โลก ดาราศาสตร และอวกาศ

โลก ดาราศาสตร และอวกาศ

1. โลกและการเปลี่ยนแปลง

1.1 โครงสร้างโลก แบ่งตามลักษณะมวลสาร ได้ 3 ชั้น คือ

1. ชั้นเปลือกโลก แบ่งเป็น 2 บริเวณ คือ

• ภาคพื้นทวีป ประกอบด้วย ซิลิกาและอะลูมินา

• ใต้มหาสมุทร ประกอบด้วย ซิลิกาและแมกนีเซีย

2. ชั้นเนื้อโลก มีความลึก 2,900 กิโลเมตร แบ่งเป็น 3 ส่วน คือ

• ส่วนบน เป็นหินที่เย็นตัว ชั้นเนื้อโลกส่วนบนรวมกับชั้นเปลือกโลก เรียกว่า ชั้นธรณีภาค

• ชั้นฐานธรณีภาค เป็นชั้นของหินหลอมละลายหรือหินหนืด ที่เรียกว่า แมกมา

• ชั้นล่างสุด เป็นชั้นของแข็งร้อนที่แน่นและหนืด

3. ชั้นแก่นโลก แบ่งเป็น 2 ส่วน คือ

• แก่นโลกชั้นนอก เป็นเหล็กและนิกเกิลที่เป็นของเหลวร้อน

• แก่นโลกชั้นใน เป็นเหล็กและนิกเกิลที่เป็นของแข็ง

1.2 ปรากฏการณ์ทางธรณีวิทยา

แนวรอยต่อที่ทำให้เกิดแผ่นดินไหว มี 3 แนว คือ

1. แนวรอยต่อรอบมหาสมุทรแปซิฟิก เกิดแผ่นดินไหวรุนแรงและมากที่สุด ( 80% ) เรียกว่า วงแหวนแห่งไฟ ได้แก่ ญี่ปุ่น ฟิลิปปินส์ อินโดนีเซีย สหรัฐอเมริกา เม็กซิโก

2. แนวรอยต่อภูเขาแอลป์ในยุโรปและภูเขาหิมาลัยในเอเซีย เกิดแผ่นดินไหว (15%) โดยจะเกิดระดับตื้นและปานกลาง ได้แก่ พม่า อัฟกานิสถาน อิหร่าน ตุรกี และทะเลเมดิเตอร์เรเนียน

3. แนวรอยต่อบริเวณสันกลางมหาสมุทรต่างๆ ของโลก (5%) ได้แก่ บริเวณเทือกเขากลางมหาสมุทรแอตแลนติก มหาสมุทรอินเดียและอาร์กติก โดยจะเกิดแผ่นดินไหวในระดับตื้น

ภูเขาไฟ แบ่งเป็น 2 รูปแบบ ดังนี้

• เกิดจาก การปะทุของแมกมา จะมีสัญญาณบอกเหตุล่วงหน้า เช่น แผ่นดินไหว และมีเสียงคล้ายฟ้าร้อง ซึ่งเมื่อพ่นออกมา เรียกว่า ลาวา คุพุ่งเหมือนนํ้าพุร้อน เมื่อเย็นตัวกลายเป็น หินบะซอลต์ ซึ่งมีรูพรุน

• เกิดจาก การระเบิดของแมกมาที่มีก๊าซ ซึ่งจะแยกเป็นฟองเหมือนนํ้าเดือดและขยายตัวจนระเบิดอย่างรุนแรง พ่นเศษหิน ผลึกแร่ เถ้าภูเขาไฟ และเมื่อเย็นตันเป็นหิน เรียกว่า หินตะกอนภูเขาไฟ ซึ่งเรียกชื่อตามขนาดและชิ้นส่วนที่พ่นออกมา เช่น หินทัฟฟ์ หินกรวดเหลี่ยมภูเขาไฟ หินกรวดมนภูเขาไฟ

2. ธรณีภาค

2.1 แผ่นธรณีภาคและการเคลื่อนที่

ปี พ.ศ.2458 ดร.อัลเฟรด เวกาเนอร์ นักอุตุนิยมวิทยา ชาวเยอรมัน ได้ตั้งสมมติฐานว่า

“ผืนแผ่นดินทั้งหมดบนโลกแต่เดิมเป็นแผ่นดินผืนเดียวกัน เรียกว่า พันเจีย เมื่อ 200 - 135 ล้านปีที่แล้ว แยกออกเป็น 2

