FRA UNIVERSET TIL DIG VIND OG VEJR JORDEN UNDER DIG FRA DIG TIL ATOMERNE CAFE KOSMOS: SORTE HULLER OG MØRKT STOF. Hvorfor er Jordens indre glødende?

Transkript

1 KAPITEL 2 Himmel

2 og jord FRA UNIVERSET TIL DIG VIND OG VEJR JORDEN UNDER DIG FRA DIG TIL ATOMERNE CAFE KOSMOS: SORTE HULLER OG MØRKT STOF Vores hverdag beskrives med længder fra millimeter til kilometer, med tider fra sekunder til år og med masser fra gram til ton. Men uden for Jorden og inde i dig findes størrelser, der ikke kan måles og forstås ud fra det, vi er vant til i det daglige. Ser vi ind i atomernes verden, finder vi masser, som i kilogram er så små, at der er 30 nuller efter kommaet. Og ser vi ud i Universet er der afstande, som skrevet i meter har 25 cifre. Lyset fra galaksen på billedet har været mere end sekunder om at nå ned til os. Hvad er Big Bang? Hvorfor er Jordens indre glødende? Hvor langt er der til Solen? Hvorfor føles det koldere om vinteren, når det blæser? Hvad er en gejser? Hvorfor drejer luften rundt om et sted med lavtryk? Hvad er kontinentaldrift? 29

3 Fra Universet til dig Når man om natten kigger op mod himlen uden at bruge kikkert, kan man se mere end tusind stjerner. Det er dog kun en meget lille del af Universets mange stjerner, for der findes milliarder af galakser, dvs. store samlinger af stjerner, hver med milliarder af stjerner. Og omkring mange af disse stjerner kredser planeter, nogle måske som vores Jord. Guldet i øreringene er skabt i de få sekunder for mange milliarder år siden, da en stjerne faldt sammen i en supernovaeksplosion. Big Bang på fjernsynsskærmen Undertiden kan man på tv-skærmen se en masse tilfældigt blinkende pletter. De kommer, når fjernsynet er indstillet på en kanal, som ikke sender. Mange af pletterne er rester af lys fra dengang, Universet kun var år gammelt. På det tidspunkt havde Universet udvidet sig så meget, at der var plads mellem atomerne til, at lys kunne bevæge sig. Universet blev gennemsigtigt. Dette gamle lys har i dag en farve, der ikke kan ses med øjnene. Lyset har nu samme bølgelængde som fjernsynssignaler. Det er ved at se på Universet med instrumenter, der kan måle disse bølgelængder, at astronomerne har bestemt den tid, der er gået siden Big Bang. Det hele begynder Undersøger man lyset fra fjerne galakser, viser det sig, at de alle bevæger sig væk fra os. Det kan man se på lyset, der ændrer bølgelængde, dvs. farve, når galaksen bevæger sig. Det kaldes dopplereffekten. Det er den effekt, som får lyden fra en ambulance, der kører forbi, til at ændre frekvens, dvs. tone. Men når alt bevæger sig væk fra os, må det tidligere have ligget tættere sammen. Astronomerne er i dag enige om, at Universet opstod for 13,7 milliarder år siden. Denne skabelse har fået navnet Big Bang. Fra et mikroskopisk lille univers er der siden sket en fortsat udvidelse. Alt det, der i dag er galakser, stjerner og planeter, stammer fra den energi, som på en eller anden måde blev udløst ved Big Bang. Hvor kommer atomerne fra? Få sekunder efter Big Bang, blev de første atomkerner dannet. Og efter bare 10 minutter var dannelsen af atomkerner slut. Der fandtes næsten kun hydrogen- og heliumkerner, der er de to første grundstoffer i det periodiske system. Der gik nu omkring 400 millioner år, inden de første stjerner blev dannet som klumper af hydrogen og helium. Når disse klumper blev tilstrækkelig store, steg temperaturen i midten så meget, at to atomkerner, der ramte hinanden, kunne smelte sammen og blive til en større kerne. Der blev på den måde dannet kerner af grundstoffer med et højere nummer i det periodiske system. Gennem mange millioner år blev der nu dannet tungere kerner i stjernernes indre. Ved denne dannelse udvikledes energi, som fik stjernerne til at lyse. Når en stor stjerne, en sol, bliver gammel og har brugt sin energi, kan den falde sammen. I løbet af få sekunder skrum- 30

