → napszél akadálytalanul bombázhatja a felszínét
POR ÉS IONOSZFÉRA • Porszemcséket a napszél elektrosztatikusan feltölti – taszítás • Folyamatosan fel-le áramlik • Ionoszférát is kialakítanak – További ionizáció • Napkelte-napnyugtakor látható (Lunar Horizon Glow)
•
Állatövi fény Lunar Horizon Glow Krepuszkuláris sugarak
HŐMERSÉKLET • nagy hőingadozás: -160 °C-tól +130 °C-ig → aprítja a felszín kőzetanyagát (inszoláció) • a felszín feletti gázrészecskék hőmozgás következtében elérhetik a szökési sebességet (2,4 km/s) • így ha volt is légkör a gyorsan elillanhatott (ma is tart)
VÍZ JELENLÉTE • feltételezés: felszín alatti nagy mennyiségű vízjég pólusokon (üstökösök, meteorok becsapódásával) • víz jelenléte kőzetekben: radaros és spektrométeres vizsgálatokból Cassini, Deep Impact, Chandrayaan-1, LCROSS 2009 október meglepetés: vízmolekulák képződnek a napsütötte helyeken is!
A HOLD FELSZÍNE • a felszínt rossz fényvisszaverő anyagok (nagyon sötét kőzetek) borítják átlagos albedó (fényvisszaverési koefficiens): 0,08 (~ Merkúr) • két nagy morfológiai egység: – világos felföldek: terrák (85%) – sötét medencék: mare-területek (túlsó oldalon alig)
(anortozit) (bazalt)
• kisebb struktúrák: – kráterek, gyűrűs hegyek, hasadékvölgyek, dómok
FŐBB ALAKZATOK
Magyar tudósokról elnevezett kráterek: Békésy György Bolyai János Eötvös Loránd Fényi Gyula Hell Miksa Hédervári Péter Izsák Imre Kármán Tódor Neumann János Petzval József Szilárd Leó Weinek László Zach Ferenc Xavér Zsigmondy Richárd
HOLDKŐZETEK
• 9 különböző területről származó kőzetminták elemzése, pálya körüli röntgen és gamma spektroszkópia mérések • globális elemösszetétel ismert: sok Ti, Al, Ca, kevés alkálifém, illóanyagok, többi Si, Fe, Mg ~ földköpeny • két nagy kőzettartomány: – terra: ANORTOZIT holdkéreg lassú lehűlésével – mare: BAZALT medencefeltöltés nagyobb sűrűségű anyag, differenciálódás során mélyebbre került, becsapódáskor jöhettek a felszínre gyorsan hűlt le
keletkezett
HOLDKŐZETEK • REGOLIT (holdpor) – meteor becsapódások, napszél, kozmikus sugárzás, hőingadozás hatására → felszíni kőzetanyag aprózódása – 10-100 méter vastagságú rétegben laza törmelék – 0,1-0,01 mm átmérő – üvegszerű gömböcskék
Apollo 11
• BRECCSA – gyakori megjelenési forma – tömör kristályos kőzet szabálytalan törmelékdarabokból, melyeket holdpor köt össze – becsapódás magas hőm. és nyomás hatására keletkezhetett
FELSZÍNI FORMÁK Eredet szerint: • becsapódásos formák osztályozás: mérete lepusztultsági fok (kor) sajátos alakrajzi jellemző alapján kráterek medencék sugaras fénylő vonalak • endogén eredetű formák: vulkanikus, tektonikus képződmények
KRÁTEREK • méret: néhány száz km → mikroszkópikus • keletkezés: becsapódáskor az anyag megolvad, folyadékcseppként viselkedik
kráterek fenekén: anortozit (holdkéreg) sáncmagasság : átmérő arány 1:7 (kisebb) -1:100 (nagyobb) átlagosan 1:15-1:20
peremén feltorlódott hegységgyűrű teraszos sáncfal központi csúcs v. csúcsok
KRÁTEREK nagyobb energiánál későbbi fázisban dermed meg