ทวีปใหญ่ คือ ลอเรเซียทางตอนเหนือและกอนด์วานาทางตอนใต้ และเมื่อ 135-65 ล้านปีที่แล้ว ลอเรเซียเริ่มแยกเป็นอเมริกาเหนือและแผ่นยูเรเซีย (ยุโรป+เอเชีย) กอนด์วานาจะแยกเป็น อเมริกาใต้ แอฟริกา ออสเตรเลีย แอนตาร์กติกา และอินเดีย

แผ่นธรณีภาคมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลา ดังนี้

1. ขอบแผ่นธรณีภาคแยกออกจากกัน

เกิดจาก การดันตัวของแมกมา ทำให้เกิดรอยแตก จนแมกมาถ่ายโอนความร้อนได้ ทำให้อุณหภูมิและความดันลดลงทำเปลือกโลกทรุดตัวกลายเป็นหุบเขาทรุด ต่อมามีนํ้าไหลมาสะสมเป็นทะเล และเกิดเป็นร่องลึก แมกมาจึงแทรกดันขึ้นมา ส่งผลให้แผ่นธรณีเคลื่อนตัวแยกออกไปทั้งสองข้าง เกิดการขยายตัวของพื้นทะเล

2. ขอบแผ่นธรณีภาคเคลื่อนเข้าหากัน มี 3 แบบ คือ

- แผ่นธรณีภาคใต้มหาสมุทรชนกับแผ่นธรณีภาคใต้มหาสมุทร ทำให้แผ่นหนึ่งมุดลงใต้อีกแผ่นหนึ่ง ปลายของแผ่นที่มุดลงจะหลอมกลายเป็นแมกมา และปะทุขึ้นมา ทำให้เกิดเป็นแนวภูเขาไฟกลางมหาสมุทร

- แผ่นธรณีภาคใต้มหาสมุทรชนกับแผ่นธรณีภาคภาคพื้นทวีป ทำให้แผ่นธรณีภาคใต้มหาสมุทรซึ่งหนักกว่ามุดลงข้างล่าง เกิดเป็นแนวภูเขาไฟชายฝั่ง เช่น อเมริกาใต้ (แอนดีส)

- แผ่นธรณีภาคภาคพื้นทวีปชนกับแผ่นธรณีภาคภาคพื้นทวีป ซึ่งทั้งสองแผ่นมีความหนามาก ทำให้แผ่นหนึ่งมุดลงแต่อีกแผ่นหนึ่งเกยขึ้นเกิดเป็นเทือกเขาเป็นแนวยาวอยู่กลางทวีป เช่น เทือกเขาหิมาลัย แอลป์

3. ธรณีประวัติ

3.1 อายุทางธรณีวิทยา แบ่งเป็น 2 แบบ

- อายุสัมบูรณ์ เป็นอายุของหินหรือซากดึกดำบรรพ์ที่สามารถบอกจำนวนปีที่แน่นอน ซึ่งคำนวณได้จากครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสี ได้แก่ ธาตุ C-14 K-40

- อายุเปรียบเทียบ ใช้บอกอายุของหิน ว่าหินชุดใดมีอายุมากหรือน้อยกว่ากัน โดยอาศัยข้อมูลจากซากดึกดำบรรพ์ที่ทราบอายุแน่นอน ลักษณะลำดับชั้นหินและโครงสร้างของชั้นหิน

3.2 ซากดึกดำบรรพ์ คือ ซากและร่องรอยของสิ่งมีชีวิต ที่ตายทับถมอยู่ในชั้นหินตะกอน

พืชและสัตว์ที่จะเปลี่ยนสภาพเป็นซากดึกดำบรรพ์ได้ต้องมีโครงร่างที่แข็ง เพื่อว่าแร่ธาตุต่างๆ จะสามารถแทรกซึมเข้าไปในช่องว่างนั้นได้ ทำให้ทนทานต่อการผุพังและต้องถูกฝังกลบอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะทำให้ซากสิ่งมีชีวิตชะลอการสลายตัว โดยซากของสัตว์ทะเลจะพบมากที่สุด เพราะว่าเมื่อจมลงจะถูกโคลนและตะกอนเม็ดละเอียดทับถม ซึ่งตะกอนละเอียดจะทำให้ซากสิ่งมีชีวิตเสียหายน้อยที่สุด

