Další vzdělávání pro pracovníky škol v Plzeňském kraji CZ.1.07/1.3.47/02.0010
Astronomie 2 pro učitele zeměpisu (geografie) a fyziky
Mgr. Marek Česal
31. 5. 2014
Obsah: Astronomie 2 pro učitele zeměpisu (geografie) a fyziky ......................................................................... 3 1 Cíl................................................................................................................................................ 3 2 Úvod ........................................................................................................................................... 3 2.1 Současný význam hvězdné oblohy a možnosti jejího využití při výuce ................................. 3 3 Výkladová část............................................................................................................................ 3 3.1 Slunce a jeho vliv na Zemi...................................................................................................... 3 3.1.1 Slunce................................................................................................................................. 3 3.1.2 Vnitřní stavba..................................................................................................................... 4 3.1.3 Slunce mezi hvězdami........................................................................................................ 4 3.1.4 Život Slunce........................................................................................................................ 5 3.1.5 Stručná historie života na Zemi ......................................................................................... 5 3.1.6 Zdroje energie pro život na Zemi....................................................................................... 5 3.1.7 Vlivy Slunce na okolí .......................................................................................................... 6 3.1.8 Vlivy Slunce........................................................................................................................ 7 3.1.9 Sledování Slunce ................................................................................................................ 7 3.2 Planety Sluneční soustavy, jejich základní charakteristiky .................................................... 7 3.2.1 Charakteristiky planet........................................................................................................ 8 3.2.2 Průzkum planet.................................................................................................................. 8 3.2.3 Historie objevů planet ....................................................................................................... 8 3.2.4 Rozdělení planet ................................................................................................................ 9 3.2.5 Planety podle oběžných drah ............................................................................................ 9 3.2.6 Měsíce planet .................................................................................................................... 9 3.2.7 Merkur ............................................................................................................................... 9 3.2.8 Venuše ............................................................................................................................. 10 3.2.9 Země ................................................................................................................................ 10 3.2.10 Měsíc ........................................................................................................................... 10 3.2.11 Mars............................................................................................................................. 10 3.2.12 Jupiter.......................................................................................................................... 11 3.2.13 Saturn .......................................................................................................................... 11 3.2.14 Uran a Neptun............................................................................................................. 11 3.2.15 Exoplanety................................................................................................................... 12 3.3 Trpasličí planety, planetky a komety ................................................................................... 12 3.3.1 Trpasličí planety............................................................................................................... 12 3.3.2 Planetky ........................................................................................................................... 13 3.3.3Komety .................................................................................................................................. 14 3.3.4 Meteory ........................................................................................................................... 15 4 Praktická část............................................................................................................................ 15 4.1 Simulace granulace Slunce................................................................................................... 15 4.2 Mapování povrchu Venuše .................................................................................................. 16 4.3 Simulace sopky..................................................................................................................... 16 4.4 Simulace tornáda ................................................................................................................. 16 4.5 Rakety .................................................................................................................................. 16 5 Seznam literatury ..................................................................................................................... 16 6 Přílohy....................................................................................................................................... 16 7 Test ........................................................................................................................................... 16
Astronomie 2 pro učitele zeměpisu (geografie) a fyziky 1
Cíl
Cílem semináře je výklad o tzv. blízkém vesmíru, tedy o naší Sluneční soustavě. Hlavními částmi výkladu jsou: popis Slunce a jeho vlivů na Zemi, podrobný popis planet Sluneční soustavy a popis drobných těles Sluneční soustavy – trpasličích planet, planetek, komet a drobných prachových částic. Závěr semináře je pak věnován ukázce jednoduchých pokusů, umožňujících snazší pochopení a přiblížení probírané látky žákům. Seminář je určen učitelům fyziky a zeměpisu základních škol. Informace z něj však může ocenit kdokoli, kdo se o danou tématiku zajímá. Teoretická část semináře je vedena formou přednášek doplněných prezentacemi. Praktická část probíhá formou demonstračních pokusů, doplněných výkladem.
2
Úvod
2.1 Současný význam hvězdné oblohy a možnosti jejího využití při výuce Hvězdná obloha je přírodní divadlo, kulturní pokladnice, fenomén, který od počátku lidské civilizace člověka fascinuje, je pro něj studnicí inspirace i poznání, již má každý na dosah. Po mnohé generace na ni lidé umisťovali své bohy, vkládali do ní své příběhy, reprezentovala nejvyšší řád přírodních zákonů i chaos. Astronomie, jako snad nejstarší přírodní věda má svůj základ právě ve hvězdné obloze, která byla prvním cílem astronomického průzkumu. Dodnes je hvězdná obloha důležitou součástí oboru, která se dobře hodí i k výuce jiných přírodních věd. Může fungovat jako výchozí bod pro výklad o mnoha přírodních zákonech a procesech. Ve hvězdné mytologii lze nalézt mnoho z dějin lidstva v historii objevování tajů hvězd lze nalézt mnoho přelomových objevů vědy, protože právě průzkum vesmíru často posouval nejen hranice poznání, ale měl též vliv na filozofii a lidského chápání světa jako celku. Tento informační význam noční oblohy, jako kombinace kulturního dědictví i vědeckého poznání je v současnosti stejně důležitý, jako v minulosti. Při tom však řada civilizačních vlivů, nejvíce ze všeho světelné znečištění, neustále zhoršuje možnosti pozorování noční oblohy, a proto narůstá procento lidí, kteří žijí v místech, kde je noční obloha již téměř, či úplně bez hvězd. Z toho důvodu je potřeba ochraňovat místa, kde ještě lze nalézt přirozené noční prostředí a dokud lze hvězdy dobře pozorovat. Noční oblohu lze při výuce použít nejen ve třídě, ale hlavně též během škol v přírodě, vícedenních exkurzí, a dalších podobných akcích. Kromě orientace na obloze, která může pomoci při orientaci v neznámé krajině, je možné oblohu využít při demonstraci fyzikálních zákonů optiky, kinematiky a dynamiky, lze poukázat na astronomické metody měření velikosti Země i na měření velikostí ve Vesmíru apod. Kromě fyziky a geografie se najde mnoho dalších předmětů, které se mohou na výklad vázat, z přírodních věd je to hlavně matematika a chemie. Své místo si však ve výkladu může najít i biologie, protože přesto, že dosud známe jen pozemskou biologii, astrobiologie při pátrání po možnostech života mimo Zemi výrazně rozšířila naše poznání o tom, čeho je život schopen a v jak extrémních podmínkách se může nejen usadit, ale i prospívat. Znalost noční oblohy a základní orientace na ní by proto měla patřit ke znalostem pedagogů, neboť kromě jiného slouží jako odrazový můstek k výkladu našeho poznání přírody a jejích zákonů.