4 per stjernen til måske en tusindedel af sin oprindelige størrelse. Efter denne sammentrækning følger en voldsom eksplosion. På kort tid udsendes samme mængde energi, som stjernen har udsendt i hele sit foregående liv på måske en milliard år. Den eksploderende stjerne kaldes en supernova. Supernovaeksplosioner er sjældne i Mælkevejen, den galakse Jorden befinder sig i. Her har der været kun været få supernovaer, som kunne ses uden kikkert. De seneste har været i 1054, 1181, 1574 og Ved en supernovaeksplosion bliver der så varmt i stjernens indre, at mange atomkerner smelter sammen til større. Alle det periodiske systems tunge grundstoffer dannes således i løbet af meget kort tid. De fleste af disse stoffer slynges ud i omgivelserne som støv, der senere kan blive en del af nye stjerner. Få minutter efter Big Bang dannedes de lette grundstoffer hydrogen og helium. Alle andre grundstoffer kommer fra stjernerne. Det er underligt at tænke på, at alle metaller her på Jorden er dannet i stjerner, der er forsvundet længe inden, vores stjerne, Solen, blev dannet. Guld og andre tunge grundstoffer er dannet i det korte øjeblik, hvor der sker en supernovaeksplosion. Mange af de stoffer, der blev dannet ved denne eksplosion, var radioaktive. De radioaktive stoffer, man finder på vores Jord, blev skabt i en stjerne, der eksploderede, længe inden Solsystemet opstod. Astronomiske afstande I hverdagen kan næsten alle fænomener beskrives med afstande mellem millimeter og kilometer. Men disse enheder slår slet ikke til, når man begiver sig ud i Universet. Astronomerne bruger to længdeenheder, en astronomisk enhed og et lysår. En astronomisk enhed er afstanden fra Solen til Jorden. Den længdeenhed benyttes, når afstande i Solsystemet skal beskrives. Afstanden fra Jorden til Månen er 0,0026 astronomiske enheder. Afstanden fra Solen til den fjerneste planet, Neptun, er 30 astronomiske enheder. Et lysår er den afstand, lyset bevæger sig på et år. I Solsystemet er det ikke en fornuftig enhed. Fra Månen til Jorden bruger lyset kun 1,3 sekund, mens sollyset når os på lidt over 8 minutter. Tycho Brahe Tycho Brahe, dansk astronom ( ). Brahe beskrev supernovaen fra 1574 og viste, at den lå langt uden for Solsystemet. Gennem mange år foretog Brahe målinger af Mars position. Målingerne var med til at vise, at Solen er centrum i Solsystemet. Den astronomiske enhed og lysåret En astronomisk enhed er Jordens gennemsnitlige afstand fra Solen. Afstanden er 150 millioner kilometer eller m. Jordens omkreds er km. Det er næsten 4000 gange mindre end afstanden til Solen. Et lysår er den længde lyset bevæger sig på et år. Et lysår er 9, m. Det er ca. 60 tusind astronomiske enheder. 31

5 Afstand til Solen Afstand til Neptun Afstand til nærmeste stjerne Afstand til Mælkevejens centrum Afstand til nærmeste galakse Afstand til fjerneste galakse læ m Lysår I denne figur bliver afstanden 10 gange større, hver gang man går en enhed ud ad aksen. Den afbildning er fornuftig at bruge for at vise de meget store afstande i Universet. Den nærmeste stjerne ligger 4,5 lysår fra Solen. Der er 13 milliarder lysår til de fjerneste galakser. Sommer Solen Vinter Den gule stjerne ser ud, som om den har bevæget sig på det halve år, Jorden har brugt på turen omkring Solen. Stjernens afstand kan findes ud fra denne flytning. Afstanden til stjernerne Lukker man skiftevis det ene og det andet øje, ser man lidt forskellige billeder. Man ser på tingene i lidt forskellige retninger. Denne retningsforskel kan bruges, når afstanden til en stjerne skal findes. Fordi Jorden bevæger sig rundt om Solen, er retningen til en stjerne lidt forskellig, når astronomer med et halvt års mellemrum ser mod den. Forskellen i retningen er ikke stor. Den danske astronom Tycho Brahe mente ikke, at Jorden kunne bevæge sig rundt om Solen, fordi hans målinger ikke viste en retningsforskel til stjernerne. Brahe havde i 1590 ikke nogen kikkert. Det fik man først i Ingen kunne dengang tro, at stjernerne lå så langt fra Jorden, at retningen til dem ikke ændrede sig i løbet af året. I 1838 blev kikkerterne så gode, at afstanden til de nærmeste stjerner kunne findes ud fra ændringen i sigteretningen på et halvt år. I dag kan man på denne måde finde afstanden til de nærmeste stjerner i Mælkevejen. Afstanden til fjerne galakser findes på andre måder. En af måderne er at bruge dopplereffekten. Denne effekt siger noget om, hvordan farven af lyset ændrer sig, når stjernen bevæger sig. En stjernes fart er større, jo længere den er væk fra os. Dopplereffekten er derfor størst for de fjerneste stjerner. Kopiark 2.1 og

6 EKSPERIMENT Dobbeltstjerner Mange af stjernerne i Mælkevejen er dobbeltstjerner, dvs. to stjerner, der kredser rundt om hinanden. Stjernen i knækket på vognstangen i Karlsvognen er en dobbeltstjerne. Hvis planeten Jupiter havde været ca. 80 gange tungere, ville temperaturen i midten have været så stor, at Jupiter var blevet en lysende stjerne. Vi ville så have haft en lille og en stor sol på himlen. To små pærer sættes tæt sammen og tændes. I forskellige afstande undersøges, om pærerne ses som en eller to lysende pletter. Prøv igen, når pærerne rykkes tættere sammen. Prøv også om pærerne på lang afstand kan ses som to, når de betragtes gennem en kikkert. Kan man på lang afstand se, når den ene pære flyttes om bag den anden? En lang tur Inden for naturvidenskaben er det forkert at sige, at noget aldrig vil kunne foregå. Historien har vist, at fænomener, som man troede var umulige, alligevel lod sig gøre. Men det er trods alt meget usandsynligt, at fremmede solsystemer nogensinde vil få besøg af mennesker fra Jorden. Det er for lang en tur. Det hurtigste rumskib har bevæget sig med 15 km/s. Det hurtigste bemandede rumskib har haft en fart på 11 km/s. Selv om det skulle være muligt at opnå en fart, der er 100 gange større, vil en tur til den nærmeste stjerne vare mere end 100 år. Så det vil være oldebørn af astronauternes oldebørn, der engang i fremtiden ville komme tilbage til Jorden. Men computerstyrede robotter udstyret med forskellige måleinstrumenter vil måske kunne klare de lange afstande til fremmede solsystemer. Nyttige oplysninger Universet blev skabt ved Big Bang for 13,7 milliarder år siden. Universet har udvidet sig siden Big Bang, og det vil fortsætte med at udvide sig i lang tid. Alle hydrogen- og heliumkerner i Universet er skabt kort tid efter Big Bang. Når en stor stjerne har brugt de lette grundstoffer som brændstof, kan den falde sammen ved en supernovaeksplosion. Alle grundstoffer på Jorden, bortset fra hydrogen og helium, er skabt i det indre af stjerner, der nu er forsvundet. 33