gödörkráter < 20 km
központi csúcsos 20 – 250 km
központi gyűrűs 250 - 400 km
többszörös gyűrűs medence > 400 km
MEDENCÉK
• nagyméretű becsapódások eredményei • 4,2-3,8 md évvel ezelőtt bekövetkezett becsapódások ún. késői erős bombázás (elmélet: óriásbolygók migrációja miatt) átszakították a holdkérget, olvadéktömegek felszínre törtek és kitöltötték a medencéket → viszonylag egyenletes felszín • • • •
medencék peremén hegyláncolatok több koncentrikus hegységgyűrű kívül kirobbanó anyagtakaró másodlagos kráterek zónája
túloldalon lávával ki nem töltött medencék: (thalasszoidok) magyarázat: vastagabb kéreg
DÉLI PÓLUS-AITKEN MEDENCE • Legnagyobb becsapódásos medence • Túlsó oldalon – Lunar Orbiter program • ~ 2500 km átmérő • Holdi legmélyebb és legmagasabb pontok (-6, +8 km)
KORMEGHATÁROZÁS • krátersűrűség alapján: → öreg felföldek, fiatalabb medencék
• kőzetek radioaktív kormeghatározása: – felföldek (holdkéreg): 100 mó évvel a Napr. keletkezése után szilárdult meg – medencék aljzata (lávaelöntés) : 3,6-3,1 md éves
SUGARAS FÉNYLŐ VONALAK • a messziről lineárisnak tűnő vonalak apró kráterekből állnak (másodlagos kráterek) • a legutolsó fejlődési szakaszból származhat
ENDOGÉN EREDET: vulkanikus képződmények: • bazaltlávával feltöltött medencék kis viszkozitású láva → nem képződtek hegységek belőle, hanem takarók, folyásnyomok, alacsony kiemelkedések a vulkáni tevékenység 3 md éve megszűnt (azóta igen gyenge vulkanikus tevékenység megfigyelt "tranziens jelenség": valószínű gázkiáramlások) • dóm vagy kúpszerű vulkáni formák, tetején vulkanikus kráterek szerkezeti mozgásokból származó: hasadékvölgy, szakadék, barázda holdrengések (Apollo expedíciók által megfigyelt)
HOLD FELÉPÍTÉSE szeizmikus mérések → belső szerkezet • föld felőli oldalon 60-70 km a másik oldalon 100 km vastag kéreg • mare-területek felszínén 20 km bazalt, alatta 40-50 km anortozitos réteg • terrák egésze anortozitos • vasmagja nincs vagy kicsi
• „masconok” erős gravitációs rendellenességek űrszondák mozgásában jelentkezik (Ganymedesen is)
MAGMAÓCEÁN
• a Holdat kezdetben több 100 km vastag olvadt kőzetréteg borította • lehűlés közben a könnyű földpátok (anortozit 90 %) felúsztak, a többi lesüllyedt • felszíni olvadás lehetséges okai: – intenzív meteorbombázás – erős ősi napszél a kőzetben elektromos áramot indukál, ez fűti
A HOLD EREDETE TÉNYEK: • vasmag nincs vagy kicsi • sok magas olvadáspontú anyag kevés alacsony olvadáspontú anyag • földköpeny összetételéhez hasonló • (17O+18O)/16O izotóparány minden bolygóra más, de a Holdra és a Földre ugyanaz ELMÉLETEK Földdel együtt keletkezett ↔ vasmag hiánya Föld befogta ↔ mért hasonlít az összetétel? Földből szakadt ki ↔ spontán hasadás nem valószínű → mai elfogadott modell Mars méretű ősbolygó (Theia) becsapódása kidobódott forró köpenyanyagból elszöktek az illók, vas már nem volt benne Hold kémia összetételét magyarázza
