DE FYSICA VAN HET PLANETENSTELSEL

De eerste waarnemingen met een verrekijker

Tot aan de uitvinding van de telescoop (1610) ware de tot op dat ogenblik bekende vijf planeten, evenals de vaste sterren, puntvormige objecten en de “fysica” van de planeten (voor zover men daarvan eigenlijk al kon spreken), beperkten zich ertoe het mechanisme van de bewegingen te bestuderen. Aan de uit dit mechanisme volgende veranderingen in de loop van de tijd in de afstand van de planeten tot de aarde schreef men ook de wisselingen in hun helderheid toe, waarvan de kwantitatieve meting echter met de destijds beschikbare instrumenten niet mogelijk was.

Pas de telescoop onthulde de bolvorm van de planeten en het voorkomen van fasen als die van de maan, die vooral bij Mercurius en Venus, de binnen de aardbaan om de zon bewegende planeten, duidelijk waarneembaar waren. De eerste die het nieuwe instrument voor waarnemingen van de hemel gebruikte was Galileï. Hij ontdekte gebergte op de maan de zonnevlekken, de vier grote manen die om Jupiter cirkelde en merkwaardige, soms verdwijnende, op oren gelijkende uitsteeksels aan beide zijden van de planeet Saturnus, waarvan hij de aard niet kon vaststellen.

Dat lukte eerst bijna 50 jaar later de Nederlandse natuurkundige Christiaan Huygens (1629-1695), toen hij met verbeterde optische hulpmiddelen Saturnus waarnam en ontdekte, dat deze planeet door een dunne, vrij zwevende ring is omgeven. Huygens ontdekte ook Titan, de grootste van de manen van Saturnus. Deze ontdekking bewees de fysische verwantschap van de planeten met de aarde en droeg daardoor beslist bij tot de voorbereiding van de leer van Copernicus. Men begon de planeten te beschouwen als op de aarde gelijkende lichamen en vermoeden, dat aan hun oppervlakten toestanden en gebeurtenissen voor kwamen, als aan het aardoppervlak. Het ontbrak echter in de 17e eeuw nog volkomen aan de middelen om deze vermoedens door waarnemingen te ondersteunen en daarom beperkte de fysica van de planeten zich destijds in geheel tot speculaties en zuivere analogie – conclusies. Een voorbeeld daarvan is de “Cosmotheros” een boek waarin Huygens (1659) trachtte met de hulp van de analogie – methoden tot conclusie te komen over de fysische natuur van de planeten. Uitgaande van de volgens onze huidige kennis onjuiste, maar in het verband van zijn tijd begrijpelijke voorstelling, dat de planeten door God waren geschapen om levende wezens als woonplaats te dienen, onderzocht hij de op de planeten en trok daaruit conclusies die ons thans nog als vreemd voorkomen. Belangrijk is echter, dat hij al destijds twee fysische oorzaken vermeld voor de afwijkende levensomstandigheden op de planeten welke ook in de moderne fysica van de planeten worden gebruikt: de verschillen in de intensiteit van de zonnestraling en in de zwaartekracht. Daar de sterkte van de bestraling met het kwadraat van de afstand van stralingsbron afneemt, kan men (op grond van de door de derde wet van Kepler vastgelegde relatieve afstanden van planeten tegenover staan de van de zon) gemakkelijk berekenen, dat Mercurius, die zich dichtbij de zon bevindt, ongeveer zesmaal zoveel licht en warmte van de zon ontvangt als de aarde, terwijl Jupiter die zich op een ruim vijfmaal grotere afstand van de zon bevindt als de aarde, slechts het 1/27e deel van de aardse zonnewarmte ontvangt.