7 Vind og vejr På turen fra verdensrummet og ned til os passeres atmosfæren, hvor vejret dannes. Temperatur, tryk og fugtighed i atmosfæren styrer vejret. Tør luft Fugtig luft 10 C 8 C 15 C For at vand kan fordampe, skal der tilføres energi. Den energi frigøres igen, når vanddampen bliver til væske. Når fugtig luft bevæger sig op, falder temperaturen, og vanddampen fortættes til regn. Når den tørre luft derefter bevæger sig ned på den anden side af bjerget, stiger temperaturen mere, end den faldt på opturen. Det skyldes, at der nu ikke længere er så meget vanddamp i luften. På den tørre side af bjerget kommer en såkaldt varm fønvind. Vejr og klima Luften over os er aldrig i ro. På steder, hvor Solen skinner, varmes luften op. Så bliver luften lettere, fordi den udvider sig ved opvarmningen. Den lette luft vil stige til vejrs. Nogle steder i luften fordamper vanddråber, andre steder fortættes vanddampen. Når vanddampen bliver til ganske små dråber, dannes skyer. Bliver dråberne store, kan det give regn. Klimaet - før og nu og i fremtiden Der er ingen tvivl om, at temperaturen på Jorden i disse år er stigende. Mange mener, at stigningen er menneskeskabt. Den store udledning af CO 2 har øget drivhuseffekten, og det kan være årsagen til den globale opvarmning. I fortiden, hvor der ikke var nogen menneskeskabt udledning af drivhusgasser, har Jordens temperatur ændret sig tit og meget. Der har været perioder, hvor isen dækkede kloden helt til Ækvator. Disse perioder kaldes sneboldjorden. Der har også været perioder, hvor temperaturen har været meget højere end i dag. Istider, hvor store dele af kloden er isdækket, er tilsyneladende den mest almindelige situation. Istiderne kommer normalt med ca. 120 tusind års mellemrum. Derpå følger en varm periode, en mellemistid, på normalt tusind år. Den forrige istid sluttede for år siden, så vi lever antagelig i slutningen af en varm mellemistid. Man kan ud fra kilometerdybe iskerneboringer på Grønland og Antarktis sige noget om temperatur, nedbør og vindretning de sidste år. I sammenligning med denne lange periode har klimaet været usædvanlig stabilt i 1900-tallet. Klimaændringer som de nuværende er normale, når man ser på klimaet i en lang periode. Jordaksens hældning, Solens aktivitet og vores position i Mælkevejen er faktorer, der også påvirker klimaet. 34

8 Søbrise og landbrise På varme sommerdage med klart vejr blæser der ofte en svag vind fra vandområder ind mod land. Det kaldes en søbrise. Den kommer også på dage, der ellers er helt vindstille. Selv om solen skinner lige meget over land og vand, opvarmes jorden hurtigst. Det kræver nemlig mere energi at opvarme vand end at opvarme jord. Derfor stiger jordens temperatur hurtigere end vandets. Når landjorden opvarmes, vil luften over jorden også opvarmes og stige til vejrs. Der vil derfor trække en kølig vind fra vandområdet ind mod land. Det har altså også en fysisk årsag, når det er rart at være ved stranden på en varm dag. Søbrisen kommer normalt sidst på dagen, fordi der skal have været solskin i flere timer, før søbrisen kan dannes. Om natten er det lige omvendt. Temperaturen på landjorden falder hurtigere end i vandet. Derfor går den såkaldte landbrise den modsatte vej, fra land mod vand. Land Land Søbrise Landbrise Hav Hav Fronter giver nedbør Når en varm vind bevæger sig mod et område med kold luft, opstår en varmfront. Det er grænsen mellem den varme og kolde luft. Når en kold vind bevæger sig mod et område med varm luft, opstår en koldfront. Luften bliver ikke blandet ved fronterne. Den kolde luft er tungest og vil derfor trænge ind under den varme luft, der skubbes op. Herved falder temperaturen i den varme luft, så den ikke kan rumme så meget vanddamp som før. Dampen fortættes og falder som regn. Når en front passerer Danmark, kommer der ofte regnvejr. Tryk Luftens tryk er normalt pascal. Trykenheden pascal forkortes Pa. Massen af luften over en kvadratmeter på jordoverfladen er omkring kg eller 10 ton. Lufttrykket svarer til vægten af den luftsøjle, der findes over netop en kvadratmeter på jorden. Et tryk er størrelsen af kraften pr. areal. Luftens tryk er altså omkring newton pr. kvadratmeter. Højtryk og lavtryk Vejret afhænger meget af lufttrykket. Det kan variere mellem ca Pa og Pa. Omkring et område med lavt tryk, et lavtryk, er der vinde. Luft fra omgivelserne vil søge mod områder med lavtryk, men luften bevæger sig ikke lige mod lavtrykkets centrum. Luften ved overfladen bevæger sig rundt om lavtrykket. Står man med ryggen mod vinden, ligger lavtrykket lidt fremad og til venstre. Denne spiralbevægelse skyldes Jordens rotation. På den sydlige halvkugle bevæger vinden sig den modsatte vej rundt om et lavtryk. Når der er højtryk i Danmark om sommeren, bliver vejret 35

