Cấu tạo của vũ trụ
Vũ trụ mà ta biết bao gồm vô số các vì sao. Mỗi vì sao là một thiên thể phát sáng, như mặt trời của chúng ta.
Quay quanh mỗi vì sao có các hành tinh, các thiên thạch, sao chổi, theo những quỹ đạo ellip lấy sao làm tiêu điểm, nhờ tương tác của lực hấp dẫn. Quay quanh mỗi hành tinh có các vệ tinh, các vành đai hoặc đám bụi. Mỗi vì sao tạo ra quanh nó một hệ mặt trời, như hệ mặt trời của chúng ta.
Hàng tỷ hệ mặt trời tụ lại thành một đám, do lực hấp dẫn, tạo ra một thiên hà. Thiên hà của chúng ta được gọi là Ngân hà hay Milky Way, là một trong số hàng tỷ thiên hà trong vũ trụ quan sát được, thiên hà của chúng ta gồm 1011 ngôi sao, có hình đĩa dẹt xoắn ốc, bán kính khoảng = 45.000nas
(nas = năm ánh sáng = 365,25x24x60x60x300.000 =9,5.1012km).
Mỗi hệ mặt trời quay quanh tâm thiên hà với tốc độ hàng trăm km/s. Hệ mặt trời của chúng ta nằm trên rìa ngoài của Ngân hà, cách tâm khoảng 30.000nas, và quay quanh tâm Ngân hà với vận tốc:
vMT= 230km/s.
Vũ trụ mà ta quan sát được hiện nay chứa khoảng 10 tỷ thiên hà, có bán kính 3.1025m, chứa khoảng 1020 ngôi sao với tổng khối lượng khoảng 1050kg.
Sự vận động và dãn nở của vũ trụ
Để tồn tại dưới tác dụng của lực hấp dẫn, các thiên thể trong vũ trụ phải chuyển động không ngừng. Các hành tinh tự xoay quanh mình và quay quanh mặt trời với tốc độ vài chục km/s, các mặt trời quay quanh tâm thiên hà với tốc độ hàng trăm km/s, các thiên hà quay quanh tâm đại thiên hà với tốc độ hàng nghìn km/s.
Năm 1923, khi sử dụng kính thiên văn vô tuyến ghi phổ bức xạ phát ra từ các thiên hà, Edwin Hubble nhận thấy các vạch quang phổ luôn dịch chuyển về phía bước sóng dài, phía màu đỏ. Hiện tượng dịch về phía đỏ của bức xạ được giải thích bằng hiệu ứng Doppler, là do các thiên thể phát bức xạ đang chuyển động ra xa nơi thu bức xạ, chuyển động rời xa nhau của các thiên hà được phát hiện thấy theo mọi phương, với vận tốc tăng dần theo khoảng cách giữa chúng. Như vậy, các thiên thể trong vũ trụ đang rời xa nhau, và vũ trụ đang dãn nở như quả bóng đang được thổi căng ra.
Định luật Hubble
Thực tế hằng số Hubble chưa thể xác định chính xác, chỉ biết nó nằm trong khoảng (1530)km/s.106nas.
Thuyết Big Bang
Thực nghiệm cho biết vũ trụ đang dãn nở, các thiên thể đang rời xa nhau. Vậy nếu đi ngược lại thời gian, các thiên thể sẽ tiến lại gần nhau, thể tích vũ trụ sẽ co dần lại. Tại một thời điểm nào đó, toàn bộ vũ trụ sẽ co lại thành một chất điểm, có khối lượng, năng lượng và nhiệt độ vô cùng lớn.