3
Výkladová část
Výklad témat je doprovázen obrazovou prezentací. Ačkoli je ze snímků prezentace poměrně jasné, jak sledují text výkladové části, je v textové části vždy popsáno, kterých snímků prezentace se text týká. 3.1
Slunce a jeho vliv na Zemi
3.1.1 Slunce
Snímky 3 - 11 Slunce je naše hvězda. Nejen lidstvo ale většina pozemského života je na Slunci závislá a naučila se účinně využívat jeho darů. I v lidské civilizaci má Slunce nezastupitelnou pozici. Pro mnoho kultur se stalo symbolem nejvyššího božství. 3.1.2 Vnitřní stavba Dlouho lidé nevěděli, jak Slunce vypadá, ani jak funguje. Přesnější představy o jeho vlastnostech jsme získali teprve před jedním stoletím. Již staří Řekové hovořili o Slunci jako o obrovském hořícím voze, jež putuje oblohou. V době, kdy převládala křesťanská dogmata, se nikdo moc o fungování Slunce nezajímal. Svět byl stár prý jen asi 6 000 let a tak mohlo Slunce hořet celkem jakkoli. S rozvojem moderních přírodních věd v 18. a hlavně 19. století se však začaly objevovat otázky, kde Slunce bere svoji energii. Při pozorování přechodů Venuše a Merkuru před slunečním diskem byla dostatečně přesně změřena jeho vzdálenost a tedy i velikost. Objevy v geologii a paleontologii posunuly stáří na miliony a pak i miliardy let nazpět a tak bylo nutné přehodnotit i otázku zdroje energie Slunce. První představy uvažovaly o zahřívání Slunce dopadem kosmického materiálu - planetek a komet. To se však záhy ukázalo jako zcela nedostatečný zdroj, stejně jako chemické hoření (představa že na Slunci hoří uhlí). Nakonec až s rozvojem moderní fyziky a částicové fyziky byl objeven dostatečný zdroj termojaderná fúze. Slunce je tedy obrovská plynná koule, tvořená převážně vodíkem a heliem. Hmota představuje více než 99,7 % hmoty celé Sluneční soustavy. V jádru Slunce panuje obrovský tlak (hustota plynu asi 150× vyšší než hustota vody) a teplota okolo 15 milionů °C. Za takových podmínek se slučuje lehčí vodík na těžší helium při procesu pojmenovaném proton-protonový řetězec. Při těchto fúzních reakcích se uvolňuje mnoho energie jako gama záření a proud neutrin. Neutrina téměř neinteragují s látkou a tak rychlostí světla opouští Slunce. Cesta gama fotonů je složitější. Hustý materiál je pro ně velmi neprostupný a tak jsou na své cestě mnohokrát pohlceny atomy plynu a opět vyzářeny. Tyto rekombinace způsobují, že cesta fotonu od jádra k povrchu trvá řádově 100 000 - 1 000 000 roků a fotony se zároveň rozmělňují do většího počtu méně energetických fotonů. Většinu času částice stráví ve vrstvě zářivé rovnováhy, kde převládá přenos energie právě výše popsaným způsobem. Poslední asi třetina poloměru Slunce je tvořena konvektivní vrstvou. V ní se energie přenáší konvektivním prouděním, podobně, jako ve vroucí vodě. Těleso Slunce nemá pevný povrch, ale za jeho okraj je považována tzv. fotosféra, kde hustota výrazně klesá a prostředí se stává již pro fotony průhledné - opouští Slunce a rychlostí světla se šíří do prostoru. Fotosféra je poměrně tenká vrstva o tloušťce jen asi 500 km. Je považována za první ze 3 vrstev sluneční atmosféry. Nad ní je chromosféra a ještě výše velmi řídká koróna. Obě tyto vrstvy běžně nejsou vidět, protože jsou přezářeny světlem z fotosféry. Ve fotosféře jsou viditelné sluneční skvrny a také jednotlivé vzestupné konvekční proudy - granulace. V chromosféře lze pozorovat projevy složitého slunečního magnetismu, například protuberance. 3.1.3 Slunce mezi hvězdami Mnohdy se říká, že naše Slunce je průměrnou hvězdou. Pokud to znamená, že ve vesmíru najdeme hvězdy menší i větší, pak je to pravda. Není však, ani zdaleka pravda, že by Slunce bylo vyloženě průměrné. Ačkoli ve hvězdných klasifikacích se o něm hovoří jako o trpasličí hvězdě, svým rozměrem, hmotností i svítivostí je to hvězda nadprůměrná. Mnohem více hvězd bychom našli s menšími rozměry, hmotností i svítivostí. Přesto například v rozměru najdeme hvězdy jen o něco menší, ale i mnohonásobně větší. Je to tím, že ve hvězdné populaci se objevuje sice mnoho malých a málo zářících hvězd, ale menšina velmi zářících hvězd je vidět z mnohem větší dálky a tak se na první pohled zdá, že vesmír je plný jasných a velkých hvězd. Nejmenší hvězdy - hnědí a červení trpaslíci jsou jen o málo větší než Jupiter. Jejich průměr je tedy jen asi desetinou průměru Slunce. Největší nadobři jsou naproti tomu nafouknutí do obrovských rozměrů. Například rudý obr Betelgeuse ze souhvězdí Orionu by v naší Sluneční soustavě zabíral místo až k oběžné dráze Jupiteru.
3.1.4 Život Slunce Slunce, stejně jako všechny hvězdy prochází svým vývojovým cyklem. Díky pozorování obrovského množství hvězd a pochopení fyzikálních procesů v jejich nitrech dnes dokážeme celkem dobře odhadnout, jak vypadal dosavadní život Slunce, i kam se bude dále ubírat. Slunce je osamocená hvězda a jako taková má svoji životní dráhu celkem přesně danou. Vše záleží hlavně na počáteční hmotnosti. Slunce se nyní nachází přibližně uprostřed svého aktivního života. Jeho stáří je 4,57 miliardy let a zřejmě ještě tak dlouho bude svítit, než svoji aktivní dráhu ukončí. Slunce vzniklo společně s desítkami či stovkami dalších hvězd v zárodečné mlhovině postupnou kondenzací prachu a plynu. Z původní globule se neustálým smršťováním vytvořila protohvězda a okolo ní rotující disk prachu a plynu, z nějž se následně vytvořily planety a další tělesa Sluneční soustavy. V nitru protohvězdy narostl tlak a teplota natolik, že se spustily první termojaderné reakce lithia. Ze Slunce se stala hvězda, která během následujících několika milionů let přešla na přeměnu vodíku na helium. Dostala se tím na takzvanou hlavní posloupnost hvězd na HertzprungověRusselově diagramu (zobrazuje hvězdy podle jejich povrchové teploty a svítivosti - podle typu reakcí se hvězdy dostávají do různých částí diagramu, nejpočetnější je právě hlavní posloupnost). V přeměně vodíku Slunce stále pokračuje a velmi pozvolna při tom zvyšuje svůj zářivý výkon. Za další asi 4 miliardy let přejde z hlavní posloupnosti do větve obrů. Nafoukne svůj rozměr až k oběžné dráze Země, zvětší svůj zářivý výkon, ale sníží povrchovou teplotu. Nakonec odhodí svoji vnější obálku a termojaderné reakce ustanou. Zbyde jen obnažené jádro z těžších, přeměněných prvků, bílý trpaslík, a rozpínající se oblak plynu z obálky - planetární mlhovina. 3.1.5 Stručná historie života na Zemi Snímky 12 - 13 Před: 4,56 mld. roky vznik Sluneční soustavy a Země 3,48 mld. roky první nepřímé důkazy o životě na Zemi 1,85 mld. roky první jednobuněčné organismy s jádrem (eukaryoty) 1 mld. roky první mnohobuněčné organismy 375 mil. roky první zvířata na souši 225 mil. roky první savci 2,5 mil. roky první humanoidi 200 000 roky první homo sapiens sapiens 3.1.6 Zdroje energie pro život na Zemi Naprostá většina života na Zemi využívá jako zdroj energie Slunce. Celý potravní řetězec, jak jej známe je založen na konzumaci zelených rostlin, které využívají fotosyntézu. Životní formy na Zemi se přizpůsobily tomu, aby dokázaly tuto energii zužitkovat. Obzvlášť v posledních desetiletích objevujeme v přírodě ekosystémy, které využívají jiné zdroje energie. Nemalou zásluhu na tom má také rozvoj nových vědních disciplín, například astrobiologie, která se snaží hledat a zkoumat vhodné podmínky pro život mimo Zemi. Bylo objeveno mnoho druhů tzv. extrémofilů, druhů, které si libují v extrémním prostředí. Je to přinejmenším ukázka rozmanitosti a adaptability života, který si zřejmě vždy najde cestičku, jak využít volné zdroje. Hluboko v oceánech byly objeveny vývěry termálních roztoků u podmořských sopek. Kolem nich byly objeveny rozmanité ekosystémy jednobuněčných i vyšších organismů, specializovaných na získávání živin z těchto roztoků. Dokonce se uvažuje, že právě v takovém prostředí, kilometry pod hladinou oceánu mohl život vzniknout a teprve později se specializoval na sluneční energii. Byly také objeveny chemofilní organismy, živící se z chemických reakcí. Jejich kolonie byly objeveny uvnitř hornin v hlubinných dolech a vrtech i několik kilometrů pod povrchem. Pokud by Zemi zpustošila jakákoli katastrofa, právě tyto organismy by měly největší šanci na přežití a následně by mohly obsadit uvolněné životní prostory na povrchu Země.
