Úloha 1: Obývateľná zóna

V tejto praktickej úlohe použijú žiaci zdroj tepla a teplomer, pričom budú skúmať, ako sa mení povrchová teplota exoplanéty so zmenou vzdialenosti od materskej hviezdy.

Žiaci si použitím teplomerov a žiaroviek s rôznou odrazivosťou uvedomia vplyv povrchového albeda na teplotu na exoplanéte. Hlavným cieľom je, aby žiaci pochopili základnú myšlienku, že v okolí materskej hviezdy sa nachádzajú miesta s vysokou a nízkou teplotou, vrátane oblastí (obývateľná zóna alebo Zlatovláskina zóna), kde je na povrchu planéty vhodná teplota na udržanie vody v tekutom skupenstve.

Pomôcky

■ zdroj sálavého tepla,
■ dva teplomery (jeden s nádržkou zafarbenou na čierno, druhý s lesklou nádržkou),
■ laboratórny stojan so svorkami,
■ pravítko, milimetrový papier.

Otázky na úvod

Otázka: Mala by povrchová teplota exoplanéty vzrastať alebo klesať so vzdialenosťou od materskej hviezdy? Prečo?

Odpoveď: Znižuje sa, pretože energia prijímaná jednotkou plochy od izotropne emitujúceho (všetkými smermi vyžarujúceho) zdroja (materská hviezda) klesá s druhou mocninou vzdialenosti. Pozri Obr. 5 nižšie.

Otázka: Ako je ovplyvnená teplota exoplanéty odrazivosťou jej povrchu?

Odpoveď: Čím je povrch exoplanéty odrážavejší (t. j. čím vyššie je albedo), tým viac energie zachytenej exoplanétou je poslanej späť do vesmíru, to znamená, čím menej energie je exoplanétou absorbované, tým nižšia je jej povrchová teplota.

Otázka: Aký je vplyv atmosféry na teplotu exoplanéty?

Odpoveď: Atmosféra vracia späť časť energie, ktorú povrch odrazí alebo vyžiari preč do vesmíru. Slúži teda na „udržanie“ energie v systéme, čím sa zvyšuje teplota exoplanéty. To je v podstate myšlienka skleníkového efektu. Pozri Obr. 6 nižšie.

Otázka: Čo je „obývateľná zóna“?

Odpoveď: Ide o  interval vzdialeností od materskej hviezdy, kde exoplanéty môžu mať pri dostatočnom atmosférickom tlaku na svojom povrchu tekutú vodu. Potrebný interval povrchových teplôt je zhruba medzi 0 °C až 100 °C (závislé od presnej hodnoty atmosférického tlaku). Hranice obývateľnej zóny nie sú z dôvodu závislosti teploty exoplanéty od vlastností jej povrchu a atmosféry ostro vymedzené.

Otázka: Ktoré planéty Slnečnej sústavy ležia vnútri obývateľnej zóny?

Odpoveď: Iba Zem. Hoci vzdialenosť Venuše od Slnka nie je príliš malá, vysoká hojnosť skleníkových plynov v jej atmosfére vedie k podmienkam, ktoré nedovoľujú na jej povrchu udržať tekutú vodu. Na druhej strane, Mars leží tesne za vonkajšou hranicou obývateľnej zóny Slnka. Vzhľadom na jeho tenkú atmosféru je väčšina vody na Marse uchovaná vo forme ľadu v  jeho polárnej čiapočke. Nie je však vylúčená prítomnosť tekutej vody v závislosti od ročného obdobia.

Otázka: Pomocou internetu nájdite exoplanéty, ktoré ležia v obývateľnej zóne ich materských hviezd. Zaznamenajte o exoplanétach a ich materských hviezdach čo najviac dostupných údajov.

Odpoveď: V auguste 2018 máme približne 40 potvrdených exoplanét, ktoré obiehajú okolo svojej materskej hviezdy v obývateľnej zóne.

Otázka: Prečo je tekutá voda nevyhnutnou zložkou pre vznik života?

Odpoveď: Mnohé látky, ktoré sú nevyhnutné pre život, sú rozpustiteľné v kvapalnej vode, čo môže sprostredkovať ich transport a absorpciu.