Dựa trên lý luận này, George Lemaitre người Bỉ và sau đó George Gamow cùng Alexandre Priedmann người Nga, bằng các phép tính có cơ sở vật lý đúng đắn, đã nêu ra học thuyết về sự hình thành của vũ trụ, gọi là thuyết Big Bang. Thuyết này cho rằng vũ trụ được sinh ra cách đây khoảng 15 tỷ năm từ một quả trứng cực nhỏ, có khối lượng (M), năng lượng (E) và nhiệt độ (T) cực lớn bởi một vụ nổ lớn gọi là Big Bang. Vụ nổ này tạo ra không gian – thời gian và toàn bộ Vũ trụ, theo quá trình dãn nở như sau:
Bảng 1.1. Tóm tắt lịch sử của Vũ trụ
Sự hình thành hệ mặt trời
Một tỷ năm sau vụ nổ Big Bang, Vũ trụ dãn nở làm nhiệt độ giảm đến 100K. Lúc này các nhân H, He kết hợp với điện tử tạo ra phân tử khí H2, He. Các khí này quây tụ thành từng đám trong thiên hà. Từ mỗi đám bụi này, do tác dụng của lực hấp dẫn, sẽ dần dần hình thành một hệ mặt trời.
Hệ mặt trời của ta thuộc thế hệ thứ 3, được sinh ra từ một đám mây bụi và khí có kích thước hàng ngàn tỷ kilômét.
Dưới tác dụng của lực hấp dẫn, đám mây bắt đầu co lại, dẹt đi, và tâm của nó trở nên đặc và nóng dần, đến mức có thể khởi phát các phản ứng hạt nhân và trở thành mặt trời. Khí và bụi ít đặc hơn phía ngoài sẽ quay quanh mặt trời, kết thành các vành đai, ngưng tụ thành các hành tinh và tiểu hành tinh. Phần khí loãng quanh hành tinh cũng ngưng kết theo cách tương tự để tạo ra các vệ tinh quay quanh hành tinh.
Cấu tạo và các thông số của hệ mặt trời
Hệ mặt trời gồm có mặt trời và 9 hành tinh quay quanh nó, theo các quỹ đạo ellip gần tròn. Vòng trong có 4 hành tinh dạng rắn là sao Thủy, sao Kim, quả Đất, sao Hỏa, vòng ngoài có 5 hành tinh dạng khí là sao Mộc, sao Thổ, sao Thiên Vương, sao Hải Vương, sao Diêm Vương.
Giữa sao Hỏa và sao Mộc có một vành đai gồm các tiểu hành tinh với đường kính từ vài chục mét tới vài trăm kilômét.
Các hành tinh đều có từ 1 đến 22 vệ tinh, trừ sao Thủy và sao Kim. Ngoài ra còn có một số sao chổi, gồm một nhân rắn chứa bụi và nước đá với một đuôi hơi nước kéo dài hàng triệu kilômét quay quanh mặt trời theo quỹ đạo ellip rất dẹt.
Bảng 1.2 .Các thông số của các thiên thể trong hệ mặt trời
Tương lai của vũ trụ
Trên cơ sở của vật lý thiên văn hiện đại, có thể dự báo tương lai của vũ trụ theo một trong ba kịch bản sau và phụ thuộc vào mật độ trung bình của vũ trụ, là một thông số hiện nay chưa xác định chính xác, so với mật độ tới hạn 0= 5.10-27 kg/m3, bằng cỡ ba nguyên tử hidro trong 1 m3.
Nếu < 0 thì vật thể dãn nở không giới hạn, bán kính r tăng đến vô cùng, nhiệt độ tiến tới 0oK, gọi là mô hình vật thể mở.
Theo kịch bản này, Mặt trời của chúng ta sẽ tắt hẳn sau hơn 5 tỷ năm nữa, biến thành một xác sao sắt hình cầu. Các thế hệ sao liên tiếp được sinh ra, tiêu hủy hết các hạt nhân nhẹ.
Sau 1012 năm, tất cả mọi ngôi sao đều tắt, vũ trụ sẽ là một không gian bao la, đen tối và lạnh lẽo, chứa các xác sao dạng quả cầu sắt, neutron hoặc lỗ đen và các hành tinh lạnh.