Řada extrémofilů by zřejmě byla schopna přežít i dlouhodobý pobyt v kosmickém prostoru - otázka teorie panspermie - přesto neřeší otázku vzniku života. 3.1.7 Vlivy Slunce na okolí Snímky 14 - 18 Kromě vlastní gravitace Slunce působí na své okolí svým zářením. Velká část energie je přenášena elektromagnetickým zářením jako světlo a teplo. Sluneční spektrum je částečně pohlceno při průchodu naší atmosférou, mimo jiné je potlačena ultrafialová složka záření, což je velmi příhodné, protože ta je k živým buňkám nejméně příznivá (částice s vyšší energií zvyšují riziko poškození DNA řetězců buněk a vznik rakovinného bujení). Ze Slunce však také neustále vyletují nabité částice (protony, elektrony a jádra helia). Souhrnně se jim přezdívá sluneční vítr a mohou vytvářet řadu jevů. Před jejich přímým účinkem nás chrání geomagnetické pole Země. Při slunečních bouřích a s nimi spojených erupcích může docházet k tzv. koronálním výtryskům hmoty. V tu dobu se hustota a energie částic podstatně zvýší a mohou výrazně rozkmitat i geomagnetické pole Země. Obzvláště citlivější osoby tyto situace mohou pocítit na svém zdravotním stavu a pohodě. Navíc v polárních oblastech, v místech tzv. kaspů mohou pronikat částice slunečního větru až do horních vrstev atmosféry a interagovat s ní. Dochází k ionizaci molekul vzduchu a při následné deionizaci molekuly září charakteristickým světlem - vznikají polární záře. Kromě nich se tato aktivita Slunce může projevit indikcí bludných proudů značné intenzity v dlouhých vedeních elektrické energie, ropovodech atd. V květnu 1989 silná magnetická bouře vyvolaná Sluncem způsobila přetížení a výpadek značné části rozvodné energetické soustavy v severní Americe. Další rizika se nachází v kosmu. Částice slunečního větru, zachycené mezi tzv. magnetickými zrcadly v geomagnetickém poli Země vytváří Van Alenovy radiační pásy. neopatrný průlet, nebo dlouhodobější pobyt v těchto pásech může být nebezpečný pro lidské posádky kosmických lodí i citlivou elektroniku. Silné erupce navíc mohou znamenat riziko i pro kosmonauty mimo tyto oblasti, protože při nich hrozí až smrtelné dávky vysokoenergetického záření. V posledních dvaceti letech si lidstvo uvědomilo sílu některých projevů Slunce a tak dnes funguje nepřetržitá služba sledování projevů sluneční aktivity a důležité provozy a složky moderní civilizace mají vypracovány postupy jak případnému riziku čelit. Ve společnosti, závisle na počítačích a moderních technologiích si jen těžko lze představit paniku a škody, které by mohla napáchat erupce, podobná jako tzv. bílá erupce, již pozoroval v září 1859 astronom Carrington. O den později zasáhla Zemi geomagnetická bouře takové intenzity, že jasné polární záře byly pozorovány i v tropických oblastech. Telegrafy, na jejichž vedeních se indukovaly velké proudy, posílaly nesmyslné zprávy, několik telegrafistů bylo dokonce popáleno od výbojů a jiskření dokonce zapalovalo telegrafní papírové pásky. Sluneční aktivita a tedy i riziko jejích extrémních projevů se mění s periodou přibližně 11 let. Obzvlášť v roce 2012 se této periodě dostalo zvýšené pozornosti, neboť byla šarlatány a milovníky senzací spojována s jedním z možných způsobů předpovězeného konce světa. Máme-li být přesní, pak 11 let je přibližně půlperioda cyklu sluneční aktivity, neboť celý proces se opakuje teprve po 22 letech, ale protože astronomové dokázali dříve zjišťovat jen míru aktivity a ne převládající magnetické pole Slunce, vžilo se označení 11 letá perioda. Slunce je plynná koule tvořená plazmatem - plyn zahřátý na takovou teplotu, že některé elektrony opustily atomární obaly a jsou volné, které funguje jako vodič. Navíc Slunce má tzv. diferenciální rotaci, což znamená, že na rovníku rotuje rychleji (28 dnů) než na pólech (33 dnů). Magnetické pole pod povrchem Slunce je "vmrznuto" do vodivého plazmatu a unášeno díky diferenciální rotaci. To způsobuje namotávání a zhušťování magnetického pole v tzv. královských pásech (střední heliografické šířky cca 10° - 50°). V těchto oblastech se objevují sluneční skvrn, aktivní protuberance a následně zde dochází i k erupcím (velmi energetické zkraty mezi magnetickými silotrubicemi). Vše způsobuje, že původně polární magnetické pole se přemění na převážně toroidní pole a to následně zpět na polární pole, ale s opačnou polaritou. Slunce se tady každých 11 let přepóluje.
Během maxima sluneční činnosti se mírně zvyšuje i celková vyzářená energie Slunce. Tzv. sluneční konstanta, tedy množství sluneční energie, které projde ve vzdálenosti Země od Slunce plochou 1 metru čtverečního, kolmého na směr záření, není konstantní, ale mírně kolísá s přibližně jedenáctiletou periodou. Tento vliv je pozorovatelný i na Zemi, ačkoli je částečně překryt jinými vlivy. Je však možné vysledovat přibližně jedenáctiletou periodu v přírůstcích letokruhů stromů, nebo v přibývání mořských korálů. Zkoumáním těchto period ve starých stromech (i již mrtvých) bylo možné zpětně zrekonstruovat sluneční aktivitu několik desítek tisíc let nazpět. 3.1.8 Vlivy Slunce Snímky 19 - 22 Může být tedy Slunce nebezpečné? samozřejmě že může. Slunce nám může způsobit úpal, dermatologické problémy i dehydrataci a případně i smrt žízní, horkem a vyčerpáním. Slunce může ohrozit naši moderní civilizaci a může způsobit ohrožení posádek lodí mimo naši atmosféru, nebo vysoko letících letadel. Není však znám žádný případ z historie, že by vlivem sluneční aktivity došlo k masovému vymírání druhů. O to se postaraly spíše srážky s planetkami a intenzivní vulkanická činnost. Slunce je pro nás především životadárným zdrojem energie, jehož výhodou je mimo jiné to, že jej nemůže nikdo vypnout. Slunce ve svém okolí vytváří tzv. heliosféru. V ní panuje kosmické počasí, které je ovlivněno právě aktivitou Slunce. Kosmické počasí se projevuje hlavně proudy nabitých částic a proměnným magnetickým polem. Částice ze Slunce vyletují rychlostmi stovek až tisíců km/s. Taková rychlost je meziplanetárním prostředí nadzvuková, ovšem postupně se se rostoucí rychlostí snižuje, až v rázové vlně přejde na podzvukovou. Ještě dále začíná vliv slunečního větru zaostávat za vlivem hvězdného větru z galaktického prostředí. Nejvzdálenější kosmická sonda Voyager 1 v loňském roce zřejmě opustila heliosféru a nyní může přímo zkoumat vlastnosti mezihvězdného prostředí. Informace o tom, že sonda opustila i Sluneční soustavu, jsou zatím velmi předčasné, protože gravitační dominance Slunce sahá mnohem dále, než dominance slunečního větru. 3.1.9 Sledování Slunce Snímky 23 - 25 V dnešní době existuje mnoho observatoří, specializovaných pouze na sledování Slunce. Jsou jak na povrchu Země, tak i v kosmickém prostoru. Každá z používaných metod má své klady a zápary, výhodou dnešních slunečních fyziků je obrovské množství možností, jakými mohou naše Slunce zkoumat, od dlouhodobých sledování vývoje sluneční aktivity, přes přímé sledování slunečního tělesa v mnoha spektrálních i jiných oborech až po velice detailní sledování konkrétní oblasti Slunce s vysokým časovým i prostorovým rozlišením. K tomu je potřeba přičíst specializované disciplíny, jako například helioseismologie, neutrinová astronomie a samozřejmě i počítačové modelování. Přes to vše zůstává naše mateřská hvězda v mnoha ohledech skoupá a dosud se nepodařilo vytvořit spolehlivou metodu na dlouhodobé předpovídání vývoje sluneční aktivity. Situace je podobná s předpovědí počasí. Jedná se o tak rozsáhlý a komplikovaný systém, že i drobné nepřesnosti při zjišťování parametrů mohou vést k velmi odlišným výsledkům. 3.2 Planety Sluneční soustavy, jejich základní charakteristiky Snímek 28 Po Slunci jsou planety dalšími d důležitými tělesy. Název planety pochází z řečtiny a význam tuláci si vysloužili podle toho, že se pohybují po obloze mezi jinak jakoby neměnnými hvězdami.
