nghiên cứu chương trình TỪ VI mô đến vĩ mô

Chương này giới thiệu một số nét khái quát về thế giới vô cùng bé các hạt sơ cấp, hạt quark, về thế giới vô cùng lớn Hệ Mặt Trời, thiên hà, vũ trụ và về thuyết Big bang Vụ nổ lớn nhằm gi

LỜI NÓI ĐẦU



Đất nước ta đang ngày một phát triển, tiến đến hội nhập, sánh vai cùng nhiều quốc gia trên thế giới Song song với quá trình phát triển nhanh chóng, không chỉ ở nước ta mànhân loại nói chung cũng đang đối diện với sự biến đổi khí hậu ghê gớm, môi trường sống đang bị đe dọa nghiêm trọng Trước tình hình này, ngành giáo dục có nhiệm vụ đào tạo ra những thế hệ con người có tri thức, có đầy đủ các năng lực, kỹ năng để đáp ứng nhu cầu của xã hội Điều đó đòi hỏi giáo dục cần phải đổi mới đúng hướng, hợp lý Người giáo viên có vai trò hết sức quan trọng trong việc tham gia vào quá trình đào tạo con người cũng như quá trình đổi mới giáo dục Để làm tốt nhiệm vụ của mình, một trongnhững vấn đề cốt lõi là mỗi giáo viên phải có năng lực chuyên môn vững vàng, đặc biệt

là nắm vững, hiểu sâu sắc kiến thức môn học mà mình giảng dạy

Ý thức được điều đó, cùng với sự phân công của lớp, nhóm chúng tôi tiến hành tìm hiểu sâu sắc các phần kiến thức: Sơ lược về thuyết tương đối hẹp, Hạt nhân nguyên tử và

Từ vi mô đến vĩ mô, thuộc vào ba chương cuối của vật lý lớp 12 nâng cao của sách giáo khoa hiện hành

Để hoàn thành tiểu luận, chúng tôi chọn phương pháp nghiên cứu là đọc các tài liệu vật lí đại cương, sách giáo khoa, sách giáo viên vật lí 12 trung học phổ thông, tìm kiếm, lựa chọn tài liệu trên Internet, bài giảng trên lớp của PGS.TS Lê Công Triêm, tiểu luận của các học viên khoá trước…

Do điều kiện về thời gian và khả năng nghiên cứu của bản thân nên các vấn đề trìnhbày trong tiểu luận còn nhiều hạn chế Nhưng với sự nỗ lực của mình, chúng tôi hy vọng bài viết này sẽ góp phần giải quyết được nhiều vấn đề đặt ra trong việc nghiên cứu

chương trình vật lý phổ thông nói chung Rất mong nhận được sự đóng góp chân thành của thầy và các bạn

TỪ VI MÔ ĐẾN VĨ MÔ

MỞ ĐẦU

Vũ trụ được sinh ra từ khi nào? Vũ trụ bắt đầu từ đâu? Vũ trụ được cấu tạo từ cái gì? Liệu vũ trụ này có tuổi thọ không? Bên ngoài vũ trụ còn những gì nữa? Song song với việc nghiên cứu, giải thích các hiện tượng tự nhiên, các vấn đề nảy sinh hiển hiện trước mắt, trên Trái đất, con người bao nhiêu qua thế hệ đã rất tò mò và tìm mọi cách để trả lời những câu hỏi trên

Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong mấy chục năm trở lại đây đối với việc trả lời các câu hỏi đó đã diễn ra rất nhanh và đã có những người nghĩ rằng câu trả lời cuối cùng cũng không còn xa nữa

Trong những năm gần đây, chương trình và sách giáo khoa đã được biên soạn lại vàđưa vào giảng dạy nhằm nâng cao chất lượng dạy và học, đáp ứng yêu cầu đổi mới giáo dục theo chủ trương của nghành giáo dục nước nhà Trước đây chương trình Vật lí phổ thông chưa hề có nội dung kiến thức nào về thiên văn học được hình thành một cách có

hệ thống thành từng chương và từng phần cụ thể SGK 12 cơ bản và SGK 12 nâng cao hiện hành đã có một bước tiến mới là đưa thêm một chương "Từ vi mô đến vĩ mô" với những nội dung kiến thức mới vào chương trình Chương này giới thiệu một số nét khái quát về thế giới vô cùng bé (các hạt sơ cấp, hạt quark), về thế giới vô cùng lớn (Hệ Mặt Trời, thiên hà, vũ trụ) và về thuyết Big bang (Vụ nổ lớn) nhằm giải đáp phần nào cho họcsinh các câu hỏi có liên quan đến các hiện tượng xảy ra trong thế giới đó

Nhiệm vụ của phần Từ vi mô đến vĩ mô

- Nghiên cứu khái niệm hạt sơ cấp và đặc trưng của các hạt sơ cấp

- Nghiên cứu phân loại các hat sơ cấp

- Nghiên cứu các đặc điểm chính về cầu tạo và chuyển động của hệ Mặt Trời

- Nghiên cứu về sao và thiên hà

- Nghiên cứu về quá trình tiến hóa của sao

- Nghiên cứu về thuyết Big Bang

Sơ lược cấu trúc phần Từ vi mô đến vĩ mô trong SGK hiện hành

Trong thời gian tới, Bộ GD và ĐT sẽ đổi chương trình và SGK phổ thông, nhưng thiết nghĩ, kiến thức căn bản về các phần của môn vật lý cũng sẽ không thay đổi nhiều Tuy nhiên, kiến thức của Từ vi mô đến vĩ mô rộng hơn nhiều so với kiến thức được trình bày trong chương trình vật lý phổ thông Vậy nên chúng tôi xin nêu lại cấu trúc của phần

Từ vi mô đến vĩ mô được trình bày trong SGK hiện hành để tiện theo dõi các nội dung được nghiên cứu của phần này:

1. Các hạt sơ cấp

- Hạt sơ cấp

- Các đặc trương của hạt sơ cấp

- Phản hạt

- Phân loại hạt sơ cấp

- Tương tác của hạt sơ cấp

TỪ VI MÔ ĐẾN VĨ MÔ

Sao Thiên hà

Thuyết Big Bang (Thuyết vụ nổ lớn)

Mặt Trời

Hệ Mặt Trời

- Khái quát về sự tiến hóa của các sao

- Thiên hà

4. Thuyết Big bang (thuyết vụ nổ lớn)

- Các thuyết về sự tiến hóa của vũ trụ

- Các sự kiện thiên văn quan trọng

- Thuyết Big bang

Cấu trúc phần Từ vi mô đến vĩ mô

PHÂN TÍCH NỘI DUNG

1 Các khái niệm

1.1 Các hạt sơ cấp

1.1.1 Khái niệm các hạt sơ cấp

Đến nay, người ta phát hiện ra được các hạt có kích thước nhỏ và khối lượng rất nhỏ, chẳng hạn như electron, proton, nơtron, mêzôn, muyôn, piôn Tất cả các hạt này được gọi là các hạt sơ cấp Nói chung các hạt sơ cấp có kích thước và khối lượng nhỏ hơnhạt nhân nguyên tử Hạt sơ cấp không bị phân chia trong phản ứng hạt nhân

1.1.2 Những đặc trưng của các hạt sơ cấp

1.1.2.1 Khối lượng nghỉ mo (năng lượng nghỉ)

Các hạt sơ cấp đều có khối lượng nghỉ khác không, trừ phôtôn (γ) có khối lượng nghỉ bằng không và nitrơno (ν) có khối lượng nghỉ coi như bằng không (khi nói khối lượng của một hạt ta hiểu đó là khối lượng nghỉ) Khối lượng các hạt sơ cấp thường tính

ra đơn vị bằng khối lượng êlectrôn (me) hay tính ra MeV/c2 hay GeV.c-2 (qua công thức E0= m0.c2)