9 varmt og solrigt. Om vinteren giver højtryk normalt klart vejr med frost. Kopiark 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7 og 2.8 Vinden bevæger sig rundt om lavtryk. Lige midt i et lavtryk er der ingen vind. Vindens fart/ (m/s) 0-0,2 0,3-1,5 1,6-3,3 3,4-5,4 5,5-7,9 8,0-10,7 10,8-13,8 13,9-17,1 17,2-20,7 Betegnelse Stille Næsten stille Svag vind Let vind Jævn vind Frisk vind Hård vind Stiv kuling Hård kuling Det føles koldt, når vinden blæser I vejrudsigten kan man om vinteren fx høre, at temperaturen vil blive 5 C, men at det vil føles som 16 C. Det skyldes chill-effekten. Ordet chill er engelsk og betyder afkøle. Står man udenfor en vinterdag, hvor det er blæsevejr, vil kroppen afgive mere varme til luften, end på dage med vindstille. Når kroppen afkøles af blæsten, føler man, at det er koldere, end termometret viser. Dette forhold kaldes chill-effekten. I stille vejr vil luften tæt ved kroppen isolere, så kroppen kun afgiver lidt varme til omgivelserne. Når denne isolering blæses væk, vil kroppen afgive mere varme. Så føles det koldere. Når vindens fart er 6 m/s, dvs. jævn vind, vil en lufttemperatur på 5 C føles, som om temperaturen var 16 C. En dyne af skyer I klart vejr uden skyer vil Solens stråler nå ned til jorden, der bliver varmet op. Men energien går også den anden vej. Om natten stråler jorden energi op mod himlen. Så falder temperaturen på overfladen. Er der skyer, vil de ligge som en dyne, der mindsker udstrålingen. Når skyerne mangler, er udstrålingen stor. Derfor bliver det meget koldt på stjerneklare nætter om vinteren. Kopiark 2.9 og ,8-24,4 24,5-28,4 28,5-32,6 Over 32,7 Stormende kuling Storm Stærk storm Orkan Vejrudsigter og sommerfugle På meteorologiske stationer overalt på kloden måles temperatur, tryk og vindhastighed. Flere steder sendes hver dag balloner op gennem atmosfæren for at lave målinger i forskellige højder. Der foretages radarmålinger, der kan vise, hvor der falder nedbør. Satellitter kredser omkring Jorden og sender billeder af skyernes bevægelse og målinger af jordoverfladens temperatur ned til meteorologerne. I store computere benyttes alle disse oplysninger til at forudsige vejret. Normalt er meteorologerne dygtige til at lave rigtige forudsigelser. De seneste år er de programmer, der bruges til beregningerne, blevet bedre og bedre. Men der kan dog 36

10 Chill-effekten EKSPERIMENT Et stillestående luftlag omkring kroppen virker varmeisolerende. Når dette luftlag blæses væk, føles temperaturen pludselig anderledes. Undersøg, hvordan temperaturen vokser eller falder i de tre forskellige situationer. Forklar, hvorfor termometrene ikke viser samme temperatur. Stik et termometer ned i et reagensglas, der er spændt fast i et stativ. Anbring et andet termometer lige ved siden af reagensglasset. Efter kort tid vil de to termometre vise samme temperatur. Blæs varm luft fra en hårtørrer mod de to termometre. Spænd to termometre op ved siden af hinanden i et stativ. Bind et stykke køkkenrulle fugtet med sprit om det ene termometer. Blæs kold luft fra en hårtørrer mod de to termometre. Spænd to termometre op ved siden af hinanden i et stativ. Et metalbæger med hank fyldes med kogende vand. Hold bægret, så termometrene er nede i vandet. Fjern bægret, og tør termometrene med et stykke køkkenrulle. Bind et tørt stykke køkkenrulle om det ene termometer. ikke laves sikre udsigter mere end fire-fem dage frem. Vejret er et kaotisk system. Selv hvis man på et bestemt tidspunkt kendte alt om vejret overalt på Jorden og i atmosfæren, er det ikke muligt at lave langtrækkende forudsigelser. En meteorolog prøvede i 1961 at lave to beregninger af det kommende vejr i sin computer. I den ene beregning havde en af hans målinger værdien 0, I den næste beregning brugte han den forkortede værdi 0,506 i stedet. Forudsigelsen af vejret var helt forskellig i de to tilfælde. Denne effekt kaldes sommerfugleeffekten efter titlen på et foredrag, som meteorologen senere holdt. Titlen var: Does the flap of a butterfly's wings in Brazil set off a tornado in Texas? (Kan en tornado dannes over Texas, fordi en sommerfugl slår med vingerne i Brasilien?) Fordi vejret opfører sig kaotisk, er det ikke muligt at lave troværdige vejrudsigter, der går mange dage frem. Nyttige oplysninger Vejret bestemmes af temperatur, vind, luftfugtighed og skydække. Klimaet er områdets gennemsnitlige vejr i en længere årrække. Varm- og koldfronter opstår, når varm og kold luft mødes. 37