Op Mercurius moet het daarom zeer heet en op Jupiter echter zeer koud zijn om deze extreme temperatuurverschillen met zijn principe van de bewoonbaarheid van de planeten toch in overstemming te brengen, gebruikte Huygens een vreemde uitweg: daar levende wezens voor hun bestaan water in vloeibare vorm nodig hebben en water op de hete Mercurius zou verdampen en op de koude Jupiter zou bevriezen, neemt hij aan, dat er verschillende soorten water bestaan, waarvan het smeltpunt – en kookpunt aan de op de planeten heersende thermische omstandigheden is aangepast, zodat de daar levende wezens het voortbestaan noodzakelijker vloeibare element ter beschikking hebben. Verder neemt Huygens aan, dat de zwaartekracht aan het oppervlak van de grote planeten groter is dan op kleine planeten en dat daarom de lichamelijke verschijningsvorm van de planeet bewoners afhankelijk van de grootte van de planeten, onderling zeer verschillend moet zijn. Ofschoon Newton zijn gravitatie wetten, waaruit de massa en de zwaartekracht aan het oppervlak van de planeten kunnen worden afgeleid, eerst 30 jaar na het verschijnen van de “Cosmotheoros”publiceerde, neemt Huygens met een zekere instinct van een grote fysicus deze begrippen al als vaststaand aan.

De fysica van de planeten in de 19e eeuw

De fysica van de hemellichamen, die voldoet aan de eisen van de moderne ervaringswetenschap, ontstond eerst toen de fysische wetenschap een voldoend hoge trap had bereikt. Dat geschieden in de loop van de 19e eeuw en eerst sinds die tijd is het de astronomen gelukt, het terrein van de zuivere speculatie te verlaten, op grond van exacte waarnemingen en met exacte fysische methoden werkend, een objectiever beeld te ontwerpen van de op de planeten heersende toestanden. Tegen het einde van deze eeuw waren door onvolledige kennis voorstellingen ontstaan, die door de moderne fysica van de planeten als uitgangspunt konden worden gebruikt.

De massa kon men bij de planeten, bepalen uit het derde wet van Kepler, die ook toegepast kan worden op de satellieten stelsels. Bij de planeten zonder satellieten, Mercurius en Venus (waarbij sinds 1930 nog de transneptunische dwerg planeet Pluto moet worden gevoegd ), bepaalde men de massa’s (echter met minder nauwkeurigheid) uit de storende bewerkingen die deze planeten op het zonnestelsel uitoefenen. Uit de massa en de inhoud van de planeten vond men dan de gemiddelde dichtheid, een fysische grootheid, die ver strekkende conclusies ten aanzien van de materiële toestand van de planeten mogelijk maakt. Verder kende men van de meeste planeten de rotatiesnelheid en de positie van de rotatie – as in de ruimte. Een uitzondering hierop vormden Mercurius en Venus (en Pluto, toen nog onbekend), omdat de moeilijkheden, die zich voordoen bij de waarnemingen van deze planeten, een betrouwbare bepaling van de rotatie onmogelijk maken. Een van de meest ervaren waarnemers van planeten voor 1900, Schiaparelli (1835 – 1910), was van mening, dat deze beiden de zon steeds dezelfde zijde toe wenden, zodat hun als wenteling in dezelfde tijd zou plaatshebben als hun omloop om de zon. Volgens latere onderzoekingen is deze veronderstelling voor Mercurius juist gebleken, terwijl men toen geloofden, dat Venus in 15-30 dagen om een als van een nog onbekende richting draaide. De omlooptijd rond de zon bedraagt 225 aarddagen en de rotatie tijd is 243 aarddagen. Lang bekend zijn de rotatie tijden van Mars (24 uur 37 min), Jupiter (9u50), Saturnus (10u14), Uranus (10u49) Neptunus (ongeveer 15u40). Uiterst bescheiden was de kennis van de aandelen oppervlakten van de planeten heersende toestand en van de atmosferen van de planeten. Van Mercurius wist men, dat deze (precies als onze maan) geen atmosfeer heeft, terwijl men zag dat Venus door een dichte atmosfeer, vol wolken, was omgeven, die elke doorkijk tot op het eigenlijke oppervlak onmogelijk maakte. Naar analogie van de aarde, die slechts weinig groter is dan Venus, nam men aan oma dat de wolken om Venus uit waterdamp bestonden. Hieruit ontstond de voorstelling, dat Venus een planeet zou zijn met een zeer warme, vochtig klimaat, zoals in een vroeger ontwikkelingsstadium (het carbon) vermoedelijk op aarde heeft geheerst. Over Mars wist men iets meer. Een dun, meestal volkomen doorzichtig glas omhulsel ligt om deze planeet, waardoor de bestudering van het oppervlak nauwelijks wordt bemoeilijkt. In de loop van de 19e eeuw werden al zeer nauwkeurig de kaarten van Mars getekend, waarvan die van Schiaparelli In 1877, met de ontdekking van de zogezegde”Marskanalen”, een enorme sensatie verwekte. De hierop gebaseerde van plastische voorstellingen van het bestaan van intelligente Marsbewoners, die deze kanalen zouden hebben aangelegd voor de watervoorziening van hun waterarme planeet, verstomde echter spoedig, toen bleek, dat deze kanalen minder duidelijk zichtbaar werden, naarmate men betere en grotere telescopen gebruikte en nadat onderzoekingen hadden aangetoond, dat het hier hoofdzakelijk ging om gezichtsbedrog, zoals licht kan voorkomen bij waarnemingen van dingen die net aan de grens van het waarneembare liggen.