Poněkud univerzálnější definice jsme se dočkali teprve nedávno, v roce 2006, protože do té doby byly planety definovány obvykle výčtem. 3.2.1 Charakteristiky planet Snímky 29 - 30 Planety jsou velká a komplexní tělesa. V dnešní době o nich víme obrovské množství informací a další neustále zjišťujeme. Obecná věda o planetách se nazývá planetologie a ta v sobě sdružuje mnoho oborů přírodních věd. Zajímavé a obvykle uváděné jsou charakteristiky dráhové. V Keplerově mechanice popisujeme dráhu planety 7 parametry, obvykle však stačí uvádět středí vzdálenost, oběžnou dobu a případně excentricitu dráhy. Všechny ostatní parametry jsou natolik specializované, že laikovi mnoho neřeknou. Z fyzikálních charakteristik bývá zajímavé uvést velikost planety, vnitřní stavbu, složení… Z povrchových charakteristik vyjmenujme například rozmezí teplot na povrchu, atmosférické podmínky, povrchové útvary… Pokud uvádíme parametry planet, nebo obdobné tabulky, je vždy vhodné zvážit, zda uvedeme údaje v jednotkách SI, nebo v poměrných jednotkách například vzhledem k Zemi. Zkušenost praví, že druhá varianta je obvykle přehlednější a snáze zapamatovatelná, i když v některých případech mají jednotky SI větší význam. 3.2.2 Průzkum planet Snímky 31 - 34 Průzkum planet má mnohaletou historii. Již Galileo v roce 1609, když začal pozorovat oblohu dalekohledem, učinil významný objev u planety Jupiter. Objev jeho 4 měsíců, označovaných tehdy Medičejské hvězdy měl zásadní vliv na tehdy aktuální otázky ohledně uspořádání Sluneční soustavy. Nakonec napomohl správné variantě - heliocentrismu. S rozvojem pozorovací techniky se zlepšovaly i možnosti pozorování planet. V 19. století již byly dostatečně výkonné teleskopy k mapování Marsu. Ne vždy se však mapovaly reálné útvary. Proslavené "kanály" na Marsu byly jen kombinací optické iluze a chyby v překladu z italštiny do angličtiny. Přesto inspirovaly celou generaci astronomů a díky tomu se podařilo mnoho jiných objevů. Do příchodu kosmických sond byla teleskopická pozorování jediným způsobem průzkumu. Teprve kosmické sondy však umožnily podrobný průzkum planet in-situ a také přímý průzkum pomocí povrchových sond a robotů. Ani dnes však velké dalekohledy nehrají v průzkumu planet druhořadou roli. U některých vzdálených planet sondy jen krátce prolétly, jinde prováděly delší průzkum, ale pak ukončily svojí činnost. Snímky z velkých dalekohledů na Zemi i na oběžné dráze provedly mnoho, často i zásadních objevů, protože se mohly průzkumu věnovat déle, nebo za vhodnějších podmínek než sondy. Ideální je průzkum kombinovat a zapojit jak teleskopy, tak i specializované sondy. 3.2.3 Historie objevů planet Snímek 35 Většina dnešních planet je známa již od starověku. Přesto v průběhu času byla alespoň krátkodobě označena za planety mnohá tělesa, většinou zcela nová, která se až později zařadila do jiné kategorie těles. To se stalo prvním měsíců u Jupitru, jež byly z počátku považovány z planety, dále prvním planetkám, jímž se nejdříve říkalo planety, pak malé planety atd. Uran byl objeven v podstatě náhodou Williamem Herschelem. Zpětně se zjistilo, že jej pozorovala již řada astronomů dříve, ale považovali jej za hvězdičku. Uran byl dokonce objeven na kresbách Galilea Galilei. Objev Neptunu je však úspěchem nebeské mechaniky. Poruchy v dráze Uranu prozradily, že by se za ním mělo nacházet další těleso. Jeho poloha se nejdříve podařila předpovědět matematicky. Výpočty provedli nezávisle dva matematici: Francouz Urbain Jean Joseph Le Verier a Angličan John Couch
Adams. 23. září 1846 ho na vypočítaném místě objevil Němec Johann Gottfried Galle se svým asistentem. Planetu Pluto objevil Clyde Tombaugh na Lowellově observatoři 18. února 1930. Byla to jediná planeta, objevená fotografickou metodou. I při jejím objevu však hrála roli matematika, protože i Pluto ovlivňuje dráhu Neptunu a tak se o existenci nějakého tělesa za touto planetou vědělo již nějakou dobu před samotným objevem. 3.2.4 Rozdělení planet Snímek 36 Současných 8 planet dělíme na 2 základní skupiny. Vlastnosti planet v každé skupině jsou přibližně stejné a opačné, než u skupiny druhé. Malé planety, též nazývané terestrické, kamenné či planety zemského typu, jsou: blízko Slunce • s pevným povrchem • s vysokými povrchovými teplotami • malých rozměrů • s málo přirozenými satelity • bez přirozených prstenců • Velké planety, též jovistické, plynné, či planety jupiterova typu jsou: daleko od Slunce • bez pevného povrchu • s nízkými povrchovými teplotami • velkých rozměrů • s mnoha přirozenými satelity • s přirozenými prstenci • Uran s Neptunem jsou občas navíc označováni jako ledoví obři. Je to proto, že většinu jejich tělesa tvoří spíše led a voda, než plyny. 3.2.5 Planety podle oběžných drah Snímek 37 Merkur a Venuše jsou planety vnitřní, znamená to, že je vídáme na obloze vždy blízko Slunce, protože se od něj nemohou vzdálit na příliš velkou úhlovou vzdálenost. U obou těchto planet může docházet k přechodům před slunečním diskem. U Venuše je to však velmi vzácné a v následujících více než 100 letech se tak nestane. Vnější planety se mohou objevovat i na ekliptice i na straně protilehlé od Slunce. Téměř se u nich nemění fáze a při pečlivém pozorování u nich lze vypozorovat zajímavé křivky mezi drahami. Často udělají smyčku, či esíčko, které vznikají změnou rychlosti a směru pohybu po obloze při vzájemném pohybu planet. 3.2.6 Měsíce planet Snímek 38 Tvoří další výraznou skupinu těles, které s planetami přímo souvisí. Ve Sluneční soustavě najdeme asi 180 měsíců, okolo 175 jich připadá planetám. Najdeme zdě měsíce veliké, připomínající malé planety i docela malinkaté a nepravidelné úlomky skal. Některé vznikly společně se svými planetami, jiné byly na své dráhy zachyceny. Některé se pohybují ve směru rotace planety, jiné proti směru - ty jsou téměř s jistotou vždy zachyceny. Některé měsíce obsahují více vody, než všechny pozemské oceány a dokonce jsou pod povrchy některých dokonce snad i podmínky pro jednoduchý život. 3.2.7 Merkur Snímky 39 - 41
