GlobaalfüüsikaMaa

Kalju Eerme

Planeet Maa

• Üks Päikesesüsteemi väikestest e. Maa tüüpi planeetidest. Tahke kristalse maakoorega. Koosneb mitmetest tahketest, vedelatest ja gaasilistest kontsentrilistest kihtidest.

• Kannab oma pinnal elu ja tsivilisatsiooni• Tekkinud koos Päikese ja teiste planeetidega üle

4.5 miljardi aasta tagasi• Pidevas muutumises

Maa süsteemi teadused

• Planeet Maa on keeruline isereguleeruv süsteem.

• Säilitab tasakaalulist olekut pidevalt muutuvates tingimustes (muutuvad välistingimused ja sisemuses toimuvad protsessid).

• Funktsionaalsus (rohkem füüsika)

• Ajalugu (Maa elulugu) geoloogia. Päris algus (tekkimine) astronoomia.

• Arusaamise areng kulgeb staatiliselt maailmapildilt dünaamilisele.

Maa uurimise meetodid

• Enamasti lepitakse nende eksperimentidega, mida loodus korraldab ja katsutakse looduslikke protsesse lahti mõtestada.

• Vaatlused seotud kvalitatiivse või mitte päris range kvantitatiivse hinnangu andmisega.

• Mõõtmised annavad kvantitatiivse tulemuse. Statsionaarsed regulaarsed mõõtmised. Vaatlusvõrgud. Ühtsed rahvusvaheliselt koordineeritud mõõtmisprogrammid.

• Ekspeditsioonid. Intensiivuuringuteks statsionaarselt raskesti ligipääsetavates kohtades.

Maa uurimine

• Kõigepealt, mis Maa pinnal

• Rändurite reisikirjeldused. Esmatähtis majanduslik ja strateegiline informatsioon. Loodusteaduslik taustaks.

• Suured rahvusvahelised projektid ja programmid

• International Polar Year 1882-1883 (Idee - Austria leitnant Karl Weiprecht), kordus 1932-1933.

• International Geophysical Year 1957-1959. Liidrid Lloyd V. Berkner (USA) ja Sidney Chapman (Suurbritannia). Osalisi riike 67, kulutused 2 miljardit USD.

• Edasi palju erinevaid suuri projekte

Maa tekkimisest.Mõtteloo üldine taust

• Tähed moodustavad taevas äratuntavaid kujundeid, tähtkujud. Justkui fikseeritud taevasfäärile.

• 7 “rändavat” taevakeha - Päike, Kuu, Merkuur, Veenus, Marss, Jupiter, Saturn. Neile omistati saatuslikku jõudu ja nende järgi pandi nädalapäevadele nimed.

• Enamuse olemasolu ajast astronoomia olnud astroloogiat teenindav teadus. Algus üle 5000 a. tagasi. Põlluharijatest sumeritel ja semiitidest karjakasvatajatel oli vaja kalendrit.

• Päikesekalender (põlluharijatel), kuukalender (karjakasvatajatel), päikese-kuukalender.

Vana-aja astronoomia

• Taevakehade liikumise detailne kirjeldamine. Eriti tähtis Veenus. Maailma ehitus, veel vähem Maa tekkimine ei kerkinud üles.

• Alates 800 e.Kr. Astroloogia. Agressiivsetel Assüüria valitsejatel oli vaja sõjakäikude edu prognoosi. Kõigi planeetide liikumise järgi. Planeetide nimed algul kohalikud, hiljem riigis ametlikult tunnustatud jumalate järgi.

• Astronoomia osaks jätkuvalt ka kalendri ja aja teenistus.

Astronoomia “kuldajastu” Kreekas, 600-150 e.Kr.

• Kreeka filosoofiline mõtlemine algab Thalesest 600 e. Kr. Egiptuse matemaatika ja Babüloonia astronoomia alusel. Mõtlemine sai vabade inimeste väärtustatud tegevuseks. Maailma ehituse loogiliselt konstrueeritud mudelid, mis lubasid teadaolevaid fakte võimalikult vastuoludeta seletada. Liikumise põhjused ei huvitanud.

• Pythagoras, 580-500 e.Kr. - maakera ümmargune, Ehatäht ja Koidutäht sama.