Voor Jupiter beschikte men over talloze waarnemingen gedurende een periode van meer dan 100 jaar komen en die duidelijk bewezen dat het oppervlak van de planeet zichtbare strepen en plekken werden veroorzaakt door verschijnselen in een dichte atmosfeer, stromingen en voortdurend veranderende wolken, over de samenstelling waarvan men echter niets kon zeggen.

Bij Saturnus waren de oppervlaktedetails, die van gelijke soort schenen te zijn, veel minder duidelijk te zien door de grote afstand tot deze planeet, en uit de kleine schijfjes van Uranus en Neptunus, waarop men nog maar nauwelijks details kon waarnemen, kon men hoogstens de slotsom trekken, dat deze planeten met hun atmosfeer in het algemeen wel op Jupiter zouden lijken. Vaststond, dat de grote planeten van het zonnestelsel in twee groepen verdeeld kunnen worden, die vanuit fysisch standpunt beschouwd totaal verschillend zijn: de vier dichtbij de zon staande “ aardse planeten “ (Mercurius, Venus, Aarde, Mars), die in groten en dichtheid met de aarde zijn te vergelijken en de vier “ reuzenplaneten “(Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus), die in groten en massa een veelvoud van de aarde zijn, terwijl hun dichtheid aanmerkelijk veel kleiner en niet ver van die van water verwijderd is. Jupiter, waarvan de dichtheid anderhalve maal zo groot is als die van water, lijkt hierin op de zon, terwijl de gemiddelde dichtheid van Saturnus, de heiligste van de planeten slechts 7/10 maal die van water is. Indien men Saturnus in een bad zou gooien zou de planeet blijven drijven. De in 1930 ontdekte dwerg planeet Pluto gelijkt wat grootte en dichtheid betreft op de aardplaneten maar meer op kometen(een vuile sneeuwbal).

Ons zonnestelsel 

De Zon

De zon in één van de sterren van onze Melkweg. De Melkweg is een platte , schijfvormige structuur met een verdikking in het midden. Het is een sterrenstelsel met ongeveer 200 miljard sterren en van deze stelsels zijn er een 100 miljard in het heelal.

De zon is op alle gebied een gemiddelde, eerder gewone ster, Grote sterren(de reuzen) kunnen wel een 1000 keer grotere diameter hebben. Sommige sterren hebben bijna 100 keer meer massa en andere zijn tot een miljoen keer helderder dan de zon. De kleinste sterren (de dwergen) zijn, naargelang de soort, van enkele duizenden kilometer tot zelfs maar een tiental kilometer groot. De zwakste sterren zijn 1000 keer minder helder dan de zon en bevatten maar enkele tienden van haar massa.

Aan het oppervlak (fotosfeer) heeft de zon een temperatuur van 6000°C. In de kern loopt de temperatuur op tot 15 miljoen graden. De zon is een gele ster. De heetste sterren zijn blauw-wit, de koelste rood.