Planeta nejbližší Slunci je současně nejmenší ze všech. Vzhledem připomíná náš Měsíc, ale v mnohém se od něj liší. I pře vysoké teploty na denní straně zde byly nedávno objeveny zásoby vodního ledu. Planetu dnes zkoumá sonda MESSENGER, která značně prohloubila naše poznání této planety. Merkur také napomohl při potvrzování obecné teorie relativity. Jeho dráha se v prostoru mírně stáčí právě relativistickými vlivy. Pozorování toto stáčení potvrdilo v předpovězeném rozsahu. 3.2.8 Venuše Snímky 42 - 45 Často označovaná jako setra Země je odstrašujícím příkladem skleníkového efektu. Je obalena velice hustou atmosférou, která má tlak při povrchu až 90 atmosfér. Teplota povrchu se drží konstantě okolo 450 °C. Oblačnost je zcela neprůhledná a tak první mapy vznikly až po průzkumu sond s radary, jejichž paprsky dokázaly proniknout až k povrchu. Venuše je pokryta řadou útvarů vulkanického původu. Má velmi pomalou rotaci opačným směrem, než ostatní planety. Jde možná o důsledek katastrofické srážky s jiným tělesem v dávné minulosti. 3.2.9 Země Snímky 46 - 47 Nám planeta jistě nejznámější. Je největší z malých planet a jako kosmické těleso se celkem výrazně odlišuje od všech ostatních. Zatím je díky své velikosti ještě stále aktivní (má dostatek vnitřního tepla) a tak se na ní odehrává desková tektonika i vulkanická činnost. Země má také tekutou hydrosféru, která se na jiných planetách nevyskytuje a velmi rozmanitá prostředí na svém povrchu. Je nositelkou života. 3.2.10 Měsíc Snímky 48 - 52 Země má svůj přirozený satelit, který je pro ni v mnoha ohledech životně důležitý. Ač to není zcela největší měsíc ve Sluneční soustavě, patří mezi největší a v poměru k planetě, okolo které obíhá, jde o zdaleka největší těleso. Oběh Měsíce způsobuje slapy – příliv a odliv, které zřejmě napomohly při přechodu života z vodního na suchozemské prostředí. Navíc díky svému oběhu stabilizuje zemskou rotační osu tím pádem i životní podmínky na Zemi – roční období se v průběhu věků příliš neliší). Měsíc vznikl zřejmě při srážce mladé Země s tělesem přibližně o velikosti Marsu. Po tečné srážce se uvolnilo množství materiálu, hlavně z pláště Země, ze kterého se pak na oběžné dráze za celkem krátký čas zformoval Měsíc. Měsíc nemá atmosféru a tak je na něm krásně zakonzervována historie Sluneční soustavy v podobě kráterů od těles, která do jeho povrchu narazila. Má vázanou rotaci, takže ze Země můžeme vidět jen jednu jeho polovinu (přesněji asi 59 % povrchu). Odvrácená a přivrácená strana se výrazně liší, protože na odvrácené straně nenajdeme skoro žádné mladé planiny vytvořené utuhnutým čedičem vylitým do velkých kráterových pánví (měsíční moře). Měsíc je také jediné těleso, které navštívili lidé. 3.2.11 Mars Snímky 53 - 57 Poslední z malých planet je Mars, drobná planeta, která je již po desetiletí v hledáčku astronomů i biologů, protože by teoreticky mohl nést na svém povrchu primitivní život. Pokud by se tyto domněnky ani v budoucnu nepotvrdily, i tak zůstane Mars velmi zajímavou planetou. Jeho těleso, dnes již téměř neaktivní bylo v minulosti podobně aktivní jako Země, nalezneme zde obrovské sopky, vůbec největší ve Sluneční soustavě. Také obrovská údolí, která zřejmě vyhloubila voda. Ta navíc pokrývala asi až polovinu rozlohy mladého Marsu. Dnes zde již v tekutém stavu není, ale i tak má Mars stále zbytky počasí. V jeho řídké atmosféře se objevují větrné víry i rozsáhlé prachové bouře. V polárních oblastech lze sledovat výrazné střídání ročních dob.
Mars má dva malé měsíčky, Fobos a Deimos, které zřejmě zachytil z nedalekého pásu planetek. Menší Deimos se během několika desítek milionů let zřítí na Mars a způsobí obrovskou katastrofu. Z kráterů na povrchu je patrné, že Něco podobného se Marsu stalo již několikrát. 3.2.12 Jupiter Snímky 58 - 62 Král planet, největší a nejmajestátnější ze všech, je prvním představitelem plynných obrů. Od malých planet s pevným povrchem se liší svou obrovskou atmosférou. Ta zabírá většinu objemu i hmotnosti planety. Jupiter se otáčí velmi rychle a na jeho povrchu jsou patrné výrazné pásy pasátové oblačnosti. Na jejich rozhraních vznikají obrovské bouře. Největší z nich, Velká rudá skvrna je veliká asi jako dvě Země. Již od prvních detailních pozorování Jupiteru se Velká rudá skvrna stále drží, zatímco ostatní menší bouře se po celkem krátké době rozpadají. Je to tedy velká záhada, která zatím čeká na své definitivní rozluštění. Jupiter má mnoho měsíců, největší z nich, které viděl již Galileo, jsou tak veliké, že si nezadají ani s planetou Merkur. Pokud by neobíhaly okolo Jupiteru, ale volen ve Sluneční soustavě, byly by to zřejmě regulérní malé planety. Tři z těchto měsíců, Ganymed, Kallisto a Europa, jsou ledové a pod jejich silnými ledovými krustami byly nepřímými metodami objeveny rozsáhlé tekuté oceány. Existují optimistické předpovědi, že by v nich mohly být podmínky vhodné pro jednoduchý život. Čtvrtý měsíc Io je vulkanický a jedná se o zdaleka nejaktivnější těleso ve Sluneční soustavě. Může za to blízkost Jupiteru a excentrická oběžná dráha Io, které způsobují, že je tento měsíc vystaven neustálému gravitačnímu hnětení svého nitra silnými slapovými silami. 3.2.13 Saturn Snímky 63 - 68 Je zřejmě díky svým výrazným prstencům jednou z nejkrásnějších planet Sluneční soustavy. Prstence mají sice všechny velké planety, ale jen Saturn je má opravdu výrazné. Nejedná se o pevný disk, jak by se mohl zdát, ale o seskupení obrovského množství úlomků ledu, kamene a prachu, které všechny obíhají přesně nad rovníkem planety. Prstence mají průměr téměř půl milionu kilometrů, ale jejich tloušťka je jen několik desítek metrů. Mezi prstenci obíhají mnohé Saturnovy měsíce, které v prstencích vytváří mezery. Největší z měsíců Saturnu, Titan, však obíhá mnohem dál, než kam sahají dobře viditelné prstence. Je to druhý největší měsíc ve Sluneční soustavě hned po Jupiterovu Ganymedu. V mnoha ohledech je to zcela unikátní svět. Jeho povrch je zmrzlý, má teplotu jen okolo -200°C, přesto jsou na něm jezera a řeky. Není v nich ovšem voda, ale tekutý metan a etan. Vodní jed má vlastnosti pevného kamene, ovšem pod silnou ledovou krustou se nachází též vodní oceán. Na tomto měsíci jsou tedy dvě zajímavá a od sebe oddělená prostředí, která by možná (jen velmi teoreticky) mohla nést život. Jeden z menších ledových měsíčků, Enceladus, je v tomto ohledu ještě mnohem zajímavější. I u něj byl prokázán oceán pod povrchem, ale navíc se podařilo objevit i gejzíry (tzv. kryovulkány), které jsou možná propojeny s tímto oceánem a které tryskají zmrzlou vodu tak intenzivně, že část jí odlétá do kosmického prostoru. 3.2.14 Uran a Neptun Snímky 69 - 72 Poslední dvě planety jsou někdy označovány za ledové planety, či ledové obry. Je to poroto, že většinu jejich těles nezaujímá plyn, ale směsice ledů různých látek. Na první pohled se však od plynných planet příliš neliší, protože i jejich atmosféry jsou velice rozsáhlé. Uran s Neptunem si zřejmě v dávné minulosti prohodili svá místa. Možná i to byl důvod toho, že Uran má dnes velmi skloněnou rotační osu (o více než 90 ° oproti rovině oběhu). Dalším důkazem jsou měsíce těchto planet, které mnohdy obíhají retrográdně, tedy v opačném smyslu, než rotace planety. To se nemůže stát přirozeným vývojem, ale pouze tím, že takový měsíc, byl do gravitačního vlivu planety zachycen později.