• Anaxagoras määras 434 e.Kr. lapiku Maa eeldusel Päikese suurust ja väitis, et Päike Peloponnesose poolsaare suurune (60 km) kuum kivi.

• Eudoxos (408-355) mütoloogiliste kangelaste ja loomade järgi nimetatud tähtkujudega tähekaardi (370 e.Kr.) autor, 365.25 ööpäevase kalendriaasta juurutaja ja sodiaagi vöö tähtkujude eristaja ülejäänutest. Kristallsfääride mudeli rakendaja (27 sfääri).

Astronoomia “kuldajastu” 2

• Kristallsfääride mudeli täiustused: Kalippos (370-300) 34 sfäärini ja Aristoteles (384-322) 56 sfäärini

• Apollonius tõi sisse epitsüklid (300 e.Kr.), millede teooriale lõpliku lihvi andis Hipparchos (180-125)

• Aristoteles- antiikaja autoriteet. Teisitimõtlejad: Herakleitos (390-310 - tähistaevas paigal ja Maa pöörleb ümber telje. Merkuur ja Veenus tiirlevad ümber Päikese ja Päike koos nendega ümber Maa. Aristarchos (312-230) - Maa pöörleb ümber telje ja tiirleb ümber Päikese. Päike palju kaugemal kui Kuu ja suurem kui Maa.

Astronoomia “kuldajastu”3

• Eratosthenes (275-194): Maa ümbermõõdu määramine lähtudes sfäärilisusest ja Päikese kulminatsiooni kõrguse erinevusest eri laiuskraadidel. 39 400 km.

• Antiikastronoomia kokkuvõte Ptolemaios’e (87-165) kapitaalse planeetide liikumise geotsentrilise mudeli näol, mille varal planeetide liikumist 1500 aasta vältel arvutati.

• Kinnistähtede asukohtade jaoks Hipparchose kataloog (1022 tähe asukohad).Planeedid liiguvad mööda epitsükleid, millede tsentrid omakorda mööda suuremaid ringe deferente. Näivalt silmusekujuline liikumine.

Maa suuruse määramine

Rooma teadus

• Vähe uusi mõtteid. Kreeka mõtlejate töödest entsüklopeedilised kokkuvõtted. Strabon - geograafia, Plinius - loodusteadused, Galenos - meditsiin,…

• Klaudius Ptolemaios - astronoomia. Kirjutanud teisigi monumentaalseid teadusi. Geograafia.

• Teaduse keskus Aleksandria.331 e. Kr. Ptolemaioste rajatud Museion ja raamatukogu (hävis 48 a.)

• Kadus Kreeka kolooniatele omane konkurents ja uute ideede genereerimine. Impeeriumi ühtlustav toime.

Araabia astronoomia

• Muhameedliku ajaarvamise alguspunkt 16. Juuli 622. Muhamed kolis Mekkast Medinasse. Araablased vallutavad järk-järgult senise tsiviliseeritud maailma. Impeerium Hispaaniast ja Marokost kuni Indiani. Abassiidide dünastia pealinn Bagdad.

• Teadustest hinnatuimad - meditsiin ja astronoomia. Palvetamisel tuli pöörduda näoga Mekka suunas. Arstid pidid tundma astroloogiat, et määrata ravitsemiseks sobivat aega.

• Kreeka teaduse maailmapilt säilis Guptade dünastia (kuni 650) aegses teoste kogus Siddharta.

Araabia astronoomia 2

• Kaliif al-Mansuri ajal (alates 754) tõlgiti matemaatika ja astronoomia teoseid india ja süüria keelest ja hiljem otse kreeka allikatest. Kaliif Harun ar Rashid (766-809) käskis tõlkida ka Klaudius Ptolemaiose Megalis syntaxis e. Almagest’i. Tõlge valmis tema poja kaliif al-Mamuni valitsemise (813-833) ajal. 827 Mesopotaamias meridiaani kaare pikkuse mõõtmine. Tulemus 1 kraad = 113 km (tegelik 111.8 km).

• Tuntuim kalifaadi aegne araabia astronoom al-Battani e. Albategnius.