Otázka: Aké dôsledky má vývoj hviezd na obývateľnú zónu?

Odpoveď: Bežné hviezdy (hviezdy hlavnej postupnosti), kam patrí aj Slnko, sa počas vývoja stávajú viac žiarivé. To znamená, že sa pre danú hviezdu hranice obývateľnej zóny postupne posúvajú ďalej od materskej hviezdy. V dôsledku toho sa planéty na stabilných obežných dráhach stávajú oveľa teplejšie.

Otázka: Aký typ planét (z hľadiska ich chemického zloženia) by ste očakávali, že nájdete blízko ich materských hviezd? Aký typ planét by ste očakávali, že nájdete ďalej od hviezdy? Ako vaše odpovede korešpondujú s aktuálne dostupnými pozorovanými údajmi?

Odpoveď: Očakáva sa, že kamenné planéty budú najbližšie k ich materskej hviezde, zatiaľ čo plynní obry a ľadové telesá sú vo väčšej vzdialenosti. Je to preto, že počas obdobia formovania planéty sa prvky ako kremík a železo (z ktorých sú zložené kamenné planéty) zrážali pri oveľa vyšších teplotách než jednoduchšie prvky, ako je vodík a hélium (hlavné zložky plynných obrov). Hojný výskyt takzvaných „horúcich Jupiterov“, ktoré sú teraz nachádzané, preto nepatrí do tejto schémy a je potrebné nájsť teóriu zahŕňajúcu „planetárnu migráciu“.

Postup

Žiaci použijú dva typy teplomerov na meranie teploty, ktorá sa mení v závislosti od vzdialenosti od zdroja sálavého tepla. Jeden teplomer by mal mať očernetú nádržku, aby sa čo najviac vylúčil odraz, zatiaľ čo druhý by mal mať lesklú nádržku (napr. zabalenú do kusu hliníkovej fólie), aby odrážal čo najviac žiarenia. V dôsledku toho by mal lesklý teplomer vykazovať nižšie hodnoty než očernetý.

Podrobné pokyny pre žiakov

1. Pomocou dvoch svoriek pripojte oba teplomery k laboratórnemu stojanu.
2. Postavte stojan do vzdialenosti 1 m od zdroja sálavého tepla.
3. Počkajte, kým sa hodnoty na oboch teplomeroch ustália, a zaznamenajte teplotu nameranú oboma teplomermi.
4. Opakujte pre menšie vzdialenosti. Odporúčame znížiť vzdialenosť o 5 cm. Mali by ste sa zastaviť vo vzdialenosti, kde hodnoty teplôt prekračujú limit vašich teplomerov.
5. Na milimetrový papier nakreslite závislosť nameranej teploty od vzdialenosti od zdroja tepla. Výsledky pre oba teplomery by mali byť zahrnuté do jediného grafu. Na vodorovnú os vynášajte vzdialenosť (v cm) a na zvislú os zmeranú teplotu (v °C).
6. Preložte namerané dáta oboma teplomermi dvoma krivkami.

Po ukončení praktickej činnosti by mali žiaci odpovedať na nasledujúce otázky:

Otázka: Ako sa nameraná teplota mení so vzdialenosťou od zdroja tepla? Spĺňa to vaše očakávania?

Odpoveď: Žiaci by mali zistiť, že teplota skutočne klesá so vzdialenosťou tak, ako sme diskutovali vyššie.

Otázka: Čo možno povedať o vplyve odrazivosti teplomera na zaznamenanú teplotu?

Odpoveď: Žiaci by mali zistiť, že krivka, ktorú zakreslili pre očernetý teplomer, leží nad krivkou zakreslenou pre lesklý teplomer. Vyššia odrazivosť teda vedie k zníženiu teploty.

Otázka: K akej teplote sa približujú namerané teplotné krivky pre veľké vzdialenosti?

Odpoveď: K súčasnej teplote v miestnosti.

Otázka: K akej teplote by sa blížili krivky u skutočnej exoplanéty?

Odpoveď: Absolútna nula, približne –270 °C.