Uran má vlivem svého sklonu rotační osy velmi zvláštní dráhu Slunce po své obloze a společně s tím i extrémní projevy sezónních změn. Neptun má na povrchu podobné bouře, jako Jupiter, ale s podstatně kratší životností. Velká tmavá skvrna, objevená sondami se během pár desetiletí zcela rozpadla. V jejím okolí však byly naměřeny velmi rychlé větry – až 2 000 km/h - nejrychlejší ve Sluneční soustavě. 3.2.15 Exoplanety Snímky 73 - 75 Dnes již známe mnoho planet u cizích hvězd, tzv. exoplanet. Od prvních nadějných objevů na začátku 90. let minulého století se jejich počet rozrostl na víc než 1000. Největším překvapením pro všechny vědce bylo, že objevené exoplanety, ani jejich soustavy se nepodobají naší Sluneční soustavě. Na vině jsou jistě také výběrové efekty, protože dominantní metody objevů jsou citlivé na jiný druh exoplanet, nepodobný ničemu ze Sluneční soustavy. Přesto tento fakt donutil odborníky ke značnému přehodnocení představ o formování planetárních systémů. Nejběžnější metody objevování exoplanet jsou nepřímé, buď pomocí tranzitů, tedy přechodů exoplanet před disky svých mateřských hvězd. Z profilu a opakování světelné křivky lze zjistit řadu informací o vlastnostech exoplanety. Další metoda využívá měření radiálních rychlostí. Díky citlivým spektroskopům s vysokou disperzí můžeme měřit velmi přesně i malé změny v radiální rychlosti hvězd (rychlost pohybu ve směru zorné přímky). Případná planeta obíhající okolo hvězdy by mírně vychylovala hvězdu okolo jejího těžiště, což by se projevilo v periodickém kolísání radiální rychlosti. Pozorovacích metod je více, důležité však je, že se již podařilo několik exoplanet i přímo vyfotografovat. Budoucí generace velkých dalekohledů by nám měla otevřít ještě mnohem lepší možnosti pozorování exoplanet. 3.3 Trpasličí planety, planetky a komety snímek 78 Meziplanetární hmota je souhrnné označení pro drobná tělesa obíhající ve Sluneční soustavě. Od konkrétních rozdělení na planetky a komety se v posední době částečně upouští, neboť se ukazuje, že hranice mezi těmito tělesy může být velmi nejistá. Některá tělesa v meziplanetární hmotě mají však svá výsadní postavení, například trpasličí planety, které tvoří částečně jakýsi mezičlánek mezi nejdrobnějšími tělesy a planetami. 3.3.1 Trpasličí planety Snímek 79 - 86 Trpasličí planety jsou definovány obdobně jako planety. Jedna část definice však chybí. Stejně jako planety musí obíhat okolo Slunce a stejně jako planety musí mít hmotnost dostatečnou k tomu, aby se zformovaly vnitřními silami do tvaru hydrostatické rovnováhy (přibližně koule). Neplatí však, že by trpasličí planety byly dominantní na své oběžné dráze (že by ji svým gravitačním vlivem vyčistily od ostatních těles). Ve skupině trpasličích planet byla vytvořena ještě jedna podskupina, jejíž členové se nazývají plutoidy. Jsou to všechny trpasličí planety, které obíhají za drahou Neptunu. Největší ze známých trans-neptunických objektů jsou proto trpasličí planety a současně navíc plutoidy. Jediným "neplutoidem" je trpasličí planeta Ceres, která obíhá v hlavním pásu planetek mezi Marsem a Jupiterem. Hmotnosti Trpasličích planet jasně ukazují, že dvě největší tělesa představují podstatnou část hmotnosti všech trpasličích planet. Přesto hmotnost všech trpasličích těles je jen asi poloviční co hmotnost našeho Měsíce. Pluto
Pluto je zřejmě nejznámější trpasličí planetou. Možná proto, že právě kvůli němu byla tato kategorie vytvořena a Pluto se do ní přesunulo z výrazně prestižnější kategorie planet. Pluto je navíc prototypem početné podskupiny trpasličích planet, kterým se říká plutoidy. V příštím roce má okolo Pluta prolétnout sonda New Horizons, která by měla během krátkého průletu zjistit mnoho informací o tomto dosud jen málo prozkoumaném světě. Předběžný průzkum velkými dalekohledy odhalil drobné měsíce, které Pluto obíhají. Kromě velkého Charona tak nyní u bývalé planety podsvětí najdeme ještě měsíčky Nix, Hydra, Styx a Kerberos. Ceres Další slavné těleso s dlouhou historií je Ceres. Původně první objevená planetka, která byla první roky považována za planetu, pak se z ní stala největší z planetek a nyní je nejmenší z trpasličích planet. K Cereře by měla v roce 2015 doletět sonda DAWN, která má již za sebou podrobný průzkum planetky Vesta. O Cereře se předpokládá, že by se mohla v některých aspektech dosti podobat ledovým měsícům, jaké známe od velkých planet. MakeMake Těleso objevné relativně nedávno velkými dalekohledy na Havajských ostrovech. Je po Eris a Plutu třetí největší trpasličí planetou. Má vysokou odrazivost (albedo) a díky tomu je poměrně jasná. Pohybuje se ve větší vzdálenosti než Pluto. Jméno nese po bohu vláhy a plodnosti kmene Rapanui z Velikonočního ostrova. Velikonoční ostrov byl vybrán, protože k objevu tělesa došlo krátce po Velikonocích v roce 2005. Eris Velmi vzdálená trpasličí planeta, která byla objevena 96 AU od Slunce (tj. téměř v odsluní, které činí 97,6 AU) při pozorování v letech 2003 a 2005 aspirovala na označení 10. planeta. V té době bylo Pluto ještě planetou a odhady velikosti Eris ukazovaly na to, že je větší než Pluto. K oficiálnímu zařazení ale nikdy nedošlo. Eris má velmi dlouho oběžnou dobu přibližně 557 roků. Byl u něj objeven jeden měsíc, pojmenovaný Dysnomia. 3.3.2 Planetky Snímek 87 - 96 Dříve také označované asteroidy (podobné hvězdám, podle toho, že byly tak malé, že i v největších dalekohledech své doby vypadali jen jako nepatrné body) jsou tělesa většinou jen drobná rozměrem, ovšem o to početnější. Dnes je známo okolo půl milionu planetek a několikrát tolik jich zřejmě ještě bude objeveno. Jen v první desítce, jsou planetky dost veliké, aby měl přibližně kulový tvar. Všechny ostatní jsou nepravidelné a mnohdy velmi drobných rozměrů. Největší nají stovky kilometrů v průměru, nejdrobnější jen jednotky metrů. První planetky byly objeveny začátkem 19. stol. V rámci hledání „chybějící planety“, která se měla nacházet ve výrazné mezeře mezi Marsem a Jupiterem, se poprvé ustanovil rozsáhlý mezinárodní vědecký program. Jeho hlavní úkol – pročesání oblohy v okolí ekliptiky se ještě ani nestačil rozběhnout, když Giuseppe Piazzi, Italský kněz a astronom objevil v noci na Nový rok 1801 těleso, o kterém si myslel, že by mohlo být něčím lepším, než pouhou kometou. Postupně se podařilo více těles na podobných drahách v této oblasti. První dojmy byly, že jde o zbytky větší planety rozbité kosmickou srážkou. Dnes však víme, že zde naopak zůstal rozptýlený materiál z dob vzniku Sluneční soustavy, protože blízký hmotný Jupiter nedovolil, aby zde nějaké větší těleso vzniklo. Do roku 1850 již počet těles narostl tak, že bylo nutné vytvořit novou kategorii – planetky. Jednak se od klasických planet svými vlastnostmi odlišovaly a jednak jich bylo tolik, že si astronomové těžko všechny pamatovali jménem.