Sau 1018 năm, dưới tác động lâu dài của lực hấp dẫn, mỗi thiên hà sẽ bị phân hủy thành các xác sao tự do và một lỗ đen thiên hà, có đường kính hàng tỷ km và khối lượng cỡ 109.M0 (Mo = 2.103kg là khối lượng mặt trời)
Sau 1027 năm, các lỗ đen trong các đám thiên hà sẽ phân hủy thành các siêu thiên hà. Vũ trụ tiếp tục dãn nở, nhiệt độ hạ thấp đến 10-10 K, đủ lạnh để các lỗ đen bắt đầu bay hơi. Các lỗ đen cỡ mặt trời sẽ bay hơi hết sau 1062 năm, lỗ đen thiên hà biến mất sau 1092 năm, và lỗ đen siêu thiên hà sẽ bay hơi hết thành ánh sáng sau 10100 năm. Lúc này Vũ trụ chỉ còn các quả cầu sắt, neutron và các hành tinh lưu lạc trong không gian bao la, đen tối, nhiệt độ cỡ10-60 K.
Sau 101500 năm, nhiệt độ vũ trụ là 10-1000 K, toàn bộ vật chất ở ngoài các sao neutron sẽ co lại thành các quả cầu sắt. Tiếp theo đó, các sao neutron và quả cầu sắt sẽ co lại thành các lỗ đen. Các lỗ đen cuối cùng sẽ bay hơi hết thành ánh sáng sau 1010exp70 năm. Hình bóng cuối cùng của Vũ trụ là một khoảng không vô hạn chứa các hạt photon và neutrino, có mật độ và nhiệt độ tiến dần tới không.
Theo những thông tin mới nhất, Vũ trụ của ta có thể phát triển theo kịch bản này.
nếu = 0 thì Vũ trụ sẽ dãn nở chậm dần, tiến tới một bán kính ổn định sau thời gian lâu vô hạn gọi là mô hình Vũ trụ phẳng. Các quá trình trong Vũ trụ phẳng tương tự như trong Vũ trụ mở, nhưng xảy ra chậm dần và tiến tới ổn định lúc thời gian tiến đến vô cùng.
Quá trình dãn nở chậm dần, xảy ra trong khoảng 50 tỷ năm. Mặt trời của ta sẽ diễn tiếp kịch bản như trong Vũ trụ mở. Các vì sao tiếp tục sinh ra và chết đi, nhiệt độ Vũ trụ giảm dần.
Vào năm thứ 50 tỷ, Vũ trụ có bán kính cực đại, gấp ba lần hiện nay, nhiệt độ bằng 1 K, lúc này lực hấp dẫn cân bằng với lực dãn nở do Big Bang tạo ra, quá trình dãn nở dừng lại. Sau đó quá trình co lại được khởi động, các thiên thể bắt đầu rơi về phía nhau, với gia tốc tăng dần. Năm thứ 99 tỷ, Vũ trụ co lại còn 1/5 kích thước hiện nay, lúc đó các đám thiên hà sẽ hợp lại thành một đám duy nhất. Vũ trụ co tiếp 900 triệu năm sau đó, các thiên hà hợp nhất, tạo ra một không gian bằng 1/100 kích thước Vũ trụ hiện nay, với nhiệt độ nền T 300K, chứa đầy các sao. Sau đó 99 triệu năm, Vũ trụ co lại còn 1/1000 kích thước hiện nay và nhiệt độ nền T=3000K. Sau 900.000 năm nữa, nhiệt độ Vũ trụ đạt T=104K, các sao bắt đầu bay hơi, các nguyên tử bị phân hủy thành các hạt nhân và điện tử, chiếm đầy không gian. Vũ trụ lúc này là một vật đục duy nhất, như lúc 300.000 năm đầu tiên của nó. 90.000 năm tiếp theo, vũ trụ đạt nhiệt độ 107K, gây phản ứng hạt nhân trong các sao, làm nổ trong các sao. Nhiệt độ tiếp tục tăng làm các hạt nhân phân hủy thành proton và neutron, các lỗ đen hút nhau và hút các vật chất xung quanh.
Rất có thể, sau khi co tới trạng thái tới hạn cực nhỏ nào đó, Vũ trụ lại bùng phát một phản ứng tức thời biến toàn bộ vật chất thành năng lượng, tạo ra vụ Big Bang mới, lặp lại chu kỳ tiếp theo của Vũ trụ.
***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.***
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái đất). Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.1030kg. Nhiệt độ To trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K, trung bình khoảng 15600000 K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời.
Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ. Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe. Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cácbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000km. Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7000K -10000K. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của mặt trời.
Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5762K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử. Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời người ta xác định được rằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên trái đất. Nguyên tố phổ biến nhất trên mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydro. Vật chất của mặt trời bao gồm chừng 92,1% là Hydro và gần 7,8% là Hêli, 0,1% là các nguyên tố khác. Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hydro có một hạt mang điện dương là proton. Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 neutrino và một lượng bức xạ .
4H11 He24 + 2 Neutrino +
Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn. Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào các “biến cố” sau đó.
Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của mặt trời bị mất đi. Khối lượng của mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nữa. Mỗi ngày mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024kWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây mặt trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên trái đất).
Phân bố nhiệt độ và áp suất trong mặt trời
Dưới tác dụng của lực hấp dẫn, hướng về tâm khối khí hình cầu của mặt trời, áp suất, nhiệt độ và mật độ khí quyển sẽ tăng dần.
Để tìm các hàm phân bố nhiệt độ T(r), áp suất p(r) và khối lượng riêng (r) tại bán kính r, ta sẽ xét một phân tố hình trụ dV=S.dr khí Hydro của mặt trời, thỏa mãn các giả thiết sau:
Là khí lý tưởng, nên có quan hệ pv=RT.
Là đứng yên, nên có cân bằng giữa trọng lực và các áp lực lên 2 đáy :
p.S – (p + dp).S – gSdr =0
Là đoạn nhiệt, nên theo định luật nhiệt động 1, có:
q = CpdT – vdp = 0
***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.***
Suy ra hay T(r) = T0 –
bằng cách lấy tích phân:
Từ đó suy ra:
Phân bố khối lượng riêng (r) sẽ có dạng:
Nhiệt độ T0 tại tâm mặt trời có thể tính theo nhiệt độ bề mặt:
Nhiệt độ tâm mặt trời có thể xác định theo công thức:
Các phản ứng hạt nhân trong mặt trời
Phản ứng tổng hợp hạt nhân Hêli
Trong quá trình hình thành, nhiệt độ bên trong mặt trờisẽ tăng dần. Khi vùng tâm mặt trời đạt nhiệt độ T 107K, thì có đủ điều kiện để xảy ra phản ứng tổng hợp Hêli từ Hydrô, theo phương trình : 4H1 He4 + q.
Đây là phản ứng sinh nhiệt q = m.c2, trong đó c = 3.108m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không, m = (4mH – mHe) là khối lượng bị hụt, được biến thành năng lượng theo phương trình Einstein. Mỗi 1kg hạt nhân H1 chuyển thành He4 thì bị hụt một khối lượng m = 0,01kg, và giải phóng ra năng lượng:
q = m.c2 = 0,01.(3.108)2 = 9.1014 J
Lượng nhiệt sinh ra sẽ làm tăng áp suất khối khí, khiến mặt trời phát ra ánh sáng và bức xạ, và nở ra cho đến khi cân bằng với lực hấp dẫn. Mỗi giây mặt trời tiêu hủy hơn 420 triệu tấn hydro, giảm khối lượng m = 4,2 triệu tấn và phát ra năng lượng Q = 3,8.1026W.
Muốn đạt nhiệt độ tại tâm đủ cao để thành một ngôi sao, thiên thể cần có khối lượng M 0,08M0, với M0 = 2.1030kg là khối lượng mặt trời.
Thời gian xảy ra phản ứng tổng hợp Heli nằm trong khoảng (1081010)năm, giảm dần khi khối lượng ngôi sao tăng. Khi khối lượng sao càng lớn nhiệt độ và áp suất của phản ứng đủ cân bằng lực hấp dẫn càng lớn, khiến tốc độ phản ứng tăng, thời gian cháy Hydro giảm. Giai đoạn đốt Hydro của mặt trời được khởi động cách đây 4,5 tỷ năm, và còn tiếp tục trong khoảng 5,5 tỷ năm nữa.