11 Jorden under dig Jorden blev skabt som en glødende kugle, da Solsystemet blev dannet for lidt over 4,5 milliarder år siden. Efter et par hundrede millioner år blev Jorden så kold, at der kunne være vand og dermed liv på overfladen. Jordens historie har været præget af mange omvæltninger. Og Jorden er endnu ikke faldet til ro. Selv om vi føler, at vi lever i en stabil periode, er der en fortsat udvikling med store ændringer, både på overfladen og dybt under jorden. En gejser sprøjter med regelmæssige mellemrum en stråle af vand højt op i luften. Gejsere findes, som denne i Island, på steder, hvor der i den varme undergrund er vandfyldte hulrum. Jorden brænder For hver kilometer man bevæger sig ned under Jordens overflade, stiger temperaturen i gennemsnit næsten 25 C. Den temperaturstigning fortæller, at der strømmer energi i form af varme op fra Jordens indre. I Danmark kommer der kun lidt energi op fra undergrunden. For at holde en 60 watt pære tændt, skal man udnytte al energi fra mere end 1000 m 2. Nogle steder, hvor der er vulkansk aktivitet, fx i Island, er undergrunden meget varmere. Her kan man nemt udnytte varmt vand fra undergrunden til boligopvarmning. Verdens dybeste mine ligger i Sydafrika. Guldminen Tau- Tona er 3,9 km dyb. Arbejderne skal bruge en time for at komme ned og derefter ud i minegangene. Der er meget varmt i minen. Stenenes temperatur er 60 C. Verdens dybeste hul er boret på Kolahalvøen i Rusland. Hullets dybde er 12,262 km. Her er temperaturen 180 C. Ingen ved præcist, hvad temperaturen er i Jordens centrum. Temperaturen er et sted mellem 4000 og 7000 C. Når der hele tiden strømmer energi væk fra Jordens indre, vil temperaturen falde. Man kan regne ud, at fra en tilstand, hvor hele Jorden fra yderst til inderst havde temperaturen 4000 C, vil der gå omkring et par hundrede millioner år, før temperaturen af hele Jorden ville være omkring 20 C. Men Jorden er 20 gange ældre. Indtil omkring år 1900 kunne man ikke forklare den høje temperatur i Jordens indre. Problemet blev løst, da de radioaktive stoffer blev opdaget. Selv om der ikke er mange radioaktive stoffer i Jordens indre, er energien fra dem alligevel nok til, at temperaturen i milliarder af år vil være så høj, at der er flydende stoffer i Jorden. 38

12 Jorden svømmer Ser man på formen af Afrika og Sydamerika er det en nærliggende tanke, at disse verdensdele tidligere har hængt sammen. Denne tanke blev fremsat af den tyske geolog Alfred Wegener i 1915, men først 40 år senere blev man i stand til at måle, at ideen, den såkaldte kontinentalforskydning, var korrekt. Det viser sig, at der på overfladen af vores klode svømmer syv store og nogle mindre plader. Pladerne er i gennemsnit 70 km tykke. De flyder oven på et tungere og varmere lag. Pladerne bevæger sig langsomt med en fart på 1-10 cm/år. Men det kan blive til store flytninger på et par millioner år. Danmark ligger på Den Eurasiske Plade. Navnet er en sammentrækning af Europa og Asien. Vores plade flytter sig hvert år ca. 1,5 cm væk fra Den Nordamerikanske Plade. Den afstand kan bl.a. bestemmes med nøjagtige GPS-målinger. Den plade, Australien ligger på, har særlig stor fart. Australien bevæger sig mod Hawaii med næsten 10 cm/år. Jorden skælver Når kontinentalpladerne støder sammen, fjerner sig fra hinanden eller glider langs hinanden, opstår spændinger, der på et eller andet tidspunkt vil udløse et jordskælv. I Danmark bor vi langt fra kanten af vores plade. Derfor er der kun få og små jordskælv hos os. Men i områder ved randen af pladerne er der hyppige og kraftige jordskælv. Jordskælv måles med seismografer, der består af en tung klods, der er hængt op i fjedre, så den kan bevæge sig op og ned og fra side til side. Klodsen hænger normalt i hvile i forhold til den kasse, den er ophængt i. Men ved et jordskælv, bliver klodsen hængende på samme sted, mens Jorden og kassen flytter sig. Ved at måle klodsens bevægelse i forhold til kassen, får man et billede af, hvordan Jorden ryster. Rundt på Jorden findes præcise seismografer, der kan måle rystelserne fra nære og fjerne jordskælv. Rystelserne bevæger sig som bølger både langs overfladen og lige gennem jordkloden. Derfor kommer bølgerne på forskellige tidspunkter til de mange seismografer. Ved at sammenligne ankomsttidspunkterne, kan jordskælvsforskerne, seismologerne, bestemme nøjagtigt, hvor jordskælvet var. Kopiark 2.11 Flydende kerne Kappe Fast kerne Jordens kerne Jordens indre er delt i forskellige områder. I midten er en fast kerne med et stort indhold af jern og nikkel. Her er temperaturen som på Solens overflade. Uden om den faste kerne er der en varm, flydende kerne. Jordens magnetfelt dannes af strømme i dette område. Alleryderst glider kontinentalpladerne meget langsomt rundt på Jorden. Nyttige oplysninger Temperaturen stiger, jo mere man nærmer sig Jordens centrum. Temperaturen er høj i Jordens indre, fordi der foregår radioaktive henfald. Målinger af rystelserne fra jordskælv afslører opbygningen af Jordens indre. 39