Keskaja astronoomia

• 11. ja 12. saj. Teaduse keskus Cordoba kalifaadis Hispaanias.

• 1258 vallutas Hulaghu-khaan (Tšingiž- khaani pojapoeg) Bagdadi. Astronoom Nassir-Eddin rajas Iraanis suure moodsa observatooriumi. Koostas parandatud astronoomilised tabelid.

• Ulugbek (1394-1449) rajas 1425 Samarkandi lähistele observatooriumi. Idamaade astronoomia täpseimad vaatlused. 1019 tähe positsioonide kataloog. Varasemast täpsem ekliptika kalde määramine.

Astronoomia Euroopas

• 1000. aasta paiku algas araablaste tarkuse ja kreeka autorite tõlkimine ladina keelde.

• Dominikaani mungad Albert von Bolstedt (Albertus Magnus) (1193-1280) ja Aquino Thomas (1225-1274) püüdsid ühendada Aristotelese kosmoloogia ja kristliku kiriku õpetuse ühtseks süsteemiks.

• Loodusuurimine ja maagia läbipõimunud.

• Astronoomia õpetamise ja asrtronoomiliste vaatluste algus Euroopas 14. ja 15. saj.

Mikolaj Kopernik (Copernicus) 1473-1543

• Õppis Krakowi ülikoolis 1491-1495, sai onu abiga kanoonikuks Frauenbergis, õppis 1496-1503 Bologna’s, Paduas ja Ferraras kauneid kunste, meditsiini ja õigusteadust (doktor)

• De Revolutionibus orbitum coelestium- 6 raamatut.• Heliotsentriline maailmapilt. Epitsüklid sees. Liikumised

ringjoonelised. Aristarchost otse ei maini. • Koperniku teooria alusel arvutas Erasmus Reinhold (1551)

Preisi tabelid (Preisi hertsog Alberti kulul), mis olid täpsemad kui kastiilia kuninga Alfons X toetusel Toledos koostatud Alfonsi tabelid (1252).

Tycho Brahe 1546-1601

• Lõuna-Rootsis sündinud Taani aadlik. 12 aastaselt ülikooli, et saada poliitikuks. Õppis Kopenhaagenis, Leipzigis, Wittenbergis, Rostockis ja Baselis.

• Astroloogiahuvi viis astronoomia juurde.

• Uraniborgi ja Sterneborgi observatooriumide ehitamine. Kuningas Fredrik II (suri 1588) soosing

• Oma aja täpseim vaatleja (2’ senise 15’ asemel)

• 1597 lahkub Taanist, 1599 kuni surmani Prahas Rudolf II õukonnamatemaatik.

• Viimasel eluaastal abiliseks Johann Kepler.

Johann Kepler 1561-1630

• Vaesest perest pärit ja kehva tervisega. Õppis kloostrikoolis, mis andis õiguse astuda Tübingeni ülikooli. 1591 magister. Protestant, mis tõi pahandusi kaela.

• 1594 Grazis matemaatika lektor. Ülesannete hulgas astroloogilise kalendri toimetamine koos ilmaennustusega järgmiseks aastaks. See edukas.

• 1596 Mysterium Cosmographicum.• 1601 Rudolf II õukonnamatemaatik. Töötas Brahe Marsi

orbiidi andmetega 25 aastat. Kepleri seadused. 1627 Rudolfi tabelid.

• 1628 Wallensteini ihuastroloog.

Isaac Newton 1643-1727

• Farmeri poeg. Cambridge ülikooli Trinity kolledž 1661-1665. 1668 magister.

• 1668 peegelteleskoop

• 1669 matemaatikaprofessor

• Tööd astronoomia ja dünaamika, optika ja puhta matemaatika valdkondadest.

• 1687 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Dünaamika alused. Ülemaailmne gravitatsiooniseadus ja Maa kuju teooria (pöörlev Maa pöördellipsoid)

• 1671 Kuningliku Seltsi liige, 1703 president,1705 rüütliks

Hüpoteesid päikesesüsteemi tekkimise kohta

• Kuna loodus oli teadaolevalt jumalate looming, siis 18. saj. keskpaigani tekkimise küsimust ei olnud. Maailm loodud 6000 a. tagasi. Biosfääri liigid selles valmis hierarhias.

