Ziemia jako planeta układu słonecznego

Ludzie od bardzo dawna interesowali się Ziemią, oraz otaczającym ją Wszechświatem. Wszechświat to niezmierzona przestrzeń, którą przenika energia w różnych postaciach. W starożytności dominował pogląd, że Ziemia jest nieruchoma a wszystkie otaczające ją planety krążą wokół niej. Była to geocentryczna teoria wszechświata, która została obalona przez Mikołaja Kopernika w 1543 roku. Kopernik jest twórcą układu heliocentrycznego, według którego Słońce znajduje się w centrum układu planetarnego, a Ziemia jest jedną z planet obiegających Słońce.

Układ Słoneczny

Układ Słoneczny jest zbiorem ciał astronomicznych znajdujących się pod dominującym wpływem pola grawitacyjnego Słońca. Galaktyka, w której znajduje się Układ Słoneczny nazwana jest Drogą Mleczną. Jest ona skupiskiem ponad 400 miliardów gwiazd, oraz ogromnej ilości materii międzygwiazdowej. Ma ona średnicę długości 100000 lat świetlnych. Droga Mleczna jest galaktyką spiralną, mająca o kształt spłaszczonego dysku. Skupia on. większość masy galaktyki. Galaktyka obiega jej centralne zagęszczenie zwane jądrem galaktyki. Gwiazdy obiegają jądro galaktyki. z różnymi prędkościami. Prawdopodobnie w jądrze Drogi Mlecznej znajduje się ogromna masa, która ściśnięta do niewielkiej objętości mogła utworzyć tzw. czarną dziurę. Jest to twór, który ma tak dużą masę skupioną w niewielkiej objętości i tak silne przyciąganie, że nic nie jest w stanie jej opuścić, nawet światło. Obecnie znane jest zjawisko rozszerzania się Wszechświata, czyli oddalania się od siebie galaktyk. Im dalej znajdują się dane galaktyki, tym rozszerzają się one z większą prędkością. Najodleglejsze galaktyki znajdują się w odległości 10- 12 miliardów lat świetlnych, tak więc musiały oddalać się z prędkością światła. Zakłada się, że kiedyś wszystkie galaktyki skupione były w jednym punkcie, lecz ok. 15 miliardów lat temu nastąpił Wielki Wybuch. Od tej chwili Wszechświat rozszerza się z jednakową prędkością we wszystkich kierunkach.

Wedle obecnego stanu wiedzy układ planetarny w którym znajduje się Ziemia powstał ok. 4,6 miliarda lat temu. Układ Słoneczny składa się ze: Słońca, ośmiu planet, naturalnych satelitów (księżyców) planet, planetoid, komet, ciał meteorowych oraz pyłu i gazu międzyplanetarnego. Słońce jest gwiazdą i zawiera w sobie 99,9 % masy zawartej w ciałach Układu Słonecznego. Gwiazda jest to ciało niebieskie świecąca światłem własnym pochodzącym z przemian termojądrowych zachodzących w jej wnętrzu. Na nocnym niebie najłatwiej jest rozpoznać gwiazdy, które wysyłają ogromne ilości energii. Gwiazdy znacznie różnią się od siebie rozmiarami. Gwiazdy olbrzymie mają o kilkaset razy większą średnicę, niż  Słońce, podczas gdy wielkość gwiazd karłowatych jest zbliżona do wielkości Ziemi. Wszystkie gwiazdy z wyjątkiem Słońca widoczne są na niebie, jako niewielkie świecące punkciki, ponieważ znajdują się one bardzo daleko od Ziemi. Najbliższa poza Słońcem gwiazda Proxima Centauri jest oddalona o 4,3 roku świetlnego od Ziemi. Rok świetlny jest to odległość jaką pokonuje światło w próżni w ciągu jednego roku. Podstawowym składnikiem budującym gwiazdy jest wodór, oraz hel. Najczęstszą reakcją chemiczną, która zachodzi w gwiazdach jest właśnie synteza wodoru w hel. Reakcje jądrowe w gwiazdach nie zachodzą na całej ich objętości, ale jedynie w pewnych miejscach centralnych, w jądrach. Energia, która powstaje w wskutek tych reakcji jest wypromieniowywana stopniowo, czasem w przeciągu milionów lat. Gwiazdy powstają z materii międzygwiazdowej, która w określonych warunkach może się kondensować pod wpływem siły grawitacji.