13 Seismograf Et tungt lod hænges op i en snor. Tre kraftige, vandrette fjedre holder loddet fast. Spidsen af en speedmarker, der er tapet fast på loddet, rører netop bordet under loddet. Når et stykke papir hurtigt trækkes væk under loddet, kommer en streg uden svingninger. EKSPERIMENT Lav nu et jordskælv ved fx at hoppe på gulvet, sparke til bordet eller slå på bordet med en bog. Hver gang trækkes et papir væk under loddet. Er der forskel på seismogrammerne fra jeres forskellige jordskælv? Jordens faste kerne Inge Lehmann, dansk seismolog ( ). Inge Lehmann opdagede, at Jorden har en fast indre kerne. Det beskrev hun i en artikel med vist verdens korteste overskrift, nemlig P I. Bogstavet P henviser til en bestemt type jordskælvsbølger. Lehmann var 99 år gammel, da hun skrev sin sidste videnskabelige artikel. Jordens skaller Målinger af jordskælvsbølger har vist, at Jordens indre består af flere skaller. Det blev opdaget, fordi jordskælvsbølgerne bevæger sig med forskellig fart i skallerne. Ved at måle formen og ankomsttidspunkterne for svingningerne fra fjerne jordskælv, fandt man størrelsen af skallerne i Jordens indre. Den danske seismolog Inge Lehman arbejdede med disse emner. Hun kunne i 1936 vise, at der inderst i Jorden er en fast kerne omgivet af en flydende kerne. Indtil da havde alle troet, at midten af Jorden på grund af den høje temperatur måtte være flydende. Nogle typer jordskælvsbølger kan ikke bevæge sig i flydende stoffer. Det benyttede Inge Lehmann til at vise, at der 5120 km under Jordens overflade er en grænse mellem faste og flydende stoffer. Inge Lehmann var et beskedent menneske, der levede i en tid og i et miljø, hvor kvindelige naturforskere ikke blev værdsat. I Danmark var hun ikke kendt uden for en snæver kreds af jordskælvsforskere. Hendes opdagelse er dog på niveau med de arbejder, der belønnes med nobelprisen. 40

14 Atomkerne Atom Celle Myre Pige Rundetårn Danmark Jordens diameter Meter Fra dig til atomerne Mens verdensrummet indeholder store masser, lange tidsrum og store afstande, er atomernes verden lige omvendt. Her er alt let, hurtigt og småt. Med øjnene kan man se ting, der har en størrelse ned til ca. 0,1 mm. Med et mikroskop kan man se ting, der er 250 gange mindre. Men atomerne kan man ikke se. De er mange tusind gange mindre end det, der kan ses i et mikroskop. Men med nye mikroskoper, der ikke benytter lys, er det i dag muligt at se atomerne. Mikroskoper Mikroskopet har været kendt i 400 år. Biologerne opdagede en helt ny småtingsverden, da de første mikroskoper blev taget i brug. En masse mikroorganismer kunne pludselig ses. Celler, der delte sig, blodlegemer og amøber var nogle af de ting, mikroskoperne gav mulighed for at studere. Celler har netop den størrelse, som kan ses i mikroskoper. Moderne mikroskoper benytter bestemte farver lys, særlige filtre og andre fif, men det er dog ikke muligt at se genstande, der er meget mindre end lysets mindste bølgelængde på 400 nanometer (0,4 tusindedele millimeter). Kopiark 2.12 I denne figur bliver afstanden 10 gange større, hver gang man går en enhed ud ad aksen. Den afbildning er fornuftig at bruge, når man på samme figur skal vise både små og store afstande. Med elektronmikroskoper får man en spændende indsigt i udseendet af mange små dyr. Billedet viser en væggelus. 41

15 Disse krystaller af salt har form som terninger. Atomerne i saltet sidder i et krystalgitter, der også har form som en terning. Sonde Spids Prøve Forstærker og afstandsstyring Afbildning Atomart mikroskop Den tynde spids bevæger sig hen over prøven. På sonden sidder nogle materialer, der hele tiden regulerer sonden op og ned, så spidsen holder samme afstand til prøven. Sondens flytning registreres. Flytningen giver et billede af prøvens overflade. Elektronmikroskoper Almindelige mikroskoper, såkaldte lysmikroskoper, bruger lys, der afbøjes i linser. På tilsvarende måde kan man bygge elektronmikroskoper, hvor en stråle af elektroner afbøjes af elektriske felter. Elektronmikroskoper har været kendt siden De er i tidens løb blevet udviklet, så de kan vise mindre og mindre genstande. Det er i dag muligt at vise ting, der er ca gange mindre end det, der kan ses i de bedste lysmikroskoper. Elektronmikroskoper skal bruge meget høje spændinger. Nogle af de største sætter elektronerne i bevægelse med en spænding på en halv million volt. Atomare mikroskoper I faste stoffer sidder atomerne i et bestemt mønster. Atomerne kan opfattes som punkter i hjørnerne af et gitter. Man kalder disse mønstre for krystalgitre. Mange mineraler danner smukke krystaller, der har samme form som det krystalgitter, atomerne sidder i. Vinklerne mellem siderne i krystallerne er de samme som vinklerne i krystalgitret. I 1986 fik tyskeren Gerd Binnig og schweizeren Heinrich Rohrer nobelprisen i fysik. De havde fem år tidligere opfundet en ny mikroskoptype, der gjorde det muligt at se, hvordan de enkelte atomer sidder i et krystalgitter. Dette mikroskop virker efter et nyt princip. En tynd metaltråd knækkes, så den får en meget lille spids. Spidsen anbringes lige over en overflade, men uden at røre den. Spidsen sidder på en holder, hvis længde kan ændres ganske lidt ved at sætte spænding på nogle såkaldte piezo-elektriske materialer. Selv om der er et ganske lille mellemrum mellem spidsen og den prøve, som skal undersøges, kan der alligevel løbe en lille strøm mellem spids og prøve. Størrelsen af strømmen afhænger af afstanden mellem spids og prøve. Et elektronisk kredsløb sørger for at hæve og sænke spidsen, så der hele tiden løber samme strøm. Ved at bevæge spidsen langsomt hen over prøven, får man et billede af overfladen. Det viser sig, at spidsen bevæger sig hen over buler i overfladen. Det er de enkelte atomer. Med denne metode er det muligt præcist at bestemme placeringen af atomerne. Der er senere lavet andre typer af dette mikroskop. Blandt 42