Ví dụ : me= 0,511 MeV.c-2, mp= 938,3 MeV.c-2, mn= 939,6 MeV.c-2

Khối lượng mêdôn

0

mπ

= (264,2 ± 0,1)me = (135,01 ± 0,05)MeV/c2 Khối lượng prôtôn

và hình chiếu trên một trục z bất kì cho bởi: Sz = ms.h

Trong đó s là số lượng tử spin (gọi tắt là spin) và ms là số lượng tử hình chiếu spin:

ms = -s, -s+1, 0, s-1,s Nói cách khác với một trị số xác định của s có 2s +1 trị số của ms; s có thể là

nguyên hay bán nguyên Ví dụ : phôtôn (γ) có spin s = 1; êlêctrôn (e-) có spin = 1/2, mêdôn π có spin s = 0

*Spin đồng vị

Tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân có một đặc tính là không phụ thuộc vào điện tích Cụ thể tương tác giữa p - p, n - n, p - n là như nhau Nói cách khác, trong tươngtác hạt nhân hai hạt p và n không khác gì nhau Khối lượng của p khác khối lượng của n

là do p có mang điện tích (nghĩa là do tương tác điện từ) Như vậy trong tương tác hạt nhân, có thể coi p và n là hai trạng thái của cùng một hạt, tức là hạt nuclôn (N) Nếu không để ý đến tương tác điện từ thì hai trạng thái đó tương ứng với cùng một khối lượng, do đó tương ứng với hai mức năng lượng gần nhau Có thể so sánh tính chất này

với tính chất của êlectrôn trong nguyên tử Nếu không để ý đến spin thì mỗi trạng thái êlectrôn trong nguyên tử tương ứng với cùng một mức năng lượng, nếu để ý đến spin thì mức năng lượng đó tách thành hai mức gần nhau, tương ứng với hai trạng thái của

êlectrôn khác nhau về sự định hướng của mômen spin (

1 2

z

s = + h

và

1 2

z

s = − h

) Đối với nuclôn, để tiện tính toán, người ta cũng đưa ra một đại lượng gọi là spin đồng vị

1 Nếu hệ có spin thông thường là s thì hệ sẽ có 2s +1 trạng thái ứng với các hình chiếu khác nhau của spin Tương tự nếu có hệ spin đồng vị I thì hệ sẽ có 2I+1 trạng thái ứng với các giá trị khác nhau của hình chiếu spin đồng vị trên một trục z nào đó

Khái niệm spin đồng vị cho phép mô tả các trạng thái điện khác nhau của cùng một hạt

Ví dụ : Nuclôn có hai trạng thái điện nghĩa là : 2I+1 = 2, do đó I=1/2; p và n là hai trạng thái của nuclôn khác nhau về hình chiếu Iz của spin đồng vị, cụ thể là:

P có Iz = +1/2

N có Iz = -1/2

Tương tự ba hạt π-, π0 , π + có thể coi là ba tạng thái của cùng một hạt, nghĩa là 2I +1

=3 Do đó I =1 vậy hạt mêdôn π có spin đồng vị : I = 1

Ba trạng thái π-, π0π+ ứng với ba giá trị hình chiếu Iz khác nhau của spin đồng vị củaπ

π+ có Iz=1; π0 có Iz= 0; π - có Iz = -1

Có thể nói (p,n) hợp thành một bộ đôi đồng vị, (π-, π0 , π +) hợp thành một bộ ba đồng

vị Đặc biệt hạt Λ0 hợp thành một bộ đơn đồng vị (I = 0, Iz = 0) Đối hạt có cùng I và Iz ngược dấu so với hạt

1.1.2.4 Thời gian sống và thời gian phản ứng phân rã

Trong số các hạt sơ cấp, có một số ít hạt bền là: phôtôn γ, nitrơno ν, e+, e-, proton p (bền nghĩa là thời gian sống rất lớn, có thể coi như vô cùng) Một cách chính xác thì thời gian sống của γ là vô cùng, của e là > 4,3.1023 năm, của p là 1031 đến 5.1032 Còn các hạt

sơ cấp khác chỉ sống một thời gian rồi phân rã thành những hạt khác Ví dụ: nơtrôn (n) cóthời gian sống: (1013 ± 26)s và phân rã theo phản ứng:

n → p + e- +νe (phân rã β-)

Mêdôn π+ có thời gian sống (2,551 ± 0,026).10-8s và phân rã theo phản ứng:

π → μ+ + νμ Mêdôn π0 có thời gian sống (1,80 ± 0,026).10-16s và phân rã theo phản ứng:

π0 → 2γ

Tên hạt Năng lượng Eo

(MeV) Điện tích Q Spin s

Thời gian sống(giây)

-e+e0

1/21/21/2

∞

∞

∞Pion

Kaon

139,6497,7

+e0

00

2,6.10-88,8.10-11Proton

Notron

938,3939,6

+e0

1/21/2

∞932Xicma

Omega

11891672

+e-e

½3/2

8.10-111,3.10-10

1.1.3 Phản hạt

Phần lớn các hạt sơ cấp đều tạo thành cặp (trừ photon), mỗi cặp gồm hai hạt có khối lượng nghỉ mo và spin s như nhau, còn điện bằng nhau nhưng trái dấu (trừ nơtron có điện tích bằng 0)

Ví dụ:

Hạt sơ cấp

Baryon

* Electron và positron có cùng khối lượng me = 9,1.10-31 kg, cùng có spin, electron

có điện tích –e, positron có điện tích +e

* Proton và phản proton có cùng khối lượng me = 1,67.10-27 kg, cùng có spin, electron có điện tích –e, positron có điện tích +e

Khi hai hạt và đối hạt tương tác với nhau sẽ có hiện tượng hủy cặp để sinh ra hai photon, hoặc hai photon tương tác nhau sẽ sinh cặp electron - positron

Các hạt chịu tác dụng của lực mạnh gọi là các hadrôn Còn các hạt không chịu tác dụng cuảc lực mạnh, để cho lực yếu trở thành lực lấn áp, được gọi là các leptôn.Các proton, notron và piôn đều là các hadrôn, còn electron và notrino là các leptôn

1.1.5 Phân loại các loại hạt sơ cấp

1.1.5.1 Phân loại dựa vào khối lượng nghỉ m 0 và đặc tính tương tác

Hiện nay các hạt sơ cấp đã biết được phân thành bốn loại như sau:

hay mêdôn) : Trong các quá trình biến đổi, tổng (đại số) số leptôn của hệ bảo toàn

Có 3 trong số các leptôn (electron, muyôn, tauôn) có điện tích bằng -e và cũng có năng lượng nghỉ khác không, có các nơtrinô không tích điện, mỗi nơtrinô này ứng với

một leptôn tích điện Các nơtrinô này có năng lượng nghỉ rất nhỏ, phản hạt của leptôn tích điện mang điện dương.