Phản ứng tổng hợp Cácbon và các nguyên tố khác
Khi nhiên liệu H2 dùng sắp hết, phản ứng tổng hợp He sẽ yếu dần, áp lực bức xạ bên trong không đủ mạnh để cân bằng lực nén do hấp dẫn, khiến thể tích co lại. Khi co lại, khí He bên trong bị nén nên nhiệt độ tăng dần, cho đến khi đạt tới nhiệt độ 108K, sẽ xảy ra phản ứng tổng hợp nhân Cacbon từ He :
3He4 C12 + q
Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ cao, tốc độ lớn, nên thời gian cháy He chỉ bằng1/30 thời gian cháy H2 khoảng 300 triệu năm. Nhiệt sinh ra trong phản ứng làm tăng áp suất bức xạ, khiến ngôi sao nở ra hàng trăm lần so với trước. Lúc này mặt ngoài sao nhiệt độ khoảng 4000K, có màu đỏ, nên gọi là sao đỏ khổng lồ. Vào thời điểm là sao đỏ khổng lồ, mặt trời sẽ nuốt chửng sao Thủy và sao Kim, nung trái đất đến 1500K thành 1 hành tinh nóng chảy, kết thúc sự sống tại đây.
Kết thúc quá trình cháy Heli, áp lực trong sao giảm, lực hấp dẫn ép sao co lại, làm mật độ và nhiệt độ tăng lên, đến T= 5.106K sẽ xảy ra phản ứng tạo Oxy:
4C12 3O16 + q
Các phản ứng trên đã tạo ra hơn 20 nguyên tố, tận cùng là sắt Fe56 (gồm 26 proton và 30 netron), toàn bộ quá trình được tăng tốc, xảy ra chỉ trong vài triệu năm.
Sau khi tạo ra sắt Fe56, chuỗi phản ứng hạt nhân trong ngôi sao kết thúc, vì việc tổng hợp sắt thành nguyên tố nặng hơn không có độ̣ hụt khối lượng, không phát sinh năng lượng, mà cần phải cấp thêm năng lượng.
Sự tiến hóa cuả mặt trời
Sau khi tạo ra sắt, các phản ứng hạt nhân sinh nhiệt tắt hẳn, lực hấp dẫn tiếp tục nén mặt trời cho đến “chết”. Quá trình hoá thân của mặt trời phụ thuộc cường độ lực hấp dẫn, tức là tuỳ thuộc vào khối lượng của nó, theo một trong ba kịch bản như sau:
Các sao có khối lượng M (0,7 1,4)M0:
Sau khi hết nhiên liệu, từ một sao đỏ khổng lồ đường kính 100.106 km co lại thành sao lùn trắng đường kính cỡ 1500 km, là trạng thái dừng khi lực hấp dẫn cân bằng với áp lực tạo ra khi các nguyên tử đã ép sát lại nhau, có khối lượng riêng cỡ 1012 kg/m3. Nhiệt sinh ra khi nén làm nhiệt độ bề mặt sao đạt tới 6000K, sau đó tỏa nhiệt và nguội dần trong một tỉ năm thành sao lùn đen hay sao sắt, như một xác sao không thấy được lang thang trong vũ trụ. Mặt trời hoá kiếp theo kiểu này.
Các sao có khối lượng M (1,4 5)M0:
Lực hấp dẫn đủ mạnh để ép nát nguyên tử, ép các hạt nhân lại sát nhau, làm tróc hết lớp vỏ điện tử, tạo ra một khối gồm toàn neutron ép sát nhau và gọi là sao neutron, có đường kính cỡ 15 km và mật độ 1018kg/m3.
Quá trình co lại với gia tốc lớn và bị chặn đột ngột tại trạng thái neutron, tạo ra một chấn động dữ dội, gây ra vụ nổ siêu sao mới, gọi là supernova, phát ra năng lượng bằng trăm triệu lần năng lượng mặt trời, làm bắn tung toàn bộ các lớp ngoài của sao gồm đủ các loại nguyên tố. Lớp vật liệu bắn ra sẽ tạo thành các đám bụi vũ trụ thứ cấp, để hình thành các sao thứ cấp sau đó. Sao neutron mới tạo ra, còn gọi là pulsar, sẽ tự quay với tốc độ khoảng 630 vòng/s và phát bức xạ rất mạnh dọc trục, phát tán hết năng lượng sau vài triệu năm và sẽ hết quay, trở thành một xác chết trong vũ trụ.