16 EKSPERIMENT Små atomkerner I 1911 undersøgte Rutherford og hans medarbejdere, hvad der skete, når alfapartikler blev sendt ind mod et guldfolie. Disse eksperimenter kan demonstreres med Rutherfords bro. Tril kugler under broen. Trillede kuglerne lige gennem broen? Hvor tit kunne I se eller høre, at kuglerne ramte noget under broen? Bredden af broen kan opfattes som bredden af et atom. Ved eksperimentet har I undersøgt, hvor meget atomkernen fylder i atomet. Ved at regne på hvor tit alfapartikler blev afbøjet, og på hvor stor afbøjningen var, fandt Rutherford ud af, at atomkernen er ca gange mindre end selve atomet. andet kan man med spidsen af sonden skubbe til og derved flytte enkelte atomer. Denne teknik kan i fremtiden føre til store fremskridt, da moderne mikroelektronik og nanoteknologi netop består i at arbejde på mininiveau, helt ned til de enkelte atomer. Der er en endnu mindre verden Lys opstår, når elektroner falder ned i en bane tættere ved kernen. Med en lille energimængde har man først skubbet elektronen længere væk fra kernen. Hvis man vil undersøge forholdene i atomkernen, skal der arbejdes på samme måde. Men den energi, der skal bruges for at ændre forholdene i kernen er langt større. Atomkernen holdes nemlig sammen af meget større kræfter, end de der holder elektronerne i deres baner omkring atomkernen. Hvad der findes inde i neutroner og protoner, er endnu ikke kendt. Fysikerne har forskellige antagelser, men de eksperimenter, der kan be- eller afkræfte antagelserne, er svære at udføre. Det kræver ufattelig store energimængder, at se ind i de partikler, der danner atomkernerne. Overfladen af guld set med et atomart mikroskop. Nyttige oplysninger Med almindelige mikroskoper kan man se ting, der cirka er lige så store som lysets bølgelængde. Med atomare mikroskoper kan man se, hvorledes de enkelte atomer ligger på en overflade. I faste stoffer sidder atomerne i et bestemt mønster, et krystalgitter. 43

17 CAFE KOSMOS SORTE HULLER OG MØRKT STOF I 1054 så kinesiske astronomer en supernova. I dag ses det materiale, som supernovaen har spredt ud i Universet. Med store teleskoper kan astronomer se milliarder af stjerner og galakser. Men de ser kun en ganske lille del af Universet. Langt det meste i Universet kan nemlig slet ikke ses. Der findes sorte huller, der er så tunge, at lyset fra dem ikke kan undslippe. Og der findes mørk masse, der er en ukendt type stof, som er overalt, men som ikke kan ses. Universet rummer stadig mange hemmeligheder. ET TUNGT HIMMELLEGEME Ser man på et billede af en spiralgalakse, får man indtryk af, at den roterer. Galaksen ligner lidt den hvirvel, der kommer i vandet, når proppen trækkes op af en fyldt håndvask. Galaksen ligner også den måde, luften bevæger sig på i nærheden af høj- eller lavtryk. Ved at måle de enkelte stjerners fart, kan det ses, at alle stjerner i galaksen bevæger sig rundt om galaksens centrum. I Solsystemet bevæger alle planeter sig rundt om Solen. Det er tiltrækningskraften fra Solen, der holder planeterne i deres næsten cirkelformede baner. Kender man en planets omløbstid og afstand fra Solen, er det muligt, 44 at beregne Solens masse. På samme måde kan man i en galakse bestemme den masse, der sidder i midten, og som er årsag til stjernernes cirkelbevægelse. Solen og dermed også Jorden ligger ca lysår fra Mælkevejens centrum. Solen er 220 millioner år om en hel tur rundt i Mælkevejen. Solens fart rundt i Mælkevejen er lidt over 1000 km/s. Den høje fart mærker vi ikke. Det eneste man kan mærke er nemlig ændringer i farten. Mælkevejen er ufattelig stor. Forestiller man sig, at Mælkevejen havde en radius på 50 meter, ville Solsystemet have en størrelse, der er mindre end millimeter. Det svarer til et lille sandkorn. Og sandkornet ville ligge 26 meter fra centrum. I denne model ville Mælkevejen være en skive med en tykkelse på ca. 1 meter. Ved at se på bevægelsen af stjerner tæt på Mælkevejens centrum har astronomer vist, at der i centrum ligger noget voldsomt tungt. Der er ikke noget at se, men der må være et himmellegeme med en masse, der er fire millioner gange større end Solens. Skal massen angives i kilogram, er det et tal med 37 cifre. I øvrigt er Solens masse gange større end Jordens masse.