1.1.5.1.3 Mêzôn

Là các hadrôn có spin nguyên, các hạt trung bình có khối lượng trong khoảng 200÷900 lần khối lượng êlectrôn Có hai nhóm mêdôn là mêdôn π (π-, π0π+) và mêdôn K (K+, K0)

1.1.5.1.4 Bariôn

Là các hadrôn có spin bán nguyên,các hạt sơ cấp có khối lượng lớn hơn hay bằng khối lượng prôtôn (p) Như vậy, các bariôn gồm các nuclôn và các hypêrôn Điều đặc biệt là trong các quá trình biến đổi, mỗi khi mất đi một bariôn bao giờ cũng có một bariôn mới xuất hiện Ví dụ:

1.1.5.2 Phân loại dựa vào spin

Các fermion là các hạt chất cấu tạo nên thế giới vật chất

Các boson là các hạt trong truyền tương tác

1.1.6 Tương tác của các hạt sơ cấp

Các hạt sơ cấp luôn luôn biến đổi; trong các quá trình biến đổi ấy có thể kể ra: quá trình tán xạ của hạt này lên hạt khác, quá trình sinh một hạt, quá trình hủy một hạt, Nói chung giữa các hạt sơ cấp có tương tác Ngày nay người ta biết có bốn loại tương tác giữacác hạt sơ cấp:

n → p + e- + νe (phân rã β-)

π+ → μ+ + νμ

π- → μ- + νμ

1 1.6.4 Tương tác hấp dẫn

Là tương tác phổ biến giữa các vật có khối lượng

Khi khảo sát các hạt sơ cấp người ta thường bỏ qua tương tác này vì nó quá nhỏ, không dáng kể Nếu so sánh độ mạnh tương đối giữa bốn loại tương tác trên, ta có bảng sau:

Loại tương tác Mạnh Điện từ Yếu Hấp dẫn

Độ mạnh (qui ước) 1 1/137 10-14 10-39

Các tương tác đó tuy bản chất khác nhau, nhưng tuân theo một số quy luật chung, đặc biệt là các định luật bảo toàn Các qui trình tương tác đều tuân theo các định luật bảo toàn sau:

- Bảo toàn năng lượng

- Bảo toàn động lượng

- Bảo toàn mômen động lượng

- Bảo toàn điện tích

- Bảo toàn số bariôn

- Bảo toàn số leptôn êlectrôn

- Bảo toàn số leptôn mêdôn

Ngoài ra có những định luật bảo toàn chỉ đúng trong một số loại tương tác Ví dụ: trong tương tác mạnh có các định luật bảo toàn số lạ S, bảo toàn spin đồng vị I và bảo toàn hình chiếu spin đồng vị Iz ;trongtương tác các điện từ có các định luật bảo toàn số lạ

S và bảo toàn hình chiếu spin đồng vị Iz ; trong tương tác yếu có hạt lạ tham gia, số lạ và hình chiếu spin đồng vị biến đổi theo quy tắc lựa chọn :

ΔS = ±1 ΔIz = ±1/2

Ví dụ: xét các quá trình tương tác yếu có hạt lạ tham gia sau:

K+ → μ+ + νμ (ΔS = -1) ; (

1 2

z

I

∆ = +

) ;Còn các quá trình tương tác yếu trong đó chỉ có các leptôn tham gia thì đều không tuân theo hai định luật bảo toàn số lạ, bảo toàn spin đồng vị vì chúng không có số lạ và spin đồng vị Ngoài ra còn có các định luật bảo toàn khác như định luật bảo toàn chẵn lẻ v.v

Hiện nay đã phát hiện được khoảng 300 hạt sơ cấp trong đó có hàng trăm hạt mới sinh ra do tương tác mạnh Những hạt này có tính chất đặc biệt, thời gian sống cực ngắn vào cỡ thời gian hạt nhân (10-23s), khối lượng của chúng không có giá trị xác định Người

ta gọi đó là những hạt cộng hưởng

Do vậy số hạt sơ cấp phát hiện được ngày càng nhiều Chúng có thể sinh, hủy và biến đổi tương hổ Trong quá trình biến đổi, các hạt sơ cấp đều tuân theo các định luật bảo toàn tuyệt đối: năng lượng, xung lượng, điện tích Tùy theo tính chất các hạt tương tác, quá trình biến đổi hạt sơ cấp còn tuân theo một số định luật trong các định luật bảo toàn khác như định luật bảo toàn số leptôn êlectrôn, số leptôn mêdôn, số bariôn, số lạ, spin đồng vị, chẵn lẻ

1.1.7 Hạt quac (Quark)

Năm 1964, Murray Gell-Mann và George Zweig độc lập nhau chỉ ra rằng sơ đồ Bát Đạo có thể hiểu 1 cách đơn giản nếu các mêzôn và Bariôn được tạo bởi các hạt nhỏ hơn

mà Gell-Mann gọi là các hạt Quark Trước hết hãy xét 3 trong số các hạt này mà người

ta gọi là Quark up (ký hiệu là u), Quark down (ký hiệu là d) và Quark lạ (ký hiệu là s) Các hạt quark vẫn chưa quan sát được 1 cách tin cậy trong phòng thí nghiệm như các hạt tự do Các Mezôn và barion được tạo ra bằng cách tổ hợp các Quark Đối với các hạt được tạo bởi các Quark u, d và s: không có hạt đã biết nào mà các tính chất của nó lại không thể tìm hiểu được thông qua một tổ hợp thích hợp của các quark Trái lại, không

có một tổ hợp khã dĩ nào của các quark lại không tương ứng với một hạt đã quan sát được

1.1.7.1 Quark và bariôn

u

Các bariôn là tổ hợp của 3 quark, có thể cộng 3 quark (có B=+1/3) để cho B=+1 (đối với bariôn), các spin cũng rất phù hợp Với 3 spin ½ được tổ hợp lại chúng ta có thể sắp xếp để 2 spin trong số đó song song với nhau và một phản song song với 2 spin trên, điều này sẽ dẫn tới s=1/2 Nếu tất cả 3 spin đều

song song, ta có s=3/2, có 10 bariôn có giá trị spin

này

Điện tích cũng dễ làm được như thế, ví dụ:

*prôtôn có thành phần quark và uud do đó

Các mêzôn được tạo bởi một cặp

thật là spin của tất cả các mêzôn đều bằng

zêrô Cả quark và phản qurk đều có spin

bằng ½ vì vậy nếu spin của 2 hạt này định

với mêzôn

Mô hình Quark - phản quark cũng phù

hợp với sự thật là các mêzôn không là bariôn, tức là số bariôn của các mêzôn B = 0 Số bariôn đối với quark là +1/3 và đối với phản hạt quark là -1/3 vì vậy khi tổ hợp cộng lại

sẽ cho zêrô

1.2 Mặt Trời

1.2.1 Khái niệm về Mặt Trời

Mặt Trời (đôi khi còn gọi là Thái Dương) là một ngôi sao ở trung tâm của hệ MặtTrời Trong khoa học, các ngôi sao sơ cấp mà các vật thể khác quay xung quanh nó đượcgọi là mặt trời, và các ngôi sao trong một hệ nhiều sao cũng được nói đến như là các mặttrời của các thiên thể trong hệ thống đó

Mặt Trời là một ngôi sao thuộc chuỗi chính của biểu đồ Hertzsprung-Russell, vớicấp quang phổ G2, có nghĩa là nó trong một mức độ nào đó nặng và nóng hơn các ngôisao trung bình nhưng nhỏ hơn rất nhiều so với các sao xanh khổng lồ Các sao G2 là nằmtrên chuỗi chính và có tuổi thọ khoảng 10 tỷ năm (10 Ga), và Mặt Trời đã hình thànhcách đây khoảng 5 Ga (5 tỷ năm) trước theo như kết quả tính toán của ngành niên đại vũtrụ học Mặt Trời quay xung quanh tâm của Ngân Hà ở khoảng cách khoảng 25.000 đến28.000 năm ánh sáng tính từ tâm thiên hà này, nó hoàn thành một chu kỳ quay vàokhoảng 226 Ma (226 triệu năm) Vận tốc quỹ đạo là 217 km/s, có nghĩa là 1 năm ánhsáng bằng 1.400 năm và 1 đơn vị thiên văn (AU) bằng 8 ngày di chuyển của nó

