Giáo trình khoa học trái đất

Lưu ĐỨC HÁI - TRẦN NGHI GIAO TRINH T T r r - T Y * ĐHQGHN PGS TS LƯU ĐỨC HẢI - GS TS TRẦN NGHI GIÁO TRÌNH KHOA HỌC TRÁI ĐẮT I (Tái lần thứ tu) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM ò'i n ó i (títtí G iá o t r ì n h K h o a h o c T r i Đ t dược b iô n soạn tr ê n sở n h ữ n g tà i liệ u p h o n g p h ú cập n h ậ t vê lĩn h v ự c c ủ a k h o a học T r i Đ ấ t tr ê n t h ế g iớ i tr o n g nước T r o n g dó, r ấ t n h iề u k iẽ n th ứ c đư ợc c h ọ n lọc đ ú c k ế t từ n h ữ n g k ế t q u ả n g h iê n c ứ u c ủ a c h ín h tá c g iả tr ê n th ự c tiễ n V iệ t N a m V i m ụ c đ íc h dó, tá c g iả đ cố g ắ n g g iố i th iệ u n h ữ n g k h i n iệ m b ả n c h ấ t h ế t sức b ả n c ủ a h iệ n tư ợ n g tự n h iô n x ả y bao q u a n h T r i Đ ấ t, tr ê n bê m ặ t, bên tr o n g h n h t in h c h ú n g ta liê n q u a n đ ô n đời s ô n g n g ò i N ó i cách k h c , c ấ u tr ú c , th n h p h ầ n v lịc h sử tiế n hoá củ a T r i Đ ấ t t i h iệ n th e o q u a n đ iể m tiế p c ậ n hệ th ô n g bô cục th n h c h n g th e o t r ì n h tự lo g ic từ n g o i vào tr o n g , từ th ô g iớ i vô đ ô n th ê g iớ i s in h v ậ t, cuối c ù n g q u a n hệ g iữ a T r i Đ ấ t v C on n g i T í n h h ộ th ô n g tư tư n g x u y ê n s u ố t to n g iá o t r ì n h T rư c h ế t, b n dọc dược g ió i th iệ u vẽ v ị t r í v dời sông củ a T r i Đ ấ t c h ú n g ta tr o n g d i g ia d in h T h i D n g hệ; tiế p th e o g iớ i th iệ u vê q u y ể n c ủ a T r i Đ ấ t tr o n g m ộ t h n h t r ì n h th m h iế m n h ữ n g b í m ậ t vô tậ n n h n g có q u a n hộ n h â n q u v i n h a u Đ ó n h ữ n g k iê n th ứ c h ế t sức b ả n m b ấ t k ỷ s in h v iê n nào, n h ấ t s in h v iê n tr o n g k h ô i n g n h liê n q u a n tớ i k h o a học T r i Đ ấ t m ô i trư n g c ũ n g c ầ n đư ợc t r a n g b ị, th e o n g u y ê n tắ c h iể u b iế t d ầ n từ rộ n g đ ô n sâ u , từ k h i q u t đ ế n c h i t iế t n h ò tư liệ u k h o a học đ ợ c d iễ n d t dơ n g iá n dễ h iể u V ì v ậ y , tá c g iả h y v ọ n g g iá o t r ì n h n y sõ m ộ t tà i liệ u d ù n g để g iả n g d y cho s in h v iê n bậc đ i học, d n g th i c ũ n g m ộ t tà i liệ u th a m k h o bo ích cho học v iô n cao học n g h iê n u s in h tr o n g q u t r ì n h tự n g h iê n u dể v iô t lu ậ n v ă n , lu ậ n n c ủ a m ìn h T r o n g q u t r ì n h b iê n soạn h o n th iệ n g iá o t r ì n h , tá c g iả lu ô n n h ậ n dược d ộ n g v iê n , k h íc h lộ tạ o d iề u k iệ n h ô t sức th u ậ n lợ i L ã n h dạo T r n g Đ i học K h o