Výzkum planetek probíhal a probíhá zatím hlavně na dálku. Velká pozornost se věnuje hlavně blízkozemním planetkám, jez mohou potenciálně ohrozit naši planetu srážkou. Na planetky drobných rozměrů výrazně působí tzv. negravitační vlivy, které mohou znatelně měnit jejich oběžné dráhy (například Jarkovského efekt…). Díky občasnému přiblížení lze tyto planetky mapovat pomocí výkonných radarů. Občas planetky zkoumali planetární sondy při průletech pásem planetek. Bylo vysláno i několik sond určených výzkumu planetek: japonská Hyabusa (Itokawa) americká DAWN (Vesta a trpasličí planeta Ceres) Planetky jsou zajímavé i proto, že část planetek nikdy nebyla součástí většího tělesa, jedná se proto o zárodečný materiál Sluneční soustavy v takřka nepřeměněném stavu. Dělení planetek Planetky jsou rozděleny do skupin hlavně podle oblastí Sluneční soustavy, kde se vyskytují. Nejvíce planetek bylo objeveno v Hlavním pásu planetek mezi Marsem a Jupiterem. O něm se dříve uvažovalo jako o místě, kde se rozpadla planeta, nakonec se ukázalo, že zde nikdy žádná nebyla, ale kvůli vlivu se zde drobný materiál nemohl spojit ve větší těleso a tak setrval až do dnešní doby. Další planetky se pohybují na poněkud nebezpečnějších drahách. Křižiči dostali své jméno podle toho, že kříží dráhy planet. V případě Země jsou tyto planetky velmi bedlivě sledovány a jejich dráhy upřesňovány a počítány na dlouho dopředu, aby bylo možné zjistit včas případné těleso na kolizním kurzu. Pro označení takto nebezpečných těles a míry jejich riziky byla sestavena tzv. Turínská stupnice, která zohledňuje nejen pravděpodobnost srážky, ale také možný rozsah škod. V dnešní době není známo žádné těleso, které by bylo na Turínské stupnici mimo zelenou oblast. Neznáme tedy žádnou planetku, která by nás v následujících asi 100 letech měla zasáhnout. Některé však prolétnou velmi blízko. Planetka Apofis řadu let vyvolávala obavy, protože se nedalo s jistotou určit, jak její dráhou jeden takový blízký průlet pozmění. Dnes po zpřesnění její dráhy víme, že nás ani po blízkém průletu neohrozí. Další skupinou jsou Trojáni. Jsou to planetky, které zakotvily na stabilních pozicích libračních bodů L4 a L5 planet Jupiteru a Neptunu. Pohybují se tedy po podobných oběžných drahách, jako tyto planety, ale vždy 60° před, nebo za planetou. V těch místech se vyrovnává gravitační působení od konkrétní planety a od Slunce a je zde poměrně stabilní oblast, do které když se planetka dostane, může zde setrvat velmi dlouho. Libračních, či Lagrangeových, bodů je vždy pro planetu a Slunce pět, Některé librační body Země jsou hojně využívány kosmickými observatořemi a dalšími přístroji, protože v nich mají ideální podmínky pro svá specifická měření. Za drahou Neptunu se nachází další rozsáhlá oblast, v níž se objevuje pás planetek. Je pojmenován po astronomovi Geraldu Kuiperovi, který jej předpověděl. 3.3.3Komety Snímek 97 - 104 Tělesa po dlouhou dobu obestřená tajemstvím a označovaná za nositelky špatných zpráv jsou ve skutečnosti úžasnou částí Sluneční soustavy. Ještě v dobách Galilea se nevědělo, zda jsou to kosmická tělesa, či součást naší atmosféry. Teprve Galileo změřil paralaxu komety a zjistil, že se nachází mnohem dále než Měsíce a jde tedy o kosmické těleso. Popis Komety tak jak je obvykle známe z fotografií, či z vlastního pohledu dalekohledem jsou většinou v maximu své krásy, neboť jsou blízko přísluní a můžeme pozorovat všechny jejich projevy. Samotná kometa je zmrzlé těleso o velikosti jednotek či desítky kilometrů v průměru. Tak malá, že ani při průletu blízko Země by nebyly vidět jinak než ve velkém dalekohledu. Při přiblížení ke Slunci se
však začne toto jádro komety zahřívat a začnou se z něj uvolňovat plyny těkavých látek a prach. Vytvoří se hlava komety, která v dalekohledu vypadá jako difuzní obláček okolo jádra komety. S narůstající aktivitou se pak objeví i chvost komety. Někdy bývá jeden, někdy dva rozdílné chvosty. Jeden prachový (bílý, zahnutý) a plazmový (ionizovaný plyn, na fotografiích modrý, či zelený, obvykle rovný). Při maximální aktivitě v blízkosti Slunce je celá hlava komety obklopena řídkou vodíkovou komou. Velikost hlavy komety může být ve stovkách tisíc kilometrů a ohon se může táhnout i na miliony kilometrů daleko. 3.3.4 Meteory Snímek 105 - 107 Zatím co plyn uvolněný z komet se rychle rozptýlí, prach zůstává ve značné koncentraci na dráze komety a postupem času vytváří oblak toroidního tvaru, který kopíruje celou dráhu komety. Pokud se prachové zrnko střetne se Zemí, vlétne vysokou rychlostí do atmosféry a již asi ve 120 km nad povrchem se třením zahřeje natolik, že začne zářit. Materiál zrnka se odpařuje a vytváří za ním plazmovou stopu. Většina zrnek zanikne ještě nad 80 km nad povrchem. Krátkým zářícím stopám, které lze při tom pozorovat říkáme meteory. V případě, že Země prolétá oblastí, kterou dříve proletěla kometa, zvyšuje se rapidně množství srážek a pak hovoříme o meteorickém roji. Protože se tělíska pohybují v prostoru přibližně jedním směrem, vypadá to na obloze, jako by se osy všech jejich drah protínali přibližně v jednom bodě – radiantu. Podle toho, ve kterém souhvězdí se daný radiant nachází, dostává celý roj svůj název. Během roku je možné pozorovat několik výrazných rojů, například Geminidy, Perseidy či Leonidy, a dále je známo několik desítek slabších a nevýrazných rojů. Z hlediska terminologie se rozlišuje mezi tělískem, které letí kosmickým prostorem – meteoroid, jevem, který způsobí průlet takového tělíska atmosférou – meteor, a názvem tělesa, které dopadlo až na povrch Země – meteorit. Výjimečně se může stát, že Země prolétá čerstvým a hustým vláknem částic. Pak se může stát, že je na obloze vidět meteorická sprška, nebo meteorický déšť. Při něm jsou vidět tisíce meteorů za hodinu a jedná se o jedno z nejúchvatnějších divadel, které dokáže noční obloha nabídnout. Odehrává se však jen sporadicky a nelze jej zcela spolehlivě předpovědět. O takové divadlo se již několikrát postaral například meteorický roj Leonid. Zodiakální světlo Meziplanetární prach dokáže rozptylovat sluneční záření a díky tomu jej můžeme vidět na obloze jako slabý stříbřitý pás, kopírující ekliptiku a který je nejvýraznější blízko Slunce. Lze jej za dobrých podmínek pozorovat i z ČR, ovšem je nutné pozorovat ve správnou dobu, okolo rovnodenností, kdy je skon ekliptiky k obzoru během soumraku největší. Nutné je také pozorovat z místa s opravdu velmi tmavou oblohou, daleko od měst a vesnic. Z místa, které má dobrý výhled na obzor.