• 1749 George Louis Leclerc Comte de Buffon (1707-1788) kirjeldus, et planeedid võisid tekkida mööduva komeedi poolt Päikeselt väljarebitud aine klompidest. Maa 75 000 aastat vana. Esimene nn. katastroofihüpotees.

• 1755 Immanuel Kanti (1724-1804) anonüümselt ilmunud raamatus “Üldine looduse ajalugu ja taeva teooria” hüpotees, kuidas maailm tekib külma tolmudu hajusast ainest. Ebahomogeensustest algab planeetideks koondumine.

Buffon “Histoire Naturelle” 44 köidet 1749-1788Päikessesüsteemi teke Les epoques de la nature (1778)

Planeetide tekke hüpoteesid

• 1796 Pierre Simon Laplace (1749-1827) analoogne nebulaarhüpotees, mille järgi planeedid pidid tekkima kuumast gaasudust, millised William Herschel (1738-1822) oli äsja avastanud.

• Tuntakse Kant-Laplace nebulaarhüpoteesina.

• Vastuolud

• Päike 99 % süsteemi massist, kuid ainult 2 % pöörlemishulgast

• Maa ja Päikese koostised erinevad

Planeetide tekke hüpoteesid 2

• James Hopwood Jeans (1877-1946) 1917. Planeedid tekkinud Päikese lähikontakti tõttu mõne teise mööduva tähega. Pidi mööduma Päikese ekvaatori tasandis umbes 1 aü kauguselt. Tõenäosus väike.

• Hannes Alfven (1908-1995) seletas Päikese pöörlemise aeglustumist ja nurkmomendi ülekannet planeetidele elektriliste ja magnetiliste jõududega. Senised hüpoteesid ainult mehaanika baasil.

• 1950 a. paiku igal endast lugupidaval astronoomil isiklik päikesesüsteemi tekke hüpotees.

Planeetide teke

Päikesesüsteem

Maa tüüpi planeedid

Maa väliskuju ja mõõtmed

• Kauges minevikus peeti lapikuks

• 540 e.Kr. Pythagoras - Maa sfääriline

• 230 e. Kr. Eratosthenes Maa raadius 6311 km (6371 km)

• 127 Ptolemaios kirjutas Maa väiksemaks

• 1528 Jean Fernel (tõllaratas pikkuse mõõtmiseks)

• 1617 Villerbrod Snellius Hollandis

• 1636 Richard Norwood trassil London - York

• 1670 Jean Picard - Maa raadius 6 371 692 m

• 1687 Isaac Newton - Maa pöördellipsoid

Triangulatsioon ja nivelleerimine

• Astronoomilis-geodeetiliste tööde põhiülesandeks ongi triangulatsiooni ja nivellimise võrkude moodustamine ning nende abil n. nim. trigonomeetriliste ja nivellimise punktide asendite ehk koordinaatide määramine.

• Trigonomeetriliste punktide kaugust üksteise suhtes ehk nendest moodustatud kolmnurkade külgede pikkust ei määrata lineaarsete mõõtmiste, vaid nurgamõõtmiste abil mainitud kolmnurkades.

• Maakera pinna kõveruse tõttu ei ole võimalik siinjuures tarvitada tasapinnalist trigonomeetriat.

Struve aegne teodoliit ehk universaalriist

Struve triangulatsioon 1816 - 1855

• 2800 km pikkune kaar Doonau suudmest Põhja-Jäämereni• Friedrich Georg Wilhelm Struve (1793-1864)• Carl Friedrich Tenner (1783-1859)• Maa kuju geoid sarnaneb kolmeteljelise ellipsoidiga• Praktikas kasutatud kaheteljelist ellipsoidi• IERS 1989, Ekv 6 378 136 m, Pol 6 356 751 m• Geoid jääb ellipsoidist kuni 100 m madalamale (Sri

Lankast lõunas) ja tõuseb kuni 70 m kõrgemale (Uus Guinea lähistel).Erinevus ± 110 m.