a học T ự n h iê n C ô n g ty Cố p h ầ n sách Đ i học Đ i học Q uố c g ia H N ộ i, D y n g h ổ , N h x u ấ t b ả n G iá o d ụ c c ũ n g n h cá n K h o a Đ ịa c h ấ t v M ô i trư n g , d ặ c b iệ t G S N g u y ễ n c ẩ n , P G S C h u V ă n N g ợ i, P G S N g u y ễ n X u â n Cự, PG S H o n g X u â n Cơ, P G S N g u y ễ n N gọ c K h ô i C ác tá c g iả x in b y tỏ lò n g b iế t ơn s â u sắc d ô i vớ i q u a n cá n h â n n ó i tr ê n vê g iú p đ õ q u ý b u T u y dã r ấ t cô g ắ n g v nỗ lự c dê có m ộ t c n g t r ì n h c h ấ t ỈƯỢng tố t, n h n g k h ó t r n h dư ợc sai sót C ác tá c g iả x in t r â n t r ọ n g tiô p n h ậ n c h â n th n h cá m ơn n h ữ n g ý k iơ n d ó n g góp c ủ a b n d n g n g h iệ p , b n dọc g ầ n xa đê g iá o t r ì n h h o n t h iệ n h n tr o n g lầ n t i b ả n sau M ọ i góp ý x in g i d ịa chỉ: B a n B iê n tậ p sá ch Đ i học C ô n g ty Cô p h ầ n sách Đ i học - D y n g h ề , 25 H n T h u y ê n Cao đ a n g , H N ộ i C c t c g iả '4 Chương TRÁI ĐẤT TRONG KHÔNG GIAN 1.1 NHỬNG HIỂU BIẾT c BẢN VỀ v ũ TRỤ, THIÊN HÀ, HỆ MẶT TRỜI N h ữ n g k ế t qu ả q u a n trắ c n g h iê n cứu h iệ n n a y c h ứ n g tó rằ n g v ũ t r ụ vồ tậ n T ro n g p h ầ n v ũ t r ụ m người tìm h iế u h iệ n n a y (bán k ín h dến h n g tỉ n ă m n h sáng, nă m n h sán g k h o ả n g cách có độ dà i b a n g q u n g đ n g n h sán g tru y ề n tro n g châ n k h ô n g tro n g m ộ t nă m ) th ì v ậ t c h ấ t tồ n tạ i dư ới d n g dễ n h ậ n b iế t sao, tức n h ữ n g th iê n th ế k h n g lồ nóng, sáng tư n g tự n h M ặ t T rò i Các p h â n bô" tro n g k h ô n g g ia n k h ô n g đều, tậ p tr u n g tạo th n h n h ữ n g hệ có h ìn h d n g xác đ ịn h gồm h n g tỉ gọi th iê n hà Các th iê n hà th n g có d n g e llip , ng đ ĩa xoắn v i đư ờng k ín h từ h n g chục đến h n g tr ă m n g n nă m n h sáng K h o n g cách tr u n g b ìn h g iữ a th iê n hà lớ n hơ n k íc h th c th iê n hà cỡ chục lầ n Các tro n g m ỗ i th iê n hà cũ n g p h â n bô" k h ô n g đểu, đa sô" tậ p tr u n g tro n g m ộ t m ặ t p h ẳ n g gọi m ặ t p h ắ n g c h ín h m ặ t p h ắ n g q u ỹ dạo th iê n hà T ro n g k h o ả n g k h ô n g g ia n giữ a có v ậ t c h ấ t tổ n tạ i d i d n g b ụ i, k h í, h t bả n, trư n g đ iệ n từ , trư n g hấp d ẫ n , v.v N h vậ v, có th ể m tả cấu trú c V ũ t r ụ b ằ n g sơ đồ đơn g iả n sau : Vủ trù —> Thiên hà (Ngân Hà) —> Hệ M ặt Trời (Thái Dương hệ) —> H ành tinh (Trái Đất) —>Vệ tinh (Mặt Trăng) 1.1.1 Thiên hà T h iê n hà: (A tiế n g A n h : g a la x y ; p - tiế n g P háp: g a la x