4
Praktická část
Snímky 108 - 113 4.1 Simulace granulace Slunce Pokud pozorujeme za dobrých podmínek dalekohledem Slunce, můžeme spatřit jemnou síť tmavších a světlejších skvrnek po celém jeho povrchu – granulaci. Granulace je projevem proudění slunečního plazmatu v konvektivní vrstvě. Jasnější skvrnky představují vrcholky vzestupných proudů, které do fotosféry přinášejí teplejší materiál z podpovrchových vrstev. Poté co se materiál díky intenzivnímu
vyzařování ochladí, projeví se nám ve fotosféře jako tmavší skvrnka a klesá zpět pod povrch. Pozor nezaměňovat se slunečními skvrnami. Rozměry těchto útvarů jsou řádově 1000 – 2000 km. Sluneční granulaci si můžeme vyrobit pomocí jedlého oleje a stříbřenky. V kádince nebo konvici rozmícháme olej se stříbřenkou a uvedeme do varu. Na hladině pak pozorujeme vzestupné proudy, které nám simulují sluneční granulaci. Vznikající buňky se jmenují podle H. Bénarda, který je v roce 1900 poprvé pozoroval, podle něj byly později také pojmenovány Bénardovými buňkami. 4.2 Mapování povrchu Venuše Povrch Venuše se díky velmi husté atmosféře planety, neprostupné pro optické pozorování, nemůže stát cílem pozemských dalekohledů. Mapování jejího povrchu proto převzaly sondy, podmínky panující na povrchu planety nejsou vhodné ani pro sondy je zde příliš vysoký tlak a teplota. Přesto se to některým podařilo (Veněra 7) a na několik minut snímkovaly povrch planety. Jako lepší varianta se ukázalo radarové snímkování povrchu a jeho následná počítačová modelace. S moduritu si vytvoříme model povrchu Venuše, který budeme snímkovat. Radarový svazek paprsků nasimulujeme svazkem 300 špejlí. Pokud špejle nasadíme na vytvořený model, objeví se na druhém konci svazku tvar snímaného povrchu. 4.3 Simulace sopky Nejenom na Zemi, ale i na jiných tělesech sluneční soustavy nalezneme sopečnou činnost, např. na Jupiterovo měsíci Io. Simulace lávy vytékající z jícnu se dá vytvořit pomocí malé lahvičky a modelu sopky z plastelíny (může se použít i sádra nebo dokonce obyčejná zem). Do lahvičky se nasype jedlá soda. Pak se ve víčku od PET láhve rozmíchá ocet s červeným potravinářským barvivem a nalije se do lahvičky. Při reakci směsi s jedlou sodou se vytvoří červená pěna, která začne vytékat a připomíná tekoucí lávu z jícnu sopky. 4.4 Simulace tornáda Vzdušný vír neboli tornádo se dá nasimulovat několika způsoby. Mezi jednodušší varianty patří analogické zobrazení pomocí vodního víru v PET lahvi. Dvě PET láhve spojíme víčky, ve kterých vyvrtáme 0,5 cm otvor. Do jedné nalijeme vodu a otočením PET lahve začne voda protékat do spodní části a v horní se vytvoří vír (tornádo). 4.5 Rakety Modely raket slouží k jednoduché prezentaci základních fyzikálních principů a pro studenty jsou vítaným zpestřením výuky. Existuje spousta variant od vodních po lihové, pro školní potřeby a práci ve skupinách se nejlépe hodí vodní rakety. K výrobě potřebujeme 2 PET lahve, lepenky, korkový špunt, karton, ventilek a hustilku.
5
Seznam literatury
1. Kleczek J. a kol., Velká encyklopedie vesmíru. Academia, Praha, 2002. 2. Rükl A., Obrazy z hlubin vesmíru. ARTIA, Praha, 1988.
6
Přílohy
Přílohou je samostatná prezentace ve formátu PPT (PowerPoint). Naleznete v ní doprovodný obrazový materiál a shrnutí bodech. Obrazový materiál získaný z internetu je přímo prolinkován na legální zdroje, z nichž pochází.
7
Test
V následujícím testu si můžete ověřit znalosti získané během semináře. 1. Slunce může naši civilizaci ohrožovat hlavně: a. tokem neutrin ze slunečního nitra. b. svou obrovskou gravitační silou. c. slunečními erupcemi.
d. rizikem náhlé ztráty zářivého výkonu. 2. Trpasličí planety se od planet odlišují: a. velikou excentricitou oběžné dráhy. b. nedosažením stavu hydrostatické rovnováhy. c. absencí přirozených družic. d. neschopností vyčistit svoji oběžnou dráhu od ostatních kosmických těles. 3. Mezi části komety NEPATŘÍ: a. jádro. b. plášť. c. ohon. d. koróna. 4. Zánik drobného tělíska v atmosféře označujeme jako: a. meteor. b. meteorit. c. meteoroid. d. meteorolog. 5. Benárdovy buňky lze najít: a. v jádře Slunce. b. ve vrstvě zářivé rovnováhy Slunce. c. v konvektivní vrstvě Slunce. d. jen v atmosféře Slunce. 6. Sluneční soustava vznikla před: a. 4,56 miliony lety. b. 13,7 miliony lety. c. 4,56 miliardami let. d. 13,7 miliardami let. 7. Terestrické a jovistické planety se NELIŠÍ: a. velikostí. b. směrem oběhu okol Slunce. c. vnitřním uspořádáním. d. počtem přirozených satelitů. 8. Zemský Měsíc vznikl: a. akrecí z vyvrženého materiálu po srážce Země s protoplanetou. b. kondenzací z prachoplynné mlhoviny současně se Zemí. c. jinde ve Sluneční soustavě a následně byl zachycen Zemí. d. odtržením části materiálu Země vlivem značné rychlosti rotace. 9. blízký vesmír zahrnuje: a. všechna tělesa do vzdálenosti 50 au od Země. b. všechna tělesa bližší, než hvězdy. c. všechna tělesa Sluneční soustavy. d. všechna tělesa viditelná na obloze pouhým okem. 10. Které z těles NEMÁ rozsáhlou atmosféru? a. Ganymed b. Mars c. Titan d. Venuše (správné odpovědi: 1c, 2d, 3b, 4a, 5c, 6c, 7b, 8a, 9c, 10a)