Các sao có khối lượng M 5M0:
Quá trình tổng hợp các hạt nhân nặng được gia tốc, xảy ra rất nhanh. Sau khi hết nhiên liệu, do lực hấp dẫn quá lớn, sao sụp đổ với gia tốc lớn, co lại liên tục, không dừng lại ở trạng thái neutron, đạt tới bán kính Schwarzschild R = , tạo thành một lỗ đen, kèm theo một vụ nổ siêu sao mới. Lỗ đen có khối lượng riêng khoảng 1023 kg/m3, tạo ra trường hấp dẫn rất mạnh, làm cong không gian xung quanh tới mức vật chất kể cả ánh sáng cũng không thể thoát ra được. Mọi thiên thể đến gần đều bị cuốn hút như một xoáy nước khổng lồ. Nếu được nén đến trạng thái lỗ đen, đạt tới bán kính hấp dẫn, thì bán kính Quả đất chỉ bằng 3cm, bán kính mặt trời là 3 km.
Trái đất được hình thành cách đây gần 5 tỷ năm từ một vành đai bụi khí quay quanh mặt trời, kết tụ thành một quả cầu xốp tự xoay và quay quanh mặt trời. Lực hấp dẫn ép quả cầu co lại, khiến nhiệt độ nổ tăng lên hàng ngàn độ, làm nóng chảy quả cầu, khi đó các nguyên tố nặng như Sắt và Niken chìm dần vào tâm tạo lõi quả đất, xung quanh là magma lỏng, ngoài cùng là khí quyển sơ khai gồm H2, He, H2O, CH4, NH3 và H2SO4. Trái đất tiếp tục quay, tỏa nhiệt và nguội dần. Cách đây 3,8 tỷ năm nhiệt độ đủ nguội để Silicat nổi lên trên mặt magma rồi đông cứng lại, tạo ra vỏ trái đất dày khoảng 25km, với núi cao, đất bằng và hố sâu. Năng lượng phóng xạ trong lòng đất với bức xạ mặt trời tiếp tục gây ra các biến đổi địa tầng, và tạo ra thêm H2O, N2, O2, CO2 trong khí quyển. Khí quyển nguội dần đến độ nước ngưng tụ, gây ra mưa kéo dài hành triệu năm, tạo ra sông hồ, biển và đại dương.
Cách đây gần 2 tỷ năm, những sinh vật đầu tiên xuất hiện trong nước, sau đó phát triển thành sinh vật cấp cao và tiến hoá thành người.
Trái đất, hành tinh thứ 3 tính từ mặt trời, cùng với mặt trăng một vệ tinh duy nhất tạo ra một hệ thống hành tinh kép đặc biệt. Trái đất là hành tinh lớn nhất trong số các hành tinh bên trong của hệ mặt trời với đường kính ở xích đạo 12.756 km. Nhìn từ không gian, trái đất có màu xanh, nâu và xanh lá cây với những đám mây trắng thường xuyên thay đổi. Bề mặt trái đất có một đặc tính mà không một hành tinh nào khác có: hai trạng thái của vật chất cùng tồn tại bên nhau ở cả thể rắn và thể lỏng. Vùng ranh giới giữa biển và đất liền là nơi duy nhất trong vũ trụ có vật chất hiện hữu ổn định trong cả 3 thể rắn, lỏng và khí.
Hình 1.9. Cấu tạo bên trong trái đất
Về cấu tạo, bên trong trái đất được chia ra 4 lớp. Trong cùng là nhân trong, có bán kính r 1300km, nhiệt độ T 4000K, gồm Sắt và Niken bị nén cứng. Tiếp theo là nhân ngoài, có r (1300 3500)km, nhiệt độ T (2000 4000)K, gồm Sắt và Niken lỏng. Kế tiếp là lớp magma lỏng, chủ yếu gồm SiO và Sắt, có r (3500 6350)km, nhiệt độ T (1000 2000)K. Ngoài cùng là lớp vỏ cứng dày trung bình 25 km, có nhiệt độ T (300 1000)K, chủ yếu gồm SiO và H2O. Lớp vỏ này gồm 7 mảng lớn và hơn 100 mảng nhỏ ghép lại, chúng trôi trượt và va đập nhau, gây ra động đất và núi lửa, làm thay đổi địa hình.