18 CAFE KOSMOS vige skal være større end lysets fart, km/s. Vi har en erfaring med lys som noget, der bevæger sig i en ret linje. Men lys bliver tiltrukket af store masser. Man kan se, at en lysstråle fra en fjern stjerne bliver afbøjet en lille smule, når strålen passerer tæt forbi en anden stjerne på vej ned til Jorden. MØRKT STOF Astronomer har mange uløste problemer. Man kan ud fra galaksernes bevægelse finde ud af, hvor meget masse, der er i hele Universet. Det viser sig, at stjerner, sorte huller, neutronstjerner og andre himmellegemer har en masse, der kun er omkring 4 % af Universets samlede masse. Spiralgalakse Det tunge himmellegeme i Mælkevejens centrum kaldes et sort hul. Det er dog nærmest en dværg i forhold til andre galaksers tunge legeme. Der findes galakser, hvor det sorte hul i centrum er flere tusind gange tungere end det i Mælkevejen. SORTE HULLER Når man kaster noget op i luften, kommer det ned igen. På Månen er tyngdekraften seks gange mindre end på Jorden. Ting, som en astronaut giver slip på, falder langsommere ned, end her på Jorden. Ved overfladen af et sort hul er tyngdekraften derimod ufattelig stor. Ting der falder, vil bevæge sig mange millioner gange hurtigere end på Jorden. Der trækkes så stærkt, at alle molekyler bliver revet over. For at en raket kan slippe bort fra Jorden skal den have en fart, der er over 11 km/s. En raket, der skal starte fra Månen, kan nøjes med en fart på lidt over 2 km/s, fordi tyngdekraften på Månen er mindre end på Jorden. I et sort hul er tyngdekraften så stor, at farten for at und- Lys fra et sort hul bliver tiltrukket så meget af det sorte hul, at det slet ikke kan komme væk. Derfor ser astronomer intet, når de retter deres teleskoper mod et sort hul. Hullet kan bl.a. opdages ved at se på, hvorledes stjerner i nærheden bevæger sig. NEUTRONSTJERNER Når en stjerne med en masse, der er mere end otte gange større end Solens masse, bliver gammel og har brugt sit brændstof op, kan den falde sammen i en supernovaeksplosion. Ved denne voldsomme begivenhed sendes mange tunge grundstoffer ud i Universet, hvor de en gang i fremtiden kan indgå i nye stjerner og planeter. Resterne af stjernen er efter supernovaeksplosionen blevet meget lille. Den kaldes en neutronstjerne. Dens radius er kun omkring 10 km. Den lille neutronstjerne har i midten en densitet, der er milliarder gange større end granits. Det ville svare til, at en terning på bare 1 kubikcentimeter af stoffet fra neutronstjernen ville have en masse omkring ton. Det er langt mere end massen af en supertanker. Hvis supernovaeksplosionen foregår i meget store stjerner, falder de sammen til et sort hul. 45 Astronomer kalder den manglende masse for mørkt stof. Ingen ved i 2009, hvad dette stof er lavet af. Måske findes der en ukendt lille atomar partikel, som ikke kan ses, fordi den ikke udsender nogen form for stråling. Hvis der i hver kubikmeter af det, der ellers er det tomme rum mellem galakserne, bare befinder sig et par af disse ukendte mørke partikler, kan beregningerne om Universet komme til at stemme. I 2013 opsendes Webb-teleskopet. Med dette teleskop 1,5 million km over Jorden, får astronomerne nye muligheder for at finde svarene på Universets mange gåder.

19 DET VED DU NU OM HIMMEL OG JORD FRA UNIVERSET TIL DIG JORDEN UNDER DIG Temperaturen stiger, jo mere man nærmer sig Jordens centrum. Temperaturen er høj i Jordens indre, fordi der foregår radioaktive henfald. Målinger af rystelserne fra jordskælv afslører opbygningen af Jordens indre. Universet blev skabt ved Big Bang for 13,7 milliarder år siden. Universet har udvidet sig siden Big Bang, og det vil fortsætte med at udvide sig i lang tid. Alle hydrogen- og heliumkerner i Universet er skabt kort tid efter Big Bang. VIND OG VEJR Når en stor stjerne har brugt de lette grundstoffer som brændstof, kan den falde sammen ved en supernovaeksplosion. Alle grundstoffer på Jorden, bortset fra hydrogen, er skabt i det indre af stjerner, der nu er forsvundet. Vejret bestemmes af temperatur, vind, luftfugtighed og skydække. Klimaet er områdets gennemsnitlige vejr i en længere årrække. FRA DIG TIL ATOMERNE Med almindelige mikroskoper kan man se ting, der cirka er lige så store som lysets bølgelængde. Med atomare mikroskoper kan man se, hvorledes de enkelte atomer ligger på en overflade. I faste stoffer sidder atomerne i et bestemt mønster, et krystalgitter. Varm- og koldfronter opstår, når varm og kold luft mødes. 46

20 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? FORSTÅR DU? Hvad er Big Bang? Hvad er kontinentalforskydning? Hvad er sommerfugleeffekten? Hvad er en astronomisk enhed? Hvor længe er lyset fra Solen om at komme ned til Jorden? Hvad er en supernova? Hvorfor stiger temperaturen, når man bevæger sig ned i dybe miner? Hvordan virker en seismograf? Hvorfor blæser der tit en kølig vind ind fra havet om aftenen? Hvad er forskellen på vejr og klima? UDFORDRING Forklar, hvorfor astronomerne ikke kan se et sort hul. Hvorfor kan man sidde i en sauna ved 80 C uden at blive forbrændt? Hvordan kan astronomer se, at Universet udvider sig? Hvorfor er forholdet mellem en ternings overfladeareal og dens rumfang større for små end for store terninger? Hvordan virker et atomart mikroskop? 47