ie , H n V iệ t: t in h hệ) m ộ t tậ p h ợ p r ấ t lớ n liê n k ế t với n h a u b ằ n g lực hấ p d ẫ n , tạo th n h m ộ t hệ th ô n g q u a y x u n g q u a n h tâ m Các th iê n hà k h đa d n g vê k íc h thư óc sơ lư ợ n g ngơi m a bẽn tro n g M ộ t th iê n hà có th ể chứa từ h n g chục tr iệ u (107) đến h n g n g n tí (1 12) ngơi T h iê n hà c ũ n g có k íc h th c th a y đổi từ 1.500 đên 30 0 0 năm n h sá n g (0 ,5 -1 0 kpc) T r u n g b ìn h , m ộ t th iê n hà có k h o ả n g 20 t i sao; k h ô i lư ợ n g m ỗ i th iê n hà gấp k h o ả n g 100.000 đên h n g ng àn tỉ (1 1") lầ n k h ô i lư ợ n g M ặ t T rò i T ro n g th iê n hà , n g ồi ngơi có v ậ t c h ấ t giữ a (k h í, b ụ i h t xạ vù tr ụ ) M ộ t th iê n hà d iê n h ìn h th n g có d n g dơi xứ n g, dư ờng k ín h kh o n g 00 n ă m ánh sáng (5 l(km ) Hình 1.1 Thiẽn hà Tốc dộ c h u yể n d ộ ng tro n g th iê n hà tốc dộ q u a y q u a n h tâ m th â n th iê n hà dao dộng tro n g k h o a n g từ 10 k m /s đến 300 0 km /s Các th iê n hà n h ỏ th n g ỏ gần th iô n hà lớ n vệ t in h th iô n hà lớn N g i ta ước tín h có k h o ả n g 100 tỉ th iê n hà, tro n g 100 t r iệ u th iê n hà có th ế q u a n s t qu a k ín h th iê n v n đ ặ t tạ i n ú i P a lo m a r (H o a K ý); 200.000 th iẽ n hà tro n g sơ th n g kê tro n g d a n h m ục Do giới h n vù t r ụ ng y càn g tă n g (chân t r i v ũ t r ụ n g y dược m rộing, h iệ n n a y b n k ín h k h o ả n g 15 t ỉ n ă m n h sáng) Theo th ô n g kê , t h iê n hà lỏ n n h ấ t dược ng ời p h t h iệ n T h iô n hà T r u n g tâ m c ủ a q u ầ n th ể th iê n hà A b e ll 2029 (p h t h iệ n th n g n ă m 1990), dư ờng k ín h ,6 tr iệ u nà m n h sá n g (gấp 80 lầ n th iê n hà c h ú n g ta d a n g sông) P h â n loại t h i ê n hà : D ự a th e o h ìn h th i th iê n hà, K H u b b le dã c h ia th iê n hà th n h k iê u : th iê n hà d n g xoắ n (c h iế m 60% ), th iê n hà e llip (1 5% ), th iê n hà d n g th ấ u k ín h (20% ), th iê n hà k h ô n g đ ịn h h ìn h (3%) 2% th iê n hà lạ i k h n g p h â n lo i coi dặc b iệ t (người ta gọi th iê n hà lù n ) Thiên hà xoắn (A: s p ira l g a la x y ; P: g a la x ie s p ira le ) k ý h iệ u s, gồm * có p h ầ n b ầ u h ìn h cầu giừa (gồm g ià ) p h ầ n đ ĩa (gồm tr ố c ù n g b ụ i k h í) xoè th n h n h n h xoắn the o c ù n g m ộ t c h iề u T u ỳ th e o mức độ nh ỏ d ầ n bầ u tă n g dầ n ta y xo ắ n m n g i ta th o m vào chừ s chữ c i a, b, c V í dụ : Sa: b ầ u sá n g rõ to, ta y xoă n chư a rõ n é t; Sb: bầ u ké m rõ hơn, ta y xoắn k h rỏ; Sc: bầu mờ yếu , ta y x o