Hành tinh trái đất di chuyển trên một quỹ đạo gần ellip, mặt trời không ở tâm của ellip, mà là tại một trong 2 tiêu điểm. Trong thời gian một năm, có khi trái đất gần, có khi xa mặt trời đôi chút, vì quỹ đạo ellip của nó gần như hình tròn. Hàng năm, vào tháng giêng, trái đất gần mặt trời hơn so với vào tháng 7 khoảng 5 triệu km, sự sai biệt này quá nhỏ so với khoảng cách mặt trời đến trái đất. Chúng ta không cảm nhận được sự khác biệt này trong một vòng quay của trái đất quanh mặt trời, hay trong một năm, sự khác biệt về khoảng cách này hầu như không ảnh hưởng gì đến mùa đông và mùa hè trên trái đất, chỉ có điều là vào mùa đông chúng ta ở gần mặt trời hơn so với mùa hè chút ít.
Trái đất chuyển động quanh mặt trời, đồng thời nó cũng tự quay quanh trục của nó. Trong thời gian quay một vòng quanh mặt trời, trái đất quay 365 và 1/4 vòng quanh trục. Chuyển động quay quanh mặt trời tạo nên bốn mùa, chuyển động quay quanh trục tạo nên ngày và đêm trên trái đất. Trục quay của trái đất không thẳng góc với mặt phẳng quỹ đạo, bởi thế chúng ta có mùa đông và mùa hè. Trái đất quay, vì thế đối với chúng ta đứng trên trái đất có vẻ như các vì sao cố định được gắn chặt với quả cầu bầu trời quay xung quanh chúng ta. Chuyển động quay của trái đất không quá nhanh để lực ly tâm của nó có thể bắn chúng ta ra ngoài không gian. Lực ly tâm tác dụng lên mọi vật cùng quay theo trái đất, nhưng vô cùng nhỏ. Lực ly tâm lớn nhất ở xích đạo nó kéo mọi vật thể lên phía trên và làm chúng nhẹ đi chút ít. Vì thế, mọi vật thể ở xích đạo cân nhẹ hơn năm phần ngàn so với ở hai cực. Hậu quả của chuyển động quay làm cho trái đất không còn đúng là quả cầu tròn đều nữa mà lực ly tâm làm cho nó phình ra ở xích đạo một chút. Sự sai khác này thực ra không đáng kể, bán kính trái đất ở xích đạo là 6.378.140km, lớn hơn khoảng cách từ 2 cực đến tâm trái đất là gần 22km.
Sự sống và các đại dương có khả năng tạo ra sự sống chỉ hiện hữu duy nhất trên trái đất. Trên các hành tinh khác gần chúng ta nhất như sao Kim thì quá nóng và sao Hỏa quá lạnh. Nước trên sao Kim nay đã bốc thành hơi nước, còn nước trên sao Hoả đã đóng thành băng bên dưới bề mặt của nó. Chỉ có hành tinh của chúng ta là phù hợp cho nước ở thể lỏng với nhiệt độ từ 0 đến 100oC. Xung quanh trái đất có lớp khí quyển dày khoảng H = 800 km chứa N2, O2, H2O, CO2, NOx, H2, He, Ar, Ne. Áp suất và khối lượng riêng của khí quyển giảm dần với độ cao y theo quy luật:
p(y) = p0.(1 – (g/(Cp.T0)).y)Cp/R
(y) = 0(1 – (g/(Cp.T0)).y)Cv/R.
