Задача 1: Обитаема зона

В тази практическа задача учениците ще използват източник на топлина и термометър, при което ще научат как температурата на повърхността на екзопланетите се променя с промяната на разстоянието от родителската звезда. 

Използвайки термометри и крушки с различна отразяваща способност, учениците ще се запознаят с влиянието на албедото върху температурата на екзопланетата. Основната цел е учениците да разберат идеята, че около родителската звезда има места с много високи и много ниски температури, включително и такива райони (например обитаема зона или също наричана „зона на Златокоска“), където повърхността на планетата е с температура, която поддържа водата в течно състояние. 

Помощни средства 

■ източник на топлина,
■ два термометъра (единият с оцветен в черно резервоар, а другият с лъскав резервоар),
■ лабораторна стойка със скоби,
■ линийка, милиметрова хартия. 

Въпроси за начало 

Въпрос: Трябва ли температурата на повърхността на екзопланетата да се повиши или да се понижи в зависимост от разстоянието ѝ от родителската звезда? Защо?nbsp;

Отговор: Температурата намалява с увеличаване на разстоянието, защото енергията, получена от единица площ на изотропно излъчващия източник (родителската звезда), намалява с квадрата на разстоянието. Вж. Фиг. 5 по-долу.

Въпрос: Как температурата на екзопланетата се влияе от отражателната способност на нейната повърхност?nbsp;

Отговор: Колкото по-отразяваща е повърхността на екзопланетата (т.е. колкото по- високо е албедото), толкова повече енергия, улавяна от екзопланетата, се изпраща обратно в космоса, т.е. колкото по-малко енергия се абсорбира от екзопланетата, толкова по-ниска е температура на нейната повърхност. 

Въпрос: Какъв е ефектът на атмосферата върху температурата на екзопланетата?nbsp;

Отговор: Атмосферата не позволява на преизлъчената от повърхността част от енергията да се върне обратно в космоса. Следователно, тя служи за „поддържане“ на енергията в системата, като по този начин се повишава температурата на екзопланетите. Това е в основата на представата за парниковия ефект. Виж Фиг. 6 по-долу.

Въпрос: Какво е „обитаема зона“?nbsp;

Отговор: Това е интервалът на разстоянията от родителската звезда, в който екзопланетите, при достатъчно атмосферно налягане, могат да „поддържат“ вода в течно състояние на повърхността си. Необходимият температурен диапазон на повърхността трябва да е приблизително между 0 ° C и 100 ° C (в зависимост от точното атмосферно налягане). Поради зависимостта на температурата на екзопланетите от повърхността и атмосферата там, границите на обитаемата зона не са ясно определени. 

Въпрос: Кои от планетите на Слънчевата система се намират в обитаемата зона?nbsp;

Отговор: Само Земята. Въпреки че разстоянието от Венера до Слънцето не е малко, голямото количество парникови газове в атмосферата ѝ води до развиването на такива условия, които не позволяват на течната вода да остане на повърхността ѝ. Марс, от друга страна, лежи точно извън външната граница на обитаемата зона на Слънцето. Това е така, защото тънката атмосфера на Марс води до това, че по- голямата част от водата там се задържа под формата на лед около полярните му шапки. Присъствието на течна вода обаче не е изключено в зависимост от сезона.

Въпрос: Използвайте интернет, за да намерите екзопланетите, които се намират в обитаемата зона на родителските им звезди. Запишете възможно най-много данни за екзопланетите и техните родителски звезди. 

Отговор: През август 2018 г. имаме данни за приблизително 40 потвърдени екзопланети, които обикалят около своята родителска звезда в обитаемата зона. 

Въпрос: Защо течната вода е основна съставка на живота?nbsp;

Отговор: Много от съществените за живота вещества са разтворими във вода в течно състояние, което позволява тяхното транспортиране и усвояване. 

Въпрос: Какви са последиците от еволюцията на звездите върху обитаемата зона?nbsp;

Отговор: Обикновените звезди (звездите от Главната последователност), включително Слънцето, стават по-ярки по време на еволюцията си. Това означава, че за дадена (родителска) звезда границите на обитаемата зона постепенно се отдалечават от нея. В резултат, планетите, намиращи се на стабилни орбити, постепенно стават все по-топли. 

Въпрос: Какъв тип планети (по отношение на техния химически състав) очаквате да намерите в близост до техните родителски звезди? Какъв тип планети очаквате да намерите по-далеч от звездата? Как отговорите ви кореспондират с наличните до момента данни от наблюденията?nbsp;

Отговор: Очаква се каменистите планети да са най-близо до родителската си звезда, докато газовите планети-гиганти и ледените космически обекти са по-далеч от нея. Това е така, защото през периода на формирането на планетата нейните елементи като силиций и желязо (от които са съставени каменистите планети) се утаяват при много по-високи температури в сравнение с по-простите елементи като водород и хелий (основните съставки на газообразните планети-гиганти). Следователно, широкото разпространение на т. нар. „горещи Юпитери“ не може да бъде част от тази схема и трябва да се намери друга теория, включваща „планетната миграция“. 

Инструкции за работа 

Учениците използват два типа термометри за измерване на температурата, която варира в зависимост от това на какво разстояние се намират от източника на топлина. Единият термометър трябва да има оцветен в черно резервоар, за да може максимално да избегне отразяването, докато другият термометър трябва да има лъскав резервоар (например резервоар, увит в парче алуминиево фолио), за да може максимално да отразява. В резултат на това термометърът с лъскавия резервоар трябва да има по-ниски стойности от термометъра с оцветения в черно резервоар. 

Подробни инструкции за учениците 

1. Свържете два термометъра към лабораторната стойка с помощта на двете скоби. 

2. Поставете стойката на 1 м от източника на топлина. 

3. Изчакайте стойностите на двата термометъра да се стабилизират и запишете температурата, измерена с всеки един от двата термометъра. 

4. Повторете действието за по-малки разстояния. Препоръчваме да намалите разстоянието с 5 см. Трябва да спрете на такова разстояние, където температурните стойности не надвишават границата на вашите термометри. 

5. Начертайте зависимостта на измерената температура от разстоянието между термометрите и от източника на топлина върху милиметровата хартия. Резултатите и за двата термометъра трябва да бъдат включени в една графика. Начертайте разстоянието (в см) по хоризонталната ос и измерената температура (в °С) по вертикалната ос. 

6. Свържете измерените данни с двата термометъра в две отделни криви. 

След приключване на практическата дейност учениците трябва да отговорят на следните въпроси: 

Въпрос: Как се променя измерената температура с промяната на разстоянието между термометрите и източника на топлина? Промяната отговори ли на вашите очаквания?nbsp;

Отговор: Учениците трябва да установят, че температурата в действителност намалява с увеличаване на разстоянието така, както беше посочено по-горе. 

Въпрос: Какво може да се каже за ефекта на отражението на термометрите върху записаната температура?nbsp;

Отговор: Учениците трябва да установят, че кривата, която са начертали за термометъра с оцветения в черно резервоар, лежи над кривата, очертана за термометъра с лъскавия резервоар. По този начин доказахме, че по-високата отражателна способност води до понижаване на температурата.

Въпрос: Към каква температура се приближават измерените температурни криви при дълги разстояния?nbsp;

Отговор: Към текущата стайна температура. 

Въпрос: Към каква температура биха се приближили температурните криви на една истинска екзопланета?nbsp;

Отговор: Към абсолютната нула, приблизително –270 °C.