Słońce

Słońce to gwiazda centralna Układu Słonecznego. Wokół Słońca krąży Ziemia, pozostałe planety, oraz inne ciała niebieskie. Słońce to najjaśniejszy obiekt na widocznym z Ziemi niebie i główne źródło energii która dociera do naszej planety. Gwiazda ta jest jedną   ze 120 mld gwiazd znajdujących się w galaktyce Drogi Mlecznej. Średnica Słońca jest 109 razy większa, niż średnica Ziemi. Słońce należy do gwiazd małych i jest kulą gazu o masie około 2×1030 kg, z czego 74 % stanowi wodór, 25 % hel, a niespełna 1 % pierwiastki cięższe i sporadycznie występujące proste związki chemiczne. Słońce utrzymywane jest w równowadze dzięki sile grawitacji z jednej strony i rosnącym wraz z głębokością ciśnieniem gazu, które równoważy ciężar materii znajdującej się powyżej. Przemiany termojądrowe zachodzące wewnątrz Słońca ( przemiana wodoru w hel) wyzwalają ogromną energię. Energia ta jest źródłem światła, którym świeci gwiazda. Pole magnetyczne Słońca jest bardzo silne (najsilniejsze w Układzie Słonecznym, jednak w porównaniu z innymi gwiazdami wydaje się być raczej przeciętne) i ma ogromny zasięg, sięgający daleko poza orbitę Plutona. Najbardziej wewnętrzną warstwa Słońca jest jądro. Zawartość wodoru w jądrze wynosi ok. 40 %. W jądrze powstaje 95 % całej energii produkowanej przez Słońce. Pozostałe 5 % powstaje w warstwach znajdujących się bezpośrednio nad jądrem. Atmosfera słoneczna składa się z kilku warstw. Pierwszą z nich jest fotosfera. Fotosfera jest to widzialna, powierzchniowa warstwa gwiazdy emitująca fale w postaci światła widzialnego. Następną warstwą jest niewielka chromosfera. Chromosfera to cienka warstwa atmosfery słonecznej, rozciągająca się do wysokości 10 000 km nad fotosferą. Nad chromosferą położona jest korona sięgająca miliony kilometrów w przestrzeń kosmiczną. Koronę słoneczną również można obserwować podczas zaćmień Słońca, lub w przysłaniając centralną jego część. W Koronie Słonecznej panuje dużo wyższa temperatura niż w pozostałych warstwach atmosfery słonecznej. Temperatura powierzchni Słońca wynosi 5530°C. Natomiast temperatura jądra sięga 14 mln°C.

Planety układu słonecznego

Planety to ciała niebieskie krążące wokół gwiazdy, obracające się według własnej osi i świecące odbitym światłem gwiazdy. Do 24 sierpnia 2006 roku w skład planet Układu Słonecznego wchodził także Pluton, jednakże postanowieniem Międzynarodowej Unii Astronomicznej Pluton nie zaliczany jest już do planet  a jedynie do obiektów transneptunowych, bądź do kategorii obiektów nazywanych obiekty plutonowe. Układ planetarny zatem tworzą planety w kolejności najbliżej Słońca:

1. Merkury
2. Wenus
3. Ziemia
4. Mars
5. Jowisz
6. Saturn
7. Uran
8. Neptun

Planety układu słonecznego można podzielić na planety wewnętrzne takie jak: Merkury, Wenus, Ziemia, Mars. Planety te maja podobną wielkość, budowę fizyczną, skład chemiczny. Nazywane są one często planetami skalistymi Kolejne cztery planety zewnętrzne tj. Jowisz, Saturn, Uran Neptun to tzw. Planety olbrzymy, lub planety gazowe, gdyż są one zbudowane z gazów, głównie wodoru, helu, metanu, amoniaku i wody.