Mặt Trời hoàn toàn là một khối khí Khoảng 75% (của mỗi khối khí) là hiđrô, 23%

là hêli, các khí còn lại chỉ chiếm 2% Nếu chúng ta tưởng tượng thực hiện một cuộc hành trình từ tâm Mặt Trời đi ra ngoài, qua các hành tinh, thì mật độ khí luôn luôn giảm

710K) Ở đó, nhiệt năng được tạo bởi những phản ứng hạt nhân Bức xạ rất mạnh ở tâm Từ đó, bức xạ khuyếch tán từ từ ra phía ngoài, mang năng lượng tới những vùng ít nóng hơn Ở ngoài

xa hơn nữa, năng lượng được mang tới bởi sự đối lưu hơn là bức xạ Cuối cùng, khi nhiệt

độ giảm tới 6.10

3

K, mật độ thấp đến nỗi dường như tất cả bức xạ có thể thoát ra vào vũ trụ Đó chính là lớp mà chúng ta quan sát thấy như là bề mặt của Mặt Trời - quang quyển.Khi đi ra ngoài xa hơn nữa, nhiệt độ đột ngột tăng lên tới khoảng 2.10

6

K Các khí nóng này, vành nhật hoa của Mặt Trời, có thể được nhìn thấy, ví dụ trong suốt một nhật thực toàn phần, chẳng hạn một nhật thực toàn phần xảy ra ở Việt Nam vào năm 1995 Các lớp

phía ngoài của Mặt Trời, kể cả quang quyển và vành nhật hoa được gọi là khí quyển của Mặt Trời Khi đi ra ngoài xa hơn nữa, các khí của Mặt Trời chuyển động ra xa Mặt Trời

Đó là gió Mặt Trời Nó thổi qua các hành tinh và gặp các khí giữa các sao ở cách Mặt Trời khoảng 150 đơn vị thiên văn (đ.v.t.v)

Hình 1.2.1 Mặt Trời

1.2.2 Cấu trúc của Mặt Trời

Mặt Trời giống như một cỗ máy phát nhiệt có cấu tạo phức tạp gồm nhiều lớp.Trong cùng là lõi (core) của ngôi sao Nó là một khối có mật độ rất đặc trải rộng từ tâmngôi sao ra một khoảng chiếm 25% bán kính của Mặt Trời Nhiệt độ của lõi Mặt trời làhơn 15 triệu K, nóng hơn rất nhiều so với bề mặt chỉ khoảng 6000K Phản ứng tổng hợphạt nhân giải phóng ra năng lượng chống lại lực hấp dẫn và làm ngôi sao tỏa sáng đượcthực hiện tại phần lõi này, mật độ cao và lực hấp dẫn hướng tâm từ các lớp phài ngoàilàm sinh ra phản ứng tổng hợp các proton thường được gọi là phản ứng nhiệt hạch

Phía ngoài lõi sao là vùng bức xạ (radiative zone) - khu vực chiếm thể tích lớn nhất,

nó trải dài từ biên giới của lõi ra đến 70% bán kính Mặt Trời (tính từ tâm) Vùng này cómật độ thấp hơn nhiều so với lõi, nhưng đủ đặc để truyền các bức xạ sinh ra từ các phảnứng nhiệt hạch và làm chúng nguội đi đáng kể trước khi ra ngoài Nhiệt độ của vùng bức

xạ này giảm nhanh từ trong ra ngoài, từ 7 triệu giảm xuống 2 triệu K

Vùng đối lưu (convective zone) nằm kế tiếp vùng bức xạ và trải rộng ra cho tới sát

bề mặt của Mặt Trời Tại đây nhiệt độ và mật độ đều thấp hơn nhiều so với vùng bức xạ,cho phép tạo nên các dòng đối lưu vận chuyển nhiệt và bức xạ ra bề mặt của Mặt Trời.Các dòng đối lưu mang các nguyên tử khí nóng lên bề mặt và làm chúng nguội dần, khilên tới nơi và đã nguội xuống nhiệt độ chỉ còn gần 6000K chúng lại chìm xuống dướitheo dòng chuyển dịch và lại được làm nóng khi tới gần vùng bức xạ

Bề mặt của Mặt Trời là lớp khí mà từ đó ánh sáng tới chúng ta, lớp mà chúng ta có thể chụp ảnh được Lớp này được gọi là quang quyển (photosphere), hiện ra những nét sắc cạnh của Mặt Trời vì độ dày của nó khoảng 3.10

2

km, là nhỏ so với những chi tiết nhỏnhất mà chúng ta có thể nhận ra (thậm chí với các kính thiên văn) khi chúng ta nhìn vào Mặt Trời qua khí quyển Trái Đất Bán kính Mặt Trời được xác định như là khoảng cách của quang quyển tính từ tâm Mặt Trời, R = 7.10

5

km Màu sắc và cường độ của ánh sáng Mặt Trời (được xác định tương ứng theo định luật dịch chuyển Wien và định luật Stefan-Boltzman) đều cho nhiệt độ bề mặt vào khoảng 5,8.10

3

K

Ngay phía trên quang cầu là lớp khí quyển thấp nhất bao quanh bề mặt Mặt Trời,dày khoảng 500km với nhiệt độ chỉ khoảng hơn 4000K Đây là vùng nguội nhất MặtTrời Lớp ngay phía ngoài của nó là một lớp khí nóng dày gọi là sắc cầu (chromosphere)dày khoảng 2000km Lớp này có sự chuyển dịch không ngừng giống như sự dịch chuyểnkhí quyển trên bề mặt Trái Đất, vì thế nhiệt độ của nó có sự dao động, có thể lên tới20.000K, tức là nóng hơn quang cầu rất nhiều, các nhà khoa học cho rằng đó là kết quảcủa sự ion hóa do nhận bức xạ thoát ra từ bề mặt

Phía trên sắc cầu là lớp cuối cùng của Mặt Trời, gọi là nhật hoa (corona), hay gọicách khác là hào quang của Mặt Trời Nó ngăn cách với sắc cầu bởi một lớp trung gianmỏng nơi khí bị ion hóa mạnh và nhiệt độ tăng lên rất cao Nhiệt độ của nhật hoa có thể

lên hơn 1 triệu K Tuy nhiên nhật hoa phát ra bức xạ ở dải sóng biểu kiến khá yếu so vớiquang cầu nên thường không được quan sát thấy bằng mắt thường từ Trái Đất Người tachỉ thường nhận thấy sự có mặt của nhật hoa khi xảy ra nhật thực toàn phần do khi đóphần sáng nhất của Mặt Trời là quang cầu đã bị che khuất Nhật hoa cũng là nơi phát sinh

ra gió Mặt Trời ném các hạt mạng điện vào không gian

Toàn bộ vùng bị ảnh hưởng của gió Mặt Trời trải dài ra 50AU (quĩ đạo Sao HảiVương chỉ có 30AU) được gọi là nhật quyển (heliosphere)

Hình 1.2.2 Cấu trúc của mặt trời

Khí quyển của Mặt Trời được chia ra làm hai lớp có tính chất Vật lý khác nhau là sắc cầu và nhật hoa Sắc cầu là lớp khí nằm sát mặt quang cầu có độ dạy là 10 000km và

có nhiệt độ khoảng 4500K Phía ngoài sắc cầu là Nhật hoa có mật độ hạt khoảng 1011hạt/m³ và quang quyển có mật độ hạt khoảng 1023 hạt/m³