ประเทศไทยพบซากดึกดำบรรพ์ เช่น ซากไดโนเสาร์ พบครั้งแรกที่ อ.ภูเวียง จ.ขอนแก่น เป็นไดโนเสาร์เดิน 4 เท้า มี คอ-หาง ยาว กินพืชเป็นอาหาร ตั้งชื่อว่า “ภูเวียงโกซอรัส สิรินธรเน”

- ร่องรอยของสิ่งมีชีวิตที่พิมพ์รอยอยู่ในตะกอนที่แข็งตัวเป็นหิน เช่น รอยเท้าไดโนเสาร์ที่ภูหลวง จ.เลย และที่ภูแฝก จ.กาฬสินธุ์ หรือรอยเปลือกหอยต่าง ๆ นอกจากนี้ ยังมีซากดึกดำบรรพ์ที่ไม่กลายเป็นหิน เช่น ซากช้างแมมมอธ ซากแมลงในยางไม้หรืออำพัน

4. เอกภพ

4.1 กำเนิดเอกภพ ทฤษฏีกำเนิดเอกภพ “บิกแบง” (Big Bang) กล่าวว่า เมื่อเกิดการระเบิดใหญ่ ทำให้พลังงานเปลี่ยนเป็นสสาร เนื้อสารที่เกิดขึ้นจะในรูปของอนุภาคพื้นฐานชื่อ ควาร์ก อิเล็กตรอน

นิวทริโน และโฟตอนเมื่อเกิดอนุภาคจะเกิดปฏิอนุภาคที่มีประจุตรงข้าม เมื่ออนุภาคพบปฏิอนุภาคชนิดเดียวกัน จะหลอมสลายเป็นพลังงานจนหมด แต่ในธรรมชาติมีอนุภาคมากกว่าปฏิอนุภาค จึงทำให้ยังมีอนุภาคเหลือ หลังบิกแบง 10-6 วินาที อุณหภูมิจะลดลงเป็นสิบล้านล้านเคลวิน ทำให้ควาร์กรวมตัวกลายเป็นโปรตอน (นิวเคลียสของไฮโดรเจน) และนิวตรอน หลังบิกแบง 3 นาที อุณหภูมิจะลดลงเป็นร้อยล้านเคลวิน เกิดการรวมตัวเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม หลังบิกแบง 300,000 ปี อุณหภูมิจะลดลงเหลือ 10,000 เคลวิน นิวเคลียสของไฮโดรเจนและฮีเลียม จะดึงอิเล็กตรอนเข้ามา ทำให้เกิดเป็นอะตอมของไฮโดรเจนและฮีเลียม หลังบิกแบง 1,000 ล้านปี จะเกิดกาแล็กซีต่างๆ โดยภายในกาแล็กซีจะมีธาตุไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นสารเบื้องต้น ในการกำเนิดเป็นดาวฤกษ์รุ่นแรก ๆ

ข้อสังเกตและประจักษ์พยาน ที่สนับสนุนทฤษฏีบิกแบง

1. การขยายตัวของเอกภพ ค้นพบโดยฮับเบิล นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกา

2.อุณหภูมิพื้นหลังของเอกภพ ปัจจุบันลดลงเหลือ 2.73 เคลวิน

นักดาราศาสตร์ แบ่งกาแล็กซี ออกเป็น 4 ประเภท

1. กาแล็กซีกังหันหรือสไปรัล เช่น กาแล็กซีทางช้างเผือก กาแล็กซีแอนโดรเมดา กาแล็กซี M -81 (M ย่อมาจาก เมสสิแอร์ (Messier) เป็นนักล่าดาวหางชาวฝรั่งเศส)

2. กาแล็กซีกังหันมีแกนหรือบาร์สไปรัล เช่น กาแล็กซี NGC – 7479 (NGC ย่อมาจาก The New General Catalogue)