• Eesti kohal 20 m kõrgemal

Struve triangulatsiooni trass Eestis

Struve-Tenneri kraadimõõtmise kogutrass

Geoid ellipsoidi suhtes

Maa liikumised ruumis

• Koos Galaktikaga Ükssarviku (Monocerotis), viimasel ajal pigem Lõvi (Leo) tähtkuju suunas 210 km/s

• Galaktika pöörleb kiirusega 220 km/s (periood 220 milj. aastat), Päike raadiuses 8000 parsekit

• Galaktika ei pöörle jäigana ja kiirus pole ühtlane. Viimase 10 000 aastat liigub Päikesesüsteem 1000 korda tihedamas keskkonnas kui eelmised 5 milj. aastat

• Maa tiirleb ümber Päikese elliptilisel orbiidil. Ekstsentrisus praegu 0.017 e. minimaalse lähedal, maksimaalselt viimase 5 milj. aasta jooksul olnud 0.0607

Maa liikumised ruumis 2

• Aasta 365 ööpäeva 5 h 48 m 46 s• Põhjapoolkera suvine poolaasta 186 ööpäeva, talvine 179• Periheel 3. Jaan, afeel 6. Juulil 2010• Tiirlemise keskmine lineaarkiirus 29.78 km/s. Kiiruste

erinevus periheelis ja afeelis 950 m/s• Maa pöörlemine läänest itta nagu tiirleminegi• Ööpäev 23 h 56 m 4 s. Lineaarkiirus 465 m/s• Ööpäevad pikimad märtsis, lühimad augustis. Erinevus

0.0025 s. ööpäev pikeneb 0.0023 s sajandis• Noore Maa ööpäevad 10 h, 900 milj. a. tagasi 18 h.

Pöörleva keha nurkmoment

• I = IMω = κMR2(1 + 2/3α) ω,• ω - nurkkiirus,• κ-struktuurikoefitsient, arvestab massijaotust raadiuse sihis,

• M - Maa mass, IM - Maa inertsimoment

• R - Maa keskmine raadius,• α - polaarne kokkusurutus.• Masside ümberjaotumine toimub kõigis geosfäärides• Pöörlemiskiiruse hüppelised muutused tsonaalse tuule

kiiruse kõikumisest

Maa pöörlemistelje asend ja orbiidi kuju

• Ekstsentrisus muutub 100 000 ja 400 000 a perioodidega

• Võrdpäevsuspunkte ühendav joon liigub orbiidi telgede suhtes 19 000 ja 23 000 a perioodidega

• Pöörlemistelje kaldenurk orbiidi tasandi suhtes perioodiga 41 000 a

• Pöörlemistelje pretsessioon perioodiga 26 000 a

• Kuu eemaldub Maast 3 cm/a

Maa orbiidi ekstsentrisuse muutumine

Maa pöörlemistelje asendi muutumine

Pretsessioon

Milankovitci tsüklid2

Milankovitchi tsüklid

Seos jääaegadega

Maa reljeef

• Kogupindala 510 milj km2 (362 milj km2 ookean, 148 milj km2 mandrid)

• Põhjapoolkera mandripoolkera 39.4 % mandrit

• Aafrika 29.4 milj km2 ,750 m üle merepinna

• L. Ameerika 18.2 milj km2 , 590 m

• P. Ameerika 20.3 milj km2 , 720 m

• Antarktika 13.9 milj km2 , 2040 m

• Aasia 43.4 milj km2 . 960 m

• Austraalia 7.6 milj km2 , 340 m

• Euroopa 10 milj km2 , 340

Ookeanid

• Atlandi 94.314 milj km2, 337 210 km3

• India 74.118 milj km2 , 284 608 km3

• P. Jäämeri 12.257 milj km2, 1370 km3

• Vaikne 181.334 milj km2. 714 410 km3

Reljeef 2

• Megareljeef

• makroreljeef

• mesoreljeef

• mikroreljeef

• 0-200 m madalikud

• 200-500 m kõrgustikud

• >500 m mäestikud 45 % maismaast

• 500-800 m madal, 800-2000 m kesk, >2000 m kõrg

Ookeanide põhjareljeef

• < 200 m mandriself

• 200 - 2500 m mandrinõlv

• 2500 - 6000 m ookeani nõgu

• >6000 m süvikud

• Mandrid 29 % Maa pinnast, mandriline maakoor 40 %