Thỉnh thoảng, bề mặt Mặt Trời bùng sáng trong vài phút, có khi trong một giờ Nếutia X của Mặt Trời được đo ở thời điểm của một chớp lửa, chúng ta thấy rằng các khítrong chớp lửa được nung nóng tới khoảng 2.10

7

K, nghĩa là 10 lần nhiệt độ bình thườngcủa nhật hoa

1.2.3 Năng lượng của Mặt Trời

Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời,cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ ngôi saonày Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên MặtTrời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa Năng lượng bức xạ điện từ của Mặt Trờitập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy Mỗi giây trôi qua, Mặt Trời giải phóng ra khônggian xung quanh 3,827×1026 Joule

Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được xem

là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất Hằng số năng lượng mặt trời được tính bằngcông suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vịdiện tích bề mặt Trái Đất; nóbằng khoảng 1360W/m2 Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển TráiĐất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần 1000 W/m² năng lượng MặtTrời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng Năng lượng này có thể dùng vào cácquá trình tự nhiên hay nhân tạo

1.2.4 Sự hoạt động của Mặt Trời

Một trong các hiện tượng gây ảnh hưởng mạnh nhất lên Trái Đất của Mặt Trời là từtrường sinh ra bởi các vết đen (sunspot), các vệt nhỏ màu đen mà đôi khi ta có thể quansát được trực tiếp bằng mắt thường khi nhìn lên Mặt Trời

Hình 1.2.4 Hình ảnh so sánh kích thước của một vết đen trên Mặt Trời với Trái Đất

Người đầu tiên quan sát các vết đen này là Galileo Galilei, ông đã hi sinh đôi mắtcủa mình để quan sát các vết đen này bằng một kính thiên văn 30x (chiếc kính thiên vănđầu tiên của loài người) Các quan sát của Galilei cho thấy các vết đen Mặt Trời xuất hiện

và tồn tại khá lâu trên Mặt Trời, chúng chuyển động từ từ trên bề mặt này và dần biếnmất sau khi bị che khuất Từ đó ông đi đến kết luận rằng các vết đen này cũng là mộtphần của Mặt Trời và chuyển động quay cùng với thiên thể, và việc quan sát các vết đenMặt Trời cho phép Galilei tự rút ra kết luận rằng Mặt Trời có chu kì tự quay khoảng 28ngày

Vết đen là hiện tượng xảy ra trên quang cầu của Mặt Trời Chúng có nhiệt độkhoảng 4800 đến 5000K, mặc dù đó là một nhiệt độ cao nhưng do sự chênh lệch vớinhiệt độ trung bình trên quang cầu (hơn 6000K) nên xuất hiện sự tương phản làm chochúng giống như những mảng tối trên bề mặt Mặt Trời Các vết đen có đường kính từ vàinghìn tới hơn 100.000km và có thể tồn tại trên 2 tháng, tức là đủ thời gian để chúngchuyển động trên bề mặt Mặt Trời, biến mất và lại xuất hiện 2 tuần sau đó

Sự chênh lệch về nhiệt độ ở nơi xuất hiện các vết đen gây ra sự chênh lệch áp suấtđáng kể trong khí quyển Mặt Trời, nó là nguyên nhân chính gây ra các quầng lửa (hay tailửa/solar flare) và các vụ phun trào nhật hoa (coronal mass ejection/CME).

Nhật hoa của Mặt Trời là nguồn của các dòng hạt mang điện gọi là gió Mặt Trời(solar wind) Nhờ có từ trường rất dày, Trái Đất của chúng ta không bị dòng hạt này bắnphá trực tiếp, chúng theo các đường sức từ để đi vào địa cực của Trái Đất và đôi khi tạo

ra một cảnh tượng rất đẹp gọi là cực quang (aurora) Tuy vậy các vụ phun trào nhật hoahay các quầng lửa lớn là những vụ bùng phát rất dữ dội, chúng ném vào không gianlượng hạt mang điện lớn hơn thông thường rất nhiều lần gây ra những "cơn bão" (chứkhông còn là gió) gồm toàn những hạt mang điện Dòng hạt cường độ cao này đủ sứcxuyên qua lớp từ trường bảo vệ của Trái Đất, đưa một lượng hạt mang điện không nhỏvào trong khí quyển của hành tinh chúng ta Đó là khi chúng ta biết rằng có các đợt bão

từ, gây ảnh hưởng lên hệ thống thông tin liên lạc, mạng lưới điện, thậm chí các trận bãomạnh có thể gây ảnh hưởng nhất định tới hoạt động của hệ thần kinh con người và độngvật

1.3 Hệ Mặt Trời

1.3.1 Định nghĩa

Hệ Mặt Trời (cũng được gọi là Thái Dương Hệ) là một hệ hành tinh có Mặt Trời ởtrung tâm và các thiên thể nằm trong phạm vi lực hấp dẫn của Mặt Trời, gồm 8 hành tinhchính quay xung quanh, 7 trong số các hành tinh này có vệ tinh riêng của chúng, cùngmột lượng lớn các vật thể khác gồm các hành tinh lùn (như Diêm Vương Tinh), tiểu hànhtinh, sao chổi, bụi và plasma

Từ trong ra ngoài, Hệ Mặt Trời gồm:

- Mặt Trời ở trung tâm của hệ (và là thiên thể duy nhất nóng sáng);

- Tám hành tinh lớn: Thủy tinh, Kim Tinh, Trái Đất, Hỏa tinh, Mộc tinh, Thổtinh, Thiên Vương tinh, Hải Vương tinh;

- Ba hành tinh lùn là Ceres, Diêm Vương Tinh và Eris (được chính thức xếp loạihành tinh lùn kể từ tháng 8 năm 2006)

- Tiểu hành tinh, sao chổi, thiên thạch

- Ngoài cùng là Vòng đai Kuiper và Đám Oort

đ.v.t.v) Thành phần chủ yếu của khí đó là hiđrô và hêli, nhưng có trộn lẫn khoảng 2% theo trọng lượng các nguyên tố khác, trong đó một số ở dạng các hạt bụi và băng Do một số nguyên nhân chưa được biết, đám mây trở nên đủ đậm đặc để có lực hấp dẫn đủ mạnh để nó bắt đầu co lại dưới tác dụng của lực hấp dẫn Những phần ở bên trong cùng của đám mây co thành quả cầu khí và sau vài triệu năm đã trở thành Mặt Trời Phần ngoài của đám mây cũng co lại nhưng không phải chỉ do lực hấp dẫn Lúc đầu, khí bên ngoài quay rất chậm, nhưng khi nó co lại, nó bắt đầu quay nhanh hơn (bảo toàn mô-men xung lượng) Khi khí quay đủ nhanh, lực li tâm cân bằng với lực hấp dẫn

Sự co dừng lại Toàn bộ khí dồn lại trong một đĩa bao quanh Mặt Trời tương lai Từng mẫu khí quay quanh Mặt Trời tuân theo gần đúng định luật 3 Keple Các hành tinh hình thành từ khí này

Khí chứa các hạt bụi và hạt băng Thoạt đầu các hạt có kích thước vi mô Thời gian trôi qua, thỉnh thoảng các hạt va chạm vào nhau và dần dần chúng kết thành những hòn