3. กาแล็กซีรูปไข่ เช่น กาแล็กซี M–87

4. กาแล็กซีไร้รูปทรง เช่น กาแล็กซีแมกเจลเเลนใหญ่

5. ดาวฤกษ์

เป็นก้อนก๊าซร้อนขนาดใหญ่ มีองค์ประกอบส่วนใหญ่ เป็นธาตุไฮโดรเจน

5.1 วิวัฒนาการของดาวฤกษ์

• ดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อย เช่น ดวงอาทิตย์ ให้แสงสว่างน้อย จึงมีการใช้เชื้อเพลิงน้อย ทำให้มีช่วงชีวิตยาว และจบชีวิตลงโดยไม่มีการระเบิด แต่จะกลายเป็นดาวแคระ

• ดาวฤกษ์ที่มีมวลมาก จะมีขนาดใหญ่ ให้แสงสว่างมาก จึงมีการใช้เชื้อเพลิงมาก ทำให้มีช่วงชีวิตสั้น และจบชีวิตลงด้วย การระเบิดอย่างรุนแรง เรียกว่า ซูเปอร์โนวา (supernova) หลังจากนั้น ดาวที่มีมวลมาก จะกลายเป็นดาวนิวตรอน ดาวที่มีมวลสูงมาก ๆ จะกลายเป็นหลุมดำ

กำเนิดและวิวัฒนาการของดวงอาทิตย์

1. เมื่อเนบิวลายุบตัว ที่แก่นกลางจะมีอุณหภูมิสูงเป็นแสนองศาเซลเซียส เรียกว่า “ดาวฤกษ์ก่อนเกิด”

2. ปัจจุบันที่แก่นกลางมีอุณหภูมิสูงเป็น 15 ล้านเคลวิน ทำให้เกิด ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์

คือ ปฏิกิริยาหลอมไฮโดรเจน 4 นิวเคลียส กลายเป็นฮีเลียม 1 นิวเคลียสและเกิดพลังงานออกมามหาศาล จนทำให้เกิดสมดุลระหว่างแรงโน้มถ่วงกับแรงดันของก๊าซ เกิดเป็นดวงอาทิตย์ มีสีเหลือง

3. ในอนาคต เมื่อไฮโดรเจนลดลง ทำให้ดาวยุบตัวลง ทำให้แก่นกลางมีอุณหภูมิสูงขึ้นเป็น 100 ล้านเคลวิน จนเกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ ที่มีการหลอมฮีเลียม ให้กลายเป็นคาร์บอน ในขณะเดียวกันรอบนอกของดาว ก็จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นถึง 15 ล้านเคลวิน ทำให้เกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียส ที่มีหลอม

ไฮโดรเจนให้กลายเป็นฮีเลียมครั้งใหม่จึงเกิดพลังงานออกมาอย่างมหาศาลและทำให้ดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่ขึ้นเป็น 100 เท่า และเปลี่ยนจากสีเหลืองเป็นสีแดง เรียกว่า ดาวยักษ์แดง ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงานออกมามาก ทำให้ช่วงชีวิตค่อนข้างสั้น

4. ในช่วงท้าย แก่นกลางจะยุบตัวลงกลายเป็นดาวแคระขาว ซึ่งมีขนาดเล็กลงเป็น 1 ใน 100

5. ความสว่างจะลดลงตามลำดับ และในที่สุดก็จะหยุดส่องแสงสว่าง กลายเป็นดาวแคระดำ (black dwarf)

5.2 ความสว่างและอันดับความสว่างของดาวฤกษ์

• ดาวฤกษ์ที่ริบหรี่ที่สุดที่มองเห็นด้วยตาเปล่า มีอันดับความสว่าง 6

• ดาวฤกษ์ที่สว่างที่สุด มีอันดับความสว่าง 1

• ดวงอาทิตย์ มีอันดับความสว่าง - 26.7

ถ้าอันดับความสว่างต่างกัน x อันดับ จะมีความสว่างต่างกันประมาณ (2.5)x เท่า

5.3 สีและอุณหภูมิผิวของดาวฤกษ์ แบ่งออกเป็น 7 ชนิดหลัก ๆ ดังนี้

• ดาวที่มีอายุน้อย จะมีอุณหภูมิผิวสูง มีสีขาว นํ้าเงิน

• ดาวที่มีอายุมาก ใกล้ถึงจุดสุดท้ายของชีวิต จะมีอุณหภูมิผิวตํ่า มีสีแดง

O B A F G K M

ม่วง คราม นํ้าเงิน ขาว เหลือง แสด แดง

6. กำเนิดระบบสุริยะ

นักดาราศาสตร์ แบ่งเขตพื้นที่รอบดวงอาทิตย์ เป็น 4 เขต คือ

1. ดาวเคราะห์ชั้นใน ได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ โลก และ ดาวอังคาร มีขนาดเล็กและมีพื้นผิวแข็งหรือเป็นหินแบบเดียวกับโลก