Merkury- licząc od Słońca, pierwsza planeta Układu Słonecznego. Pod względem wielkości w Układzie Słonecznym zajmuje ósme miejsce. Jest to jeden z najjaśniejszych obiektów na niebie, jednakże niewielka odległość od Słońca oraz stosunkowo szybki ruch obiegowy czynią Merkurego niezwykle trudnym do obserwacji. Powierzchnia Merkurego jest bardzo podobna do powierzchni Księżyca - występują liczne i głębokie kratery. Planeta nie posiada atmosfery; nie występują na niej również żadne zjawiska tektoniczne. Ponadto na powierzchni można spotkać wiele urwisk i kanionów. Temperatura na planecie waha się      od -180° C  do 430°C.

Wenus- Wenus jest trzecim pod względem jasności ciałem niebieskim po Słońcu i Księżycu widocznym z Ziemi. Ponieważ obserwacje tej planety są możliwe tylko wieczorem i rano, nazywana jest także: Jutrzenką, Gwiazdą Poranną lub Gwiazdą Wieczorną. Jedną z cech charakterystycznych Wenus jest bardzo gruba warstwa chmur, uniemożliwiająca jakiekolwiek obserwacje powierzchni planety. Atmosfera Wenus składa się głównie z dwutlenku węgla (96,5 %) oraz, w znacznie mniejszym stopniu, z azotu (ok 3,5 %). Wenus posiada słabe pole magnetyczne, które jest o trzy rzędy wielkości mniejsze od ziemskiego. Temperatura na powierzchni globu oscyluje w granicach 400°C, a w niektórych miejscach nawet 500°C. Pomimo faktu, iż Wenus znajduje się prawie dwa razy dalej od Słońca niż Merkury, jest ona najgorętszą planetą w Układzie Słonecznym. Tak wysoka temperatura jest spowodowana przez efekt cieplarniany.

Ziemia-Jest to trzecia w kolejności (licząc od Słońca). Wokół Ziemi krąży jeden naturalny satelita- Księżyc. Budowa wewnętrzna Ziemi składa się z jądra, płaszcza, oraz skorupy. Skład chemiczny Ziemi to głównie żelazo, tlen, krzem, magnez. Średni promień Ziemi wynosi 6.371 km, objętość 1.083 x 1018, temperatura powierzchni wynosi średnio 14°C, a wnętrza, ok. 5.000°C. Pod względem gęstości Ziemia zajmuje pierwsze miejsce wśród planet Układu Słonecznego. 71 % powierzchni Ziemi zajmuje woda, jednie 29% stanowią lądy. Ziemia jest jedyną planetą w Układzie Słonecznym, na której woda może powszechnie występować w stanie ciekłym.

Mars-  Czwarta według oddalenia od Słońca planeta Układu Słonecznego. Mars posiada dwa niewielkie księżyce o nieregularnych kształtach i jest planetą o połowę mniejszą od Ziemi. Atmosfera Marsa jest bardzo cienka i rozrzedzona. Średnie ciśnienie atmosferyczne waha się w granicach 750 paskali. Czerwona planeta składa się ze stałego jądra o promieniu ok. 1700 km, w skład którego wchodzą przede wszystkim nikiel i żelazo. Jest ono otoczone skalistym płaszczem. Powierzchnię planety stanowi 30 kilometrowa, skorupa składająca się w 2/3 z krzemu, ale także żelaza i jego związków, takich jak tlenek żelaza i siarczek żelaza, dzięki którym planeta ma czerwony kolor. Temperatura na Marsie zmienia się bardzo gwałtownie w ciągu trwania roku. Powodem tych wahań jest kształt marsjańskiej orbity: jest ona silnie eliptyczna. Średnia temperatura na czerwonej planecie wynosi od –120°C do 22°C. Mars znany jest w Układzie Słonecznym z najwyższych łańcuchów górskich oraz największych kanionów. Najwyższa góra na Marsie, a za razem największa w Układzie Słonecznym - Olympus Mons - stożek wygasłego wulkanu, ma ponad 24 km wysokości i ok. 550 kilometrową średnicę podstawy.