đá được trộn lẫn với băng rồi chúng tiếp tục kết dính thành những tảng đá lớn hơn Khi những tảng đá đủ lớn, lực hấp dẫn của chúng hút tiếp các hạt bụi và các hòn đá Dần dần, những thiên thể có kích thước cỡ hành tinh hình thành Vì đại bộ phận các tảng đá đều rơivào các thiên thể cỡ hành tinh với tốc độ lớn, giải phóng nhiều nhiệt năng, nên các thiên thể cỡ hành tinh nóng lên và nhiều phần của chúng nóng chảy Nhiệt cho phép các

nguyên tố nặng hơn, đặc biệt là sắt (Fe) dồn về gần tâm của các thiên thể kiểu hành tinh Nhiệt cũng làm băng bốc hơi và thoát khỏi thiên thể Sau một thời gian, khi không còn các tảng đá rời vào các thiên thể nữa, phần ngoài của các thiên thể có kích thước hành tinh này nguội và rắn lại Các hành tinh kiểu Trái Đất đã hình thành như vậy Trái Đất hiện vẫn còn có một nhân được tạo chủ yếu bởi sắt nóng chảy

Cuối cùng, khi Mặt Trời trở nên nóng và phát sáng, toàn bộ các khí, bụi, hạt băng còn lại đều bị thổi ra khỏi hệ Mặt Trời và hệ Mặt Trời trở thành có dạng đại thể như đượcbiết ngày nay

1.3.3 Một số hành tinh trong hệ Mặt Trời

1.3.3.1 Đặc điểm chung của các hành tinh

Hầu hết đều có vệ tinh (trừ Thủy Tinh và Kim Tinh)

Hầu hết đều có khí quyển Bốn hành tinh lớn có vành đai khí quyển bao quanh.Quay quanh Mặt Trời theo quỹ đạo hình elip ngược chiều kim đồng hồ và hầunhư trên cùng mặt phẳng, tuân theo 3 định luật Kepler

Tự quay quanh mình theo một trục tưởng tượng đi qua tâm của nó, hầu hết theocùng chiều quay quanh Mặt Trời (trừ Kim Tinh và Thiên Vương Tinh) Trục tự quay cóthể nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo quanh Mặt Trời.

Là những thiên thể không tự phát sáng, nó chỉ bức xạ sóng hồng ngoại và vôtuyến Quang phổ là quang phổ Mặt Trời

Hình 1.3.3.1.1 Các hành tinh trong hệ mặt trời

* Nhóm các hành tinh bé:

+ Có kích thước nhỏ;

+ Khối lượng riêng lớn;

+ Ở các quỹ đạo phía trong;

+ Được cấu tạo chủ yếu từ các nguyên tố nặng như sắt, silicat, magie…

+ Được gọi là các hành tinh đất đá

Nhóm hành tinh bé Nhóm hành tinh lớn

Hình 1.3.3.1.2 Nhóm hành tinh bé

* Nhóm các hành tinh lớn:

+ Có kích thước lớn;

+ Khối lượng riêng nhỏ;

+ Ở các quỹ đạo phía ngoài;

+ Được cấu tạo chủ yếu từ các khí như hydro, heli, cacbonic,…+ Được gọi là các hành tinh khí khổng lồ

Hình 1.3.3.1.3 Nhóm hành tinh lớn

1.3.3.2 Một số hành tinh trong hệ Mặt Trời

1.3.3.2.1 Thủy Tinh (Mercury)

Thủy tinh là hành tinh nhỏ nhất và gần Mặt Trời nhất trong tám hành tinh thuộc HệMặt Trời Thủy tinh chỉ cách Mặt Trời có 58 triệu km Thủy tinh là hành tinh màu vàngnhạt có kích thước chỉ bằng một nửa Trái Đất và hơi lớn hơn Mặt Trăng một chút, vớiđường kính là 4878 km so với đường kính 3476 km của Mặt Trăng, khối lượng là330×1021kg = 0,055 khối lượng Trái Đất, khối lượng riêng là 5427 kg/m³ = 0,984 khốilượng riêng của Trái Đất Do ở gần Mặt Trời nên nhiệt độ trên bề mặt Thủy tinh ở phíađối diện Mặt Trời ("ngày" trên sao Thủy) lên đến 700 K (427°C; 800°F), trong khi ở bênphía khuất ánh nắng Mặt Trời,"đêm" nhiệt độ hạ xuống dưới 100 K (−173°C; −280°F).Tốc độ tự quay quanh trục của Thủy tinh rất chậm Một "ngày đêm" trên Thủy tinh dàigấp 176 lần ngày đêm trên Trái Đất

Trục quay của Thủy tinh chỉ nghiêng có 2 độ trên mặt phẳng quỹ đạo quay quanh Mặt Trời Tuy tốc độ tự quay rất chậm, Thủy tinh lại quay quanh Mặt Trời với tốc độ chóng mặt: 180000 km/h, quay hết một vòng tương đương với 88 ngày đêm trên Trái Đất Nếu giả dụ như con người có thể sống được trên Thủy tinh, thì thấy Tết đến nhiều lần hơn thấy Mặt Trời mọc lúc sáng sớm, vì một "ngày đêm" trên Thủy tinh dài hơn là một "năm"

Trên Thủy tinh hầu như không có khí quyển nên dù là ban ngày, bầu trời vẫn một màu đen Thật ra khí quyển Thủy tinh rất mỏng (chỉ bằng 1/3 triệu khí quyển Trái Đất) vàrất loãng, gồm các khí Oxi (56%), Natri (35%), Hêli (8%), Kali và Hiđrô (1%) Do không

có lớp không khí bao bọc ngăn chặn bớt cái nóng ban ngày và giữ nhiệt vào ban đêm, Thủy tinh là hành tinh có chênh lệch nhiệt độ ngày và đêm cao chất trong hệ Mặt Trời Các nhà khoa học đã xếp Thủy tinh và Mặt Trăng vào loại các thiên thể chết còn hoạt động địa chất từ hơn 3 tỉ năm nay

a) b)

Hình 1.3.3.2.1.1 Thủy tinh

a) Ảnh chụp Thủy tinh b) Minh họa cấu trúc bên trong Kim tinh

1 Vỏ dày 100–200 km

2 Lõi dày 600 km

3 Nhân bán kính 1.800 km

1.3.3.2.2 Kim tinh (Venus)

Kim tinh là hành tinh thứ hai từ Mặt Trời, quay quanh nó với chu kỳ 224,7ngày Trái Đất Kim tinh là hành tinh phía trong tính từ Trái Đất, nó không bao giờ xuấthiện trên bầu trời mà quá xa Mặt Trời: góc ly giác đạt cực đại bằng 47,8° Kim tinh đạt

độ sáng lớn nhất ngay sát thời điểm hoàng hôn hoặc bình minh, do vậy mà dân gian còngọi là sao Hôm, khi hành tinh này mọc lên lúc hoàng hôn, và sao Mai, khi hành tinh nàymọc lên lúc bình minh

Địa mạo trên bề mặt hành tinh khác xa so với địa hình trên Trái Đất, do hành tinh cómột bầu khí quyển cacbon điôxít rất dày Kim tinh có khí quyển rất dày, chứa chủyếu CO2 và lượng nhỏ N2 Khối lượng khí quyển của hành tinh này lớn gấp 93 lần so vớikhối lượng khí quyển của Trái Đất, trong khi áp suất bề mặt là 92 bar (9,2 MPa) cao gấp