ắ n rỏ n h ấ t Thiên hà xoăn có * ngang (A: b a rre d s p i r a l g a la x y ; Hình 1.2 Thiên hà xoắn P: g a la x ie s p ira le b a rré e ), k ý h iệ u SB, th iê n hà xoắn có m ộ t th a n h ng ang b n g đ i qu a tâ m , nố i với h a i ta y xoắ n ỏ h a i đầ u T u ý th e o p h t Lriến ta y xoắn k íc h thư ớc bầu m k ý h iộ u SBa, SBb y SBc Hình 1.3 Thiên hà xoắn có ngang E.Hubble chụp năm 2005 * Thiên hà E llip (A: Ẽ llip tic a l g a la x v ; P: g a la x ie e llip tiq u e ) k ý h iệ u K, th iê n hà có d n g h ìn h cầu e llip , gồm già (nên có m àu đỏ), r â t k h í k h n g ch ứ a b ụ i N gư ời ta th n g đ ín h kòm th ê m sơ từ dên đê c h i m ức độ th u ô n d i (EO trò n n h ấ t, E7 th u ô n n h ấ t) Các th iê n hà e llip th n g th iê n hà n ặ n g n h ấ t M ộ t sô th iê n hà e llip cho rằ n g sáp n h ậ p th iê n hà xoắn * Thiên hà d n g thấu kính (A: le n tic u la r g a la x y ; P: g a la x ic le n tic u la ir e ) k ý h iệ u s o , th iẽ n hà có d n g n h h a i đìa úp vào n h a u , d n g tr u n g g ia n giử a th iê n hà xoắn th iê n hà e llip T h iê n hà n y có bầ u, đ ĩa q u ầ n g n h n g k h n g có ta y xo ắ n h ầ u n h k h n g có k h í g iữ a LJÌ~U A TkiAn kA ciiỉr, Hình 41.4 Thiên hà Ellip * H ình 1.5 Thiên hà dangy thấu kính Thiên hà khơng đ ịn h h ìn h (A: ir r e g u la r g a la x y , P: g a la x ie irré g u liè re ) k ý h iệ u I r , có d n g b ú i, h ìn h t h ù k h n g rõ rà n g ; có ‘k h ô i lư ợ n g nhỏ, gồm n h iề u trẻ , có n h iề u k h í giữ a có v i tr u n g tâ m tạ o Hình 1.6 Thiên hà khơng định hình * Hình 1.7 Thiên hà lùn Thiên hà lùn (A: d w a r f g a la x y ; P: g a la x ie n a in e ), k ý h iệ u d, có k íc h thư ớc k h i lư ợ n g n h ỏ h n th iê n h th ô n g th n g v i ch ụ c lầ n , có m ậ t độ r ấ t th ấ p , ta y xo ắ n k h ô n g p h t tr iể n C h ú n g c h ia th n h d n g e llip (d E ), cầu (d S p h), k h ô n g đ ịn h h ìn h ( d lr ) th iê n hà lù n n h ỏ gọn m u x a n h la m (d B G C ) T h iê n h đ E d S p h gồm g ià , í t k h í b ụ i Các th iê n hà d l r d B G C có n h iề u k h í Sc -Sb □ □ EO n E3 □ Q E" Các lớp thiên hà cổ SBO D D Các lớp thiên hà trẻ □ í Ba BSBb n m i SBC Hỉnh 1.8 Sơ đổ phán loại thiên hà C c t h i ê n h đ ặ c b i ệ t : th iê n hà xạ, q u a d a , th iê n hà tư n g tác * Thiên hà xạ (A: S a y fe rt g a la x y ; P: g a la x ie a c tiv e ) th iê n hà xạ p h ầ n ló n n ă n g lư ợ n g từ v ù n g tâ m r ấ t nhỏ, d ả i sóng n ằ m k h u vực n h sá n g n h ìn th ấ y (th n g sóng vơ tu y ê n tia X) T h iê n hà xạ có th g ia i đ o n d ầ u tro n g tiế n hoá th iê n hà - T h iệ n hà S e y íe rt (A: S a y íe rt g a la x y ) C a rl K S e y fe r t- n h th iê n v ă n ng i M ỷ , gốc Đức p h t h iệ n n ă m 1943 Đ â y th iê n hà xoắ n k h ổ n g lồ , p h ầ n lớ n th iê n hà x o ắ n có th a n h ng a n g N h â n th iê n hà n y cực sáng, có đ m m â y k h í th o t tạ o th n h n g u n xạ ch ủ yếu k h u vực h n g n g o i Hình 1.9 Thiên hà Saert - T h iê n hà vô tu y ế n : (A : d io g a la x y , P: d io g a la x ie ): c h ủ yế u th iê n hà e llip , xạ đ iệ n từ cực m n h ỏ d ả i sóng vơ tu y ê n N gư ời ta cho rằ n g , n g u n n n g lư ợ n g n y b ắ t n g u n từ m ộ t lỗ đen tâ m M ộ t sô" th iê n hà vô tu y ế n có th ể k ế t va đ ậ p hoà n h ậ p h a i th iê n hà Ka.-tio ũB \ữÁ j 3C 3I HÚC ò ò : Y r ỉ , M ■ - :.i ■ *:■ •• ' V■ *, •>'# -■ \ •- * Vr \ V L A r m rí> d ìo tm HỐT ATPC2 úị/iical Copyr ig h t (c ) NkAO iy y f t Hình 1.10 Thiên hà vỏ tuyến * Q uada (A , P: q u a s a r), v iế t t ắ t Q SO : tô n gọi t ắ t th iê n th ê tự a n h h a y n g u n xạ vô tu y ế n tự a n h sao, A S andage (M ỹ ) p h t h iệ n n ă m 1960 Đ n g k ín h Q u a d a n h ỏ (d ới n ă m n h sáng) n h n g xạ vô tu y ế n m n h n h ấ t tro n g v ũ tr ụ H iệ n n a y b iê t tố i 60.000 q u a d a Q u a d a có n h iề u tín h c h ấ t g iơ n g th iê n hà xạ nê n coi m ộ t lo i th iê n hà xạ ỏ r ấ t xa, có th ế có lỗ đen k h ố n g lồ n h â n th iê n hà Thiên hà tương tác: M ộ t sô th iê n hà k ế t th n h n h ó m , đồng th i bị * b iê n d n g (có đ u ô i dà i h n g chục v n n ă m n h sáng, có “ cầu n i” với n h a u ) Đó c h ú n g tư n g tác với n h a u (va dập, n h ậ p m m ột) T ro n g vủ t r ụ chí có k h o n g 2% th iê n hà tư n g tác vớ i n h a u M ộ t th iê n hà k h n g lồ có th “ n u ố t c h n g ” th iê n hà n h ỏ b ằ n g lự c h ấ p dẫ n T h ô n g th n g , k h o ả n g tỉ n ă m lạ i có n g u y h a i th iê n hà va ch m với n h a u Hình 1.11 Quada Hình 1.12 Thiên hà tương tác V ật c h ấ t t r o n g t h i ê n hà v ù trụ: V ậ t c h ấ t tô i tro n g th iê n hà v ũ t r ụ gồm k h í lỗ ng, b ụ i, từ trư n g tia v ũ trụ K h í sao: T h n h * p h ầ n hoá học ch ủ yếu c h ú n g n g u yê n tử p h â n tử h id ro (ch iế m 90%) rồ i đến h e li N gồi ra, có n g u y ê n tứ tr u n g hoà (ca n xi, k a li, n a tr i) , ion (ca n xi, sắ t, tita n ) , lo i p h â n tử (C N , C H , C O ) Các k h í nà y c h iế m k h o ả n g 1% k h ô i lư ợ n g th iê n tr u n g gần hà, th n g tậ p m ặ t p h a n g đìa t h iê n h , m ậ t đ ộ “24g /c m :i C c tạ p tr u n g , f ,