Jowisz- Największa planeta Układu Słonecznego. Jego masa dwukrotnie przewyższa masę wszystkich pozostałych planet naszego układu. Posiada wiele księżyców (co najmniej 63- najwięcej ze wszystkich palnet Układu Słonecznego) oraz pierścienie. Jowisz wraz z Saturnem, Uranem i Neptunem to planety gazowe, czasem nazywane również planetami jowiszowymi. Jowisz jest najszybciej obracającą się planetą w Układzie Słonecznym, co powoduje duże spłaszczenie planety na biegunach. Na okrążenie słońca potrzebuje ok.12 lat, a obrót wokół własnej osi zajmuje mu ok.10 godzin. Atmosfera Jowisza składa się w ok. 86 % z wodoru i ok. 14 % z helu.

Saturn-Druga pod względem wielkości planeta Układu Słonecznego po Jowiszu. Saturn posiada najmniejszą gęstość ze wszystkich planet całego Układu Słonecznego. Saturn jest wyraźnie spłaszczony na biegunach. Okres obrotu planety wokół własnej osi na równiku jest szybszy niż na biegunach i trwa 10h 14min. W przybliżeniu tyle też trwa doba. Saturn imponuje ilością (drugą po Jowiszu) księżyców - z 60 dotychczas odkrytych, 48 ma już oficjalne nazwy. Bardzo charakterystyczną cechą Saturna jest ułożone wokół planety ponad 10000 oddzielnych pierścieni. Mówiąc o pierścieniach Saturna wyróżnia się zazwyczaj siedem największych pierścieni. Są one zbudowane są z milionów bryłek lodu, oraz skał łączących się w zależności od gęstości. Powstanie pierścieni Saturna wyjaśnia się tym iż   mogą to być pozostałości po którymś z naturalnych satelitów, który rozpadł się po zderzeniu  z jakimś innym ciałem, być może kometą.

Uran- jest to pierwsza planeta, która została odkryta w czasach nowożytnych. Planeta była wcześniej wielokrotnie obserwowana, ale za każdym razem uznawano ją za gwiazdę.  Jest także trzecią największą i czwartą najmasywniejszą planetą naszego systemu. budowa i skład chemiczny Urana w dużej mierze odróżniają go od Jowisza i Saturna. Przede wszystkim Uran zawiera stosunkowo mało wodoru - 15% masy, i tylko niewielką domieszkę helu. Uran posiada bardzo cienkie i słabo widoczne pierścienie, których bezpośrednio nie da się zaobserwować z Ziemi. Uran posiada 27 znanych księżyców. Prawie wszystkie krążą po wyjątkowo okrągłych i regularnych orbitach. Różnica temperatur między równikiem biegunem wynosi tylko kilka stopni. Mechanizm występującego tu przepływu ciepła pozostaje nieznany.

Neptun- Ósma i ostatnia planeta Układu Słonecznego. Jest to najdalej od Słońca krążącą gazowa planeta w Układzie Słonecznym. Budowa planety jest bardzo podobna do budowy Urana z tym, że jest on od niego nieco mniejszy ale za to cięższy. Z powodu dużego oddalenia od Słońca Neptun otrzymuje bardzo mało ciepła. Temperatura zewnętrznych warstw atmosfery wynosi –218°C. Jak się wydaje, wewnątrz planety jest jakieś źródło ciepła, które może być pozostałością po okresie tworzenia się Neptuna. Wewnętrzna budowa Neptuna przypomina bardzo budowę Urana. Skaliste jądro otacza warstwa lodu wodnego, amoniaku i metanu, pokrytego warstwą cząsteczkowego wodoru.

Naturalne satelity

Naturalny satelita (księżyc) to ciało niebieskie pochodzenia naturalnego, obiegające planetę (lub planetoidę). Księżyce regularne, krążą w tą samą stronę co planeta obiega Słońce, po orbitach prawie kołowych, położonych (z niewielkimi odchyleniami) w płaszczyźnie obrotu planety. Przeważa pogląd, że powstały one na skutek kondensacji pyłów i gazów z których uformowała się dana  planeta. Ponieważ większość księżyców jest znana tylko z obserwacji z dużej odległości, teorie dotyczące ich powstania są zwykle niepewne. Największe księżyce w naszym układzie planetarnym są: księżyce galileuszowe Jowisza: Io, Europa, Ganimedes (największy naturalny satelita w Układzie Słonecznym) i Kallisto, satelita Saturna Tytan, księżyc Neptuna Tryton, oraz satelita Ziemi: Księżyc wszystkie one mają powyżej 3000 km średnicy. W układzie słonecznym obserwuje się także występowanie innych ciał niebieskich np. planetoid (krążących między orbitami planet), czy komet (krążących wokół Słońca po drogach eliptycznych, parabolicznych, czy hiperbolicznych. Okrążające Jowisz jedne z największych księżyców w Układzie Słonecznym zwane księżycami gallileuszowymi Jowisza.

Jedynym stałym naturalnym satelitą Ziemi jest Księżyc. Jest on piątym co do wielkości księżycem w Układzie Słonecznym. Przeciętna odległość od środka Ziemi do środka Księżyca to 384.400 km. Bez większego trudu można w oparciu o własne obserwacje ustalić długość miesiąca synodycznego i gwiazdowego. Zmiany faz Księżyca wynikają z różnic we wzajemnym jego położeniu względem Słońca i Ziemi, oraz z tego, że Księżyc nie świeci światłem własnym, ale odbitym. Jest on oświetlony przez Słońce. Gdy księżyc w swoim ruchu dookoła Ziemi znajduje się w opozycji, wtedy widoczny jest z Ziemi w fazie maksymalnego oświetlenia czyli pełni. Kiedy Księżyc zwrócony jest do Ziemi swoją nieoświetloną stroną, wtedy dla obserwatora na Ziemi jest zupełnie niewidoczny. Znajduje się w fazie nowiu. Niebawem po nowiu można zaobserwować wąski sierp Księżyca, zwrócony wypukłością ku zachodowi. Tydzień po nowiu księżyc dla obserwatora przybiera kształt półkola zwróconego wypukłością w stronę zachodnią. Znajduje się on wtedy w I kwadrze. Im większa część tarczy Księżyca jest widoczna, tym dłużej daje się on obserwować na nocnym niebie. Po pełni obserwuje się stopniowy zanik oświetlonej części Księżyca. Ubytek widoczny jest po stronie zachodniej tarczy, która będzie skierowana wypukłością ku wschodowi. Po upływie trzech tygodni od nowiu znów widoczna będzie tylko połowa tarczy Księżyca. Będzie on się znajdował wtedy w ostatniej kwadrze. Dla obserwatora na Księżycu Ziemia znajduje się fazie oświetlenia, która jest dopełnieniem fazy księżyca widocznej z Ziemi. Obserwator z Księżyca widziałby Ziemię, jako świecący krążek pokaźnych rozmiarów. Księżyc wykonuje ruch obiegowy dookoła Ziemi, oraz ruch obrotowy dookoła swej własnej osi. Okres ruchu obrotowego dla Księżyca jest równy miesiącowi gwiazdowemu (27,3 dni). Płaszczyzna orbity Księżyca nie pokrywa się z płaszczyzną ekliptyki (drogi na sferze niebieskiej, po której w ciągu roku pozornie porusza się Słońce obserwowane z Ziemi), a jest do niej nachylona pod kątem 5°,9’. Przecięcie się tych dwóch płaszczyzn nazywa się linią węzłów. Węzeł natomiast, jest to punk przecięcia ekliptyki, oraz orbity Księżyca. Gdy Księżyc w swoim ruchu po orbicie znajduje się w bezpośredniej bliskości któregoś z węzłów, i jest pełnia, wtedy nastąpi zaćmienie Księżyca. Zaćmienie Księżyca zachodzi, więc gdy Ziemia znajduje się między Słońcem a Księżycem i Księżyc znajdzie się w stożku cienia Ziemi. Długość zaćmienia Księżyca uzależniona jest od odległości Ziemi od Słońca, oraz od odległości Księżyca od Słońca. Najdłuższe możliwe zaćmienie księżyca może trwać 1 godzinę i 42 minuty. Zaćmienie Słońca powstaje natomiast wtedy, gdy Księżyc znajdzie się pomiędzy Słońcem a Ziemią i tym samym przesłoni światło słoneczne. Zaćmienie Słońca może trwać najdłużej 7 minut i 40 sekund, i jest ono widoczne tylko na niewielkim obszarze powierzchni Ziemi. Najbardziej prawdopodobna teoria na temat powstania Księżyca mówi, że Księżyc powstał równocześnie z planetami w okresie formowania się Słońca ok. 5 miliardów lata temu.