92 lần so với của Trái Đất - áp suất này tương đương với độ sâu gần bằng 1 kilômét tính

từ bề mặt đại dương trên Trái Đất Khối lượng riêng/mật độ của không khí tại nơi gần bềmặt bằng 65kg/m³ (bằng 6,5% của nước) Khí quyển giàu CO2, cùng với đám mâydày SO2, tạo ra hiệu ứng nhà kính mạnh nhất trong các hành tinh trong Hệ Mặt Trời, với

nhiệt độ tại bề mặt ít nhất bằng 462°C Điều này khiến cho bề mặt của Kim tinh nóng hơn

so với của Thủy tinh, với nhiệt độ bề mặt cực tiểu −220 °C và cực đại bằng 420°C

Quỹ đạo Kim tinh quanh Mặt Trời có khoảng cách trung bình bằng0,72 AU (108.000.000 km; 67.000.000 mi), và hoàn thành một chu kỳ quỹ đạo khoảng224,65 ngày Mọi hành tinh trong Hệ Mặt Trời quay trên quỹ đạo theo chiều ngược chiềukim đồng hồ khi nhìn từ trên cực bắc của Mặt Trời Hầu hết các hành tinh có chiều tựquay quanh trục của nó theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, nhưng Kim tinh lại quayquanh trục cùng chiều kim đồng hồ (gọi là sự quay nghịch hành) với khoảng thời gian

243 ngày

1.3.3.2.3 Trái Đất (Earth)

Trái Đất là hành tinh thứ 3 của hệ Mặt Trời, với kích thước vừa phải (đường kính

12750 km) Nhìn từ vũ trụ, Trái Đất hiện ra như một hành tinh xanh: màu xanh biển của các đại dương, màu trắng pha lơ của các đám mây bao bọc bên ngoài và màu xanh lá cây chen lẫn màu nâu của các lục địa lúc ẩn lúc hiện bên dưới màn mây Trái Đất là hành tinhđộc đáo duy nhất trong hệ Mặt Trời

Điểm thứ nhất cần nói đến là khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời là 149,6 triệu

km Đó là khoảng cách đủ để nước có thể tồn tại được ở thể lỏng, rất cần cho sự sống Khoảng cách này cũng là khoảng cách để nhiệt đến từ Mặt Trời ở mức độ thuận lợi cho các phản ứng hóa học tạo nên các hợp chất hữu cơ

Điều thứ hai cần nói đến là khối lượng vừa phải của Trái Đất đủ để giữ lại một bầu khí quyển không quá đậm đặc như ở sao Kim nhưng cũng không quá loãng đến mức không giữ được nhiệt như ở sao Hỏa hay ở Mặt Trăng Trong suốt quá trình phát triển, bầu khí quyển Trái Đất luôn biến đổi chậm chạp, giảm dần lượng khí CO2, tăng dần lượng khí O2 Đầu tiên khí cacbonic, hơi nước và nitơ thoát ra từ các miệng núi lửa được giữ lại trong khí quyển Sau đó, các đại dương được hình thành từ sự nguội lạnh và ngưng kết của hơi nước trong khí quyển rơi xuống Khi có đại dương, nước hấp thụ bớt

khí CO2 trong khí quyển Đến khi các sinh vật xuất hiện ở biển, trong đó có loài tảo lục, thì sự hấp thụ CO2 và thải O2 vào không khí ngày càng gia tăng Ngày nay, khí quyển chứa 78% nitơ, 21% oxi và 1% còn lại là cacbonic, acgông, mêtan, hơi nước, các khí khác Từ những sinh vật đầu tiên cho đến nay, quá trình oxi hóa bầu khí quyển Trái Đất

đã diễn ra gần 3 tỉ năm Mặc dù có một tỉ lệ rất thấp ở lớp không khí đậm đặc sát mặt đất,hơi nước (khoảng 0,5 – 5%), CO2 (0,03%), khí mêtan và ôzôn (vài phần triệu) lại có vai trò hết sức quan trọng đối với sự sống Khí CO2 và hơi nước hấp thụ năng lượng Mặt Trời, giữ lại các tia hồng ngoại, gây ra " hiệu ứng nhà kính" điều hòa nhiệt độ trên Trái Đất Còn ôzôn, với nồng độ cao cách mặt đất 80 km, có vai trò hấp thụ các tia cực tím nguy hiểm với sự sống, không cho xuống đến mặt đất Khí quyển còn như một cỗ máy thiên nhiên sử dụng năng lượng Mặt Trời phân phối và điều hòa nước trên khắp hành tinhdưới hình thức mây và mưa, điều hòa lượng CO2 và O2 trên Trái Đất

Bầu khí quyển của Trái Đất có chiều dày vào khoảng hơn 800 km gồm nhiều tầng

Từ mặt đất lên đến độ cao 20 km là tầng đối lưu có không khí đậm đặc nhất, là nơi diễn

ra mọi hiện tượng khí tượng (mây, mưa, gió, bão, sấm sét…), có nhiệt độ giảm dần theo

độ cao Từ độ cao 20 – 50 km là tầng bình lưu có nhiệt độ tăng dần từ -60 độ C đến 0 độ

C, là nơi các luồng không khí chuyển động theo chiều ngang với tốc đô cao và có lớp ôzôn ở trên cùng Tầng giữa nằm từ 50 – 80 km, là nơi các thiên thạch nhỏ va vào Trái Đất, cọ xát vào không khí và bị bốc cháy tan thành sao băng Tầng nhiệt ở độ cao 80 –

450 km, có không khí rất loãng tồn tại dưới dạng các ion mang điện nên còn gọi là tầng điện li, là nơi phản hồi các sóng vô tuyến trở lại mặt đất và cũng có một lớp ôzôn ngăn chăn các tia cực tím ở trên cao Đây cũng là nơi diễn ra hiên tượng cực quang, sóng điện

từ tạo ra hiên tượng "bình minh lúc nửa đêm", hai hiên tượng này chỉ thấy được ở vùng gần cực Trên cùng là tầng ngoài nằm từ 450 km đến khoảng 800 km, không khí loãng dần và hòa vào không gian giữa các hành tinh

Ngoài ba đặc điểm: có nhiệt độ thích hợp với sự sống, có một bầu khí quyển giàu oxi và có một lớp nước bao phủ 70% diện tích, Trái Đất còn là một hành tinh có đủ mọi hình thức tồn tại của sự sống

Trái Đất tự quay quanh trục mất 24 giờ (một ngày đêm) và quay quanh Mặt Trời một vòng mất 365 ngày 6 giờ (một năm) với tốc độ 29,8 km/s Khi quay trục Trái Đất nghiêng với mặt phẳng Hoàng đạo 23 độ 24 phút và luôn nghiêng về một phía, đã tạo hiện tượng các mùa khí hậu Với hình dạng khối cầu, khi quay Trái Đất đã tạo ra sự phân

bố nhiệt độ không đều trên bề mặt từ Xích Đạo về phía hai cực, gây nên sự chênh lệch vềkhí áp, tạo ra hệ thống các loại gió điều hòa nhiệt độ trên Trái Đất

Với tốc độ quay nhanh và với cái nhân chứa sắt và niken, Trái Đất đã tạo quanh mình một từ trường cực mạnh mà không một hành tinh nào trong hệ Mặt Trời có được Địa từ trường bao phủ không gian quanh Trái Đất, ngăn chặn mọi tia vũ trụ có hại cho sự sống, không cho lọt xuống bề mặt Trái Đất

Trên bề mặt Mặt Trăng không có nước và cũng không có gió vì không có lớp khôngkhí bao bọc chung quanh.