2. แถบดาวเคราะห์น้อย คือ บริเวณระหว่างวงโคจรของดาวอังคารและดาวพฤหัสบดี

เป็นเศษที่เหลือจากการพอกพูนเป็นดาวเคราะห์หิน แล้วถูกดึงดูดจากแรงรบกวนของดาวพฤหัสบดี ซึ่งมีขนาดใหญ่และเกิดมาก่อน ทำให้ไม่สามารถจับตัวกันมีขนาดใหญ่ได้

3. ดาวเคราะห์ชั้นนอก หรือ ดาวเคราะห์ยักษ์ เป็นดาวที่มีขนาดใหญ่ ได้แก่ ดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน มีองค์ประกอบหลัก คือ ก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียมทั้งดวง

ดาวพลูโต เป็นดาวเคราะห์ชั้นนอกที่อยู่ไกลและเล็กที่สุด มีสมบัติคล้ายดาวเคราะห์น้อย

4. เขตของดาวหาง เป็นเศษที่เหลือจากดาวเคราะห์ยักษ์ มีจำนวนมากอยู่รอบนอกระบบสุริยะ

ดวงอาทิตย์ : เป็นดาวฤกษ์สีเหลือง ชนิดสเปกตรัม G มีอุณหภูมิผิวประมาณ 6,000 เคลวิน

- แสงสว่างที่เปล่งออกมา ทำให้เรามองเห็นดาวเคราะห์ได้ โดยใช้เวลาเดินทาง 8.3 นาที

- ลมสุริยะ ประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนและอิเล็กตรอน มาจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ซึ่งจะมาถึงโลกภายในเวลา 20-40 ชั่งโมง ซึ่งจะส่งผลทำให้เกิดปรากฏการณ์แสงเหนือ-แสงใต้ ไฟฟ้าแรงสูงดับที่ขั้วโลก เกิดการรบกวนวงจรอิเล็กทรอนิกส์ของดาวเทียม และทำให้เกิดการติดขัดในการสื่อสารของคลื่นวิทยุ

7. เทคโนโลยีอวกาศ

7.1 ดาวเทียมและยานอวกาศ

การส่งดาวเทียมและยานอวกาศขึ้นสู่อวกาศ จะต้องเอาชนะแรงดึงดูดของโลก ความเร็วมากกว่า 7.91 กิโลเมตรต่อวินาทีถ้าหากจะให้ยานอวกาศออกไปโคจรรอบดวงอาทิตย์ จะต้องใช้ความเร็วที่ 11.2 กิโลเมตรต่อวินาที เรียกว่า ความเร็วหลุดพ้น

พ.ศ. 2446 ไชออลคอฟสกี ชาวรัสเซีย ได้ค้นคว้าเกี่ยวกับเชื้อเพลิงในจรวด เสนอว่า ใช้เชื้อเพลิงเหลว แยกเชื้อเพลิงและสารที่ช่วยในการเผาไหม้ออกจากกัน นำจรวดมาต่อเป็นชั้นๆ จะช่วยลดมวลของจรวดลง โดยเมื่อจรวดชั้นแรกใช้เชื้อเพลิงหมดก็ปลดทิ้งไป และให้จรวดชั้นต่อไปทำหน้าที่ต่อ แล้วปลดทิ้งไปเรื่อยๆ โดย จรวดชั้นสุดท้ายที่ติดกับดาวเทียมหรือยานอวกาศ จะต้องมีความเร็วสูงพอที่จะเอาชนะแรงดึงดูดของโลกได้

พ.ศ. 2469 โรเบิร์ต กอดดาร์ด ชาวอเมริกัน สามารถสร้างจรวดเชื้อเพลิงเหลว โดยใช้ไฮโดรเจนเหลวเป็นเชื้อเพลิงและออกซิเจนเหลวเป็นสารที่ช่วยในการเผาไหม้ และแยกอยู่ต่างถังกัน

สหภาพโซเวียต สามารถใช้จรวดสามท่อนส่งดาวเทียม ได้เป็นประเทศแรก