HOLDTÖRTÉNETI KORSZAKOK • Prenectaris: 4,5–4,1 md éve ősi kéreg képződése, intenzív meteorbombázás • Nectaris: 4,1–3,8 md éve nagy medencék kialakulása (kései erős bombázás) • Imbrium: 3,8–3,2 md éve medencék lávaelöntése • Eratosthenes: 3,2–1,2 md éve régi, lepusztultabb kráterek képződése • Copernicus: 1,2 – fiatal, sugársávos kráterek képződése
HOLDKUTATÁS TÖRTÉNETE térképek, topográfiai vizsgálatok • 17. század: Galilei, C. Scheiner, holdbeli hegyek, kráterek távcsöves megfigyelések alapján készült rajzok • J. Hevelius, G. B. Riccioli (ma is használatok elnevezések) • 18.sz holdtájak finom részletei → szelenográfia (Hold kartográfia kutatása) • 1897 első fotografikus holdatlasz (M.Loewy P.H. Piusex) • 1960-as évek lépték 1 : 1 000 000 • Űrszondák, Apolló program: 1 : 100 000, 1 : 25 000
→ geológiai vizsgálatok tudományos eredmények a Hold eredetéről, fejlődéséről: „Nagy Becsapódás” elmélet vulkanizmus helyett becsapódások dominálnak
A HOLD ŰRSZONDÁS KUTATÁSA • Szovjet-amerikai űrverseny • Kezdeti szovjet sikerek : 1959 – Luna-1: elrepül a Hold mellett – Luna-2: becsapódik a Holdba – Luna-3: lefényképezi a túlsó oldalt
1966 – Luna-9: landol (porréteg) – Luna-10 pályára áll a Hold körül
• USA programok – 1961-65 Ranger: fényképezés – 1966-67 Lunar Orbiter: fényképezés – 1966-68 Surveyor: landolás
Surveyor-3
Surveyor-7
APOLLO PROGRAM Apollo
Saturn-V
Buzz Aldrin
Holdkomp
Holdjáró
35
APOLLO PROGRAM • 12 ember a Holdon, 1969-72. – 381,7 kg holdkőzet gyűjtése – felszínén végzett mérések: • • • •
szeizmikus e.m. vezetőképesség talajvizsgálatok napszél mérés
– műszerek kihelyezése
SZOVJET HOLDPROGRAM • Emberes program sikertelen – Automata Szojuzok (Zond-4-8) – Proton rakéta – csak körülrepülés – Szinte mindnél problémák, emberre veszélyesek
SZOVJET HOLDPROGRAM • N-1 rakéta: 4 sikertelen teszt, teljes titok 1990-ig – Szojuz-holdkomp között űrséta
SZOVJET ŰRSZONDÁK • Mintahozatal – 3 sikeres: Luna-16, -20, -24 – 0,326 kg összesen
• Lunohod-1, -2 roverek – Távirányítással, 47,5 km
Luna-13
Luna-20
Lunohod-1
VISSZA A HOLDRA • 70-es évek közepétől hirtelen megszakadt a kutatás • Visszatérés: 1990, Japán: Hiten űrszonda • '90-es évektől lassan újra beindul a Hold kutatása • Clementine, Lunar Prospector (NASA), SMART-1 (ESA) • Vízjég a Holdon? – Örökké sötét kráterek a pólusokon – Vannak pozitív eredmények (is)
Újabb célok:
•
•
vízjég keresése a pólusok örökké sötét krátereiben
•
térképezés emberes missziókhoz
•
ásványi készletek felmérése
•
feljettebb/kisebb eszközök bevetése, pl. HD-kamerák
Ázsiai “űrverseny”: 2008-ban 3 aktív űrszonda a Holdnál:
• •
Kaguya (Japán), Chang'e-1 (Kína), Chandrayaan-1 (India) •
LCROSS – amerikai visszatérés, Cabeus-kráterbe csapódás
Jelenleg aktív űrszonda: LRO (nagyfelbontású képek)
•
GRAIL: gravitációs tér feltérképezése Előkészületben: • LADEE (légkör, porburok) • Landerek: Chang'e-3 • Chandrayaan-2/Luna-Resurs, Luna-Glob
•
Emberes visszatérés
•
•
Távoli tervek...
MAGYAROK A HOLDON? • Google Lunar X-Prize – Rover építése és elküldése a Holdra – 2014 végéig – Magántőkéből – 29 induló, köztük:
• Puli Space! – pulispace.com