Do kích thước nhỏ hơn, trọng lực trên Mặt Trăng chỉ bằng 1/6 trọng lực trên Trái Đất Một nhà du hành lên Mặt Trăng sẽ có trọng lượng chỉ bằng 1/6 trên Trái Đất và có thể nhảy xa, nhảy cao gấp 6 lần Trái Đất

Sức hút của Trái Đất có ảnh hưởng rất lớn đến Mặt Trăng, làm chậm tốc độ tự quay

và quay quanh Trái Đất của Mặt Trăng (chỉ còn 1 km/s) Mặt Trăng quay quanh trục 24 ngày 8 giờ, bằng thời gian nó quay quanh Trái Đất Người ta gọi thời gian này là một tháng vũ trụ

Nhìn từ Trái Đất ta chỉ thấy được phần Mặt Trăng được Mặt Trời chiếu sáng, vì vậy, trong một chu kì quay quanh Trái Đất, ta thấy hình như hình dạng Mặt Trăng thay đổi; lúc là trăng lưỡi liềm, lúc trăng thượng huyền, lúc trăng tròn và lúc không thấy trăng

Từ đêm không trăng lần này đến đêm không trăng lần sau gọi là một tuần trăng Một tuầntrăng có 29,5 ngày và ta còn gọi là tháng âm lịch.Vì thế, tháng âm lịch có tháng thiếu (29 ngày) và tháng đủ (30 ngày) Tại sao Mặt Trăng quay một vòng quanh Trái Đất chỉ mất

có 27 ngày 8 giờ mà một tuần trăng lại tới 29,5 ngày? Đó là do trong khi Mặt Trăng quayquanh Trái Đất thì Trái Đất lại quay quanh Mặt Trời nên khi Mặt Trăng quay được đúng một vòng,Mặt Trăng không nằm ở vị trí giữa Trái Đất và Mặt Trời (vị trí ngày không trăng) nữa do Trái Đất đã dịch chuyển sang vị trí khác Muốn ở đúng vị trí đó, Mặt Trăngphải quay hơn một vòng, tức là phải quay thêm 2 ngày nữa, tất cả mát 29,5 ngày Các nhàthiên văn học gọi đó là tháng giao hôi, còn tháng vũ trụ là thời gian quay đúng một vòng của Mặt Trăng

Trong vị trí của ngày không trăng, Mặt Trăng nằm giữa Trái Đất và Mặt Trời, nó cóthể che khuất làm Mặt Trời không chiếu được trên Trái Đất: ta có nhật thực Ngược lại ở

vị trí trăng tròn, Mặt Trăng nằm sau Mặt Trời và Trái Đất, đến lượ Trái Đất có thể che khuất Mặt Trời và in bóng của mình lên Mặt Trăng; ta có nguyệt thực Nhưng vì quỹ đạo quay của Mặt Trăng không nằm trên cùng một mặt phẳng quỹ đạo quay của Trái Đất nên không phải tháng nào cũng có nhật thực, nguyệt thực Nếu ta nhìn thấy Mặt Trời hay Mặt

Trăng bị che lấp hoàn toàn, lúc đó bầu trời sẽ tối sầm lại: ta gọi đó là nhật thực toàn phần hay nguyện thực toàn phần Nếu thấy Mặt Trời hay Mặt Trăng chỉ bị che khuất một phần,nhiều hay ít: ta gọi đó là nhật thực bán phần hay nguyệt thực bán phần.

Không chỉ có Mặt Trăng chịu sức hút của Trái Đất, ngược lại Trái Đất chịu tác độngcủa sức hút Mặt Trăng lên lớp nước đại dương bao quanh Trái Đất, làm lớp nước này phồng lên về phía Mặt Trăng, gây ra hiện tượng thủy triều, nước lớn, ước ròng ở các vùng ven biển Thủy triều còn chịu tác động của sức hút Mặt Trời, tuy yếu hơn của Mặt Trăng vì ở xa nên ở vị trí giao hội (lúc Mặt Trời, Mặt Trăng ở cùng một phía) thì lúc đó trên Trái Đất xảy ra triều cường, còn nếu nằm ở vị trí vuông góc với Trái Đất thì xảy ra triều kiệt

Hình 1.3.3.2.3 Mặt Trăng

a) Hình chụp Mặt Trăng

b) Hình giản đồ cấu trúc bên trong của Mặt Trăng

1.3.3.2.4 Hỏa tinh (Mars)

Hỏa tinh là hành tinh thứ tư tính từ Mặt Trời trong Thái Dương Hệ Khoảng cáchtrung bình từ tinh đến Mặt Trời vào khoảng 230 triệu km Đôi khi hành tinh này cònđược gọi tên là Tinh tinh Nó thường được gọi với tên khác là "Hành tinh Đỏ", do sắtôxít có mặt rất nhiều trên bề mặt hành tinh làm cho bề mặt nó hiện lên với màu đỏ đặc

trưng Là hành tinh ở gần Trái Đất nhất Hỏa tinh có hai vệ tinh, Phobos và Deimos,chúng là các vệ tinh nhỏ và dị hình Đây có thể là các tiểu hành tinh bị Hỏa tinh bắt được.Hỏa tinh đường kính 6792 km = 0,532 đường kính Trái Đất, khối lượng:641,8×1021kg = 0,107 khối lượng Trái Đất và khối lượng riêng: 3933 kg/m³ = 0,713 khốilượng riêng Trái Đất Tuy nhỏ hơn Trái Đất nhưng có nhiều điểm giống với Trái Đất:Hỏa tinh tự quay quanh trục mất 24 giờ 37 phút và 35,244 giây trục quay của Hỏa tinh có

độ nghiêng là 25,19 độ gần bằng độ nghiêng của trục Trái Đất Vì thế ngày trên Sao Hỏadài hơn ngày trên Trái Đất 37 phút và trên Hỏa tinh cũng có các mùa, có các chỏm băng

ở 2 cực, có các lòng sông chết Hỏa tinh quay quanh Mặt Trời một vòng mất 687 ngàynên một năm trên Sao Hỏa gần gấp đôi năm trên Trái Đất, các mùa trên Hỏa tinh cũngdài hơn mùa trên Trái Đất Nhiệt độ bề mặt Hỏa tinh lạnh hơn Trái Đất rất nhiều Ngay cảgiữa trưa hè nắng chang chang, trên Hỏa tinh nhiệt độ đo được cũng là –5 độ C, còn banđêm xuống đến –86 độ C, nhưng không bao giờ lên đến 0 độ C Vào mùa đông, các chỏmbăng ở hai cực mở rộng dần ra về phía Xích Đạo, còn mùa hè chúng thu hẹp lại Điềuđáng lưu ý là chỏm năng ở cực Nam lớn hơn ở cực Bắc cho thấy màu đông ở bán cầuNam trên Sao Hỏa lạnh hơn ở bán cầu Bắc

Bầu không khí củ Hoả tinh hết sức loãng đến mức dù cho bão có thổi mạnh đến mấy cũng chỉ đủ sức làm bốc lên những hạt bụi mịn mà thôi Áp suất khí quyển tại bề mặt thay đổi từ 30 Pa (0,030 kPa) ở ngọn Olympus Mons tới 1.155 Pa (1,155 kPa) ở lòngchảo Hellas Planitia, và áp suất trung bình bằng 600 Pa (0,600 kPa) Không khí ở đây chứa tới 95% CO2, 2,7% N2, 1,6% acgông và 0,76% oxi, CO, hơi nước Bầu khí quyển Hỏa tinh gồm 3 tầng: trên cùng là các đám mây mỏng và tuyết cacbonic đông đặc, tầng giữa là hơi nước đóng băng và sát mặt đất là tầng bụi mịn chứa nhiều chất sắt Hơi nước chỉ tìm thấy ở các lớp mây hoặc sương mù trong các thung lũng hay ở sát mặt đất