De zon is ontstaan toen in het centrum van een door de zwaartekracht inkrimpende gaswolk kernreacties zijn gestart. Toen begon de omzetting van waterstof in helium door kernfusie waardoor er energie vrij kwam en de verdere inkrimping werd tegengehouden. Dat is meer dan 4.5 miljard jaar geleden. Ondertussen is de zon al meer dan 30% in helderheid toegenomen en de volgende 6.5 miljard jaar zal de omzetting van waterstof in helium nog verder gaan. Daarna wordt de zon snel een rode reus die wel 2000 keer helderder kan zijn dan de zon nu is, en meer dan 160 keer groter. De planeten zijn dan een stukje naar buiten verhuisd zodat de aarde aan opslokking ontsnapt. De temperatuur op aarde stijgt dan boven de 100°C en de aardatmosfeer zal volledig verdwenen zijn. Dan ondergaat de zon nog enkele onstabiele fasen, zij stoot haar buitenlagen af, misschien vormt ze een mooie nevel. Wat rest van het centrale deel wordt een witte dwergster van koolstof en zuurstof met een diameter van 10000 km.

De zon heeft een eigen cyclus van gemiddeld 11 jaar, of , als je met de polariteit rekening houdt, een cyclus van 22 jaar.

Tijdens een minimum, zoals in 1996 en nu, is de zon minder actief. Er zin minder structuren in de corona en zonnevlekken op het zonneoppervlak te bespeuren. Tijdens een maximum, zoals in 2202, is het oppervlak van de zon bezaaid met actieve gebieden die voortdurend kleine en grote uitbarstingen veroorzaken. Dit wederkerige gedrag van de zon is zichtbaar in de verschillende lagen van de zon.

Het magneetveld van de zon varieert spectaculair . Tijdens een maximum is de zon een grote magnetische dipool met de typische structuur. Tijdens een maximum is er echter een wirwar van magnetische lussen en concentraties van magnetische gebieden over de ganse schijf. Dan ook veranderen de polen van polariteit. De magnetische zuidpool wordt de magnetische Noordpool en omgekeerd. Dit gebeurt eens om de 11jaar, maar als we ons laten leiden door de magnetische polariteit, spreken we over de 22 jarige activiteitcyclus van de zon.

De fotosfeer van de zon straalt vooral in het zichtbare licht, vandaar dat deze laag zichtbaar is vanop de aarde. Hier zie je ook de zonnevlekken. Dat zijn donkere gebieden op de zon. De temperatuur is er 1000 tot 1500 graden lager dan de omgeving en daarom vallen ze op. Er is ook een duidelijk verband met de magnetische veldlijnen.

Het zonnevlekken getal is een maat voor hoe erg de zonneschijf bevlekt is en is tevens een maat voor de zonneactiviteit. Systematische waarnemingen van het zonnevlekgetal geven ons een duidelijk overzicht de zonnecyclus.

Als we de straling van de zon over alle golflengte op een bepaald ogenblik optellen, krijgen we de zogenaamde zonneconstante. Door de zonneconstante te meten heeft men vastgesteld dat deze zoneconstante helemaal niet constant is maar integendeel veranderd in een cyclus van 11 jaar. Als we dit koppelen aan het magnetischveld van de zon, spreken we van een 22 jarige cyclus. Deze veranderlijkheid komt vooral tot uiting in het deel van het spectrum met korte golflengte, zoals UV en Röntgenstraling, wat overeenkomt met de straling van de hete corona.

De zon heeft een verborgen agenda en kan wel eens besluiten om geen rekening te houden met de 11 jarige cyclus. Dat is in het verleden zeker al gebeurd. Zo werden tijdens het Maunder minimum (1645-1715) zo goed als geen zonnevlekken waargenomen. Verwar deze periode niet met de andere kleine ijstijden, zoals deze ten tijde van Pieter Bruegel de Oude (1525-1569). Maar ook voor de andere kleine ijstijden zijn er, weliswaar indirecte aanwijzingen dat er een langere tijd een grote zonneactiviteit was. Welke invloed dit zou geven op de huidige globale opwarming van onze planeet is niet geweten.