Khí quyển tác động đến nhiệt độ trên hành tinh của chúng ta. Các vụ phun trào núi lửa cùng với các hoạt động của con người làm ảnh hưởng đến các thành phần cấu tạo của khí quyển. Vì thế, hệ sinh thái trên hành tinh chúng ta là kết quả của sự cân bằng mong manh giữa các ảnh hưởng khác nhau. Trong quá khứ, hệ sinh thái này là một hệ thống cân bằng tự điều chỉnh, nhưng ngày nay do tác động của con người có thể đang là nguyên nhân làm vượt qua trạng thái cân bằng này.
Lớp không khí bao quanh trái đất có thể tích khoảng 270 triệu km3 và nặng khoảng 5.300 tỷ tấn đè lên thân thể chúng ta. Những gì mà chúng ta cảm nhận được chỉ xảy ra trong tầng thấp nhất, cao khoảng 18km của cột không khí khổng lồ này, tuy nhiên, phần nhỏ này lại đóng vai trò quan trọng nhất đối với sự sống trên hành tinh của chúng ta.
Trong không khí chứa khoảng 78% phân tử nitơ và 21% oxy cùng với 1% argon và một số chất khí khác và hơi nước trong đó có khoảng 0,03% khí cácbonic. Mặc dầu hàm lượng khí cácbonic rất nhỏ, nhưng lại đóng một vai trò quan trọng đối với sự sống trên trái đất.
Càng lên cao áp suất không khí giảm và nhiệt độ cũng thay đổi rất nhiều, tuy nhiên nhiệt độ của không khí không hạ xuống một cách đơn giản khi chúng ta tiến ra ngoài không gian, nhiệt độ không khí giảm và tăng theo một chu trình nhất định. Nhiệt độ ở mỗi tầng tương ứng với mức tích tụ và loại năng lượng tác động trong tầng đó.
Hình 1.10. Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển Khí quyển của trái đất có thể chia làm 4 tầng, trong đó mỗi tầng có một kiểu cân bằng năng lượng khác nhau. Tầng dưới cùng nhất gọi là tầng đối lưu (Troposphere) tầng này bị chi phối bởi ánh sáng khả kiến và
tia hồng ngoại, gần 95% tổng số khối lượng và toàn bộ nước trong khí quyển phân bố trong tầng này tầng đối lưu cao chỉ khoảng 14km. Gần như toàn bộ sự trao đổi năng lượng giữa khí quyển và trái đất xảy ra trong tầng này. Mặt đất và mặt biển bị hâm nóng lên bởi ánh nắng mặt trời. Nhiệt độ trung bình trên bề mặt trái đất khoảng 15oC, bức xạ nhiệt đóng vai trò điều tiết tự nhiên để giữ cho nhiệt độ trên mặt đất chỉ thay đổi trong một dải tầng hẹp.
Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy lượng ozon trong tầng thấp nhất của khí quyển (tầng đối lưu) ngày càng tăng, trong khi đó hàm lượng ozon trong tầng bình lưu đã bị giảm 6% từ 20 năm trở lại đây. Hậu quả của sự suy giảm này là các tia cực tím có thể xuyên qua khí quyển đến mặt đất ngày nhiều hơn và làm nhiệt độ trong tầng bình lưu ngày càng lạnh đi, trong khi đó nhiệt độ trong tầng đối lưu ngày một nóng lên do hàm lượng ozon gần mặt đất ngày càng tăng.
Trong tầng giữa (Mesosphere), có độ cao từ 50km trở lên, ozon thình lình mỏng ra và nhiệt độ giảm dần và lên đến ranh giới cao nhất của tầng này (khoảng 80km) thì nhiệt độ chỉ khoảng -90oC.
Càng lên cao nhiệt độ bắt đầu tăng trở lại và sự cấu tạo của khí quyển thay đổi hoàn toàn. Trong khi ở tầng dưới các quá trình cơ học và trong tầng giữa các quá trình hoá học xảy ra rất tiêu biểu, thì trong tầng cao nhất của khí quyển các quá trình diễn ra rất khác biệt. Nhiệt lượng bức xạ rất mạnh của mặt trời làm tách các phân tử ra để tạo thành các ion và electron. Vì thế người ta gọi tầng này là tầng điện ly (Ionosphere) các sóng điện từ bị phản xạ trong tầng này.
Càng lên cao, bức xạ mặt trời trời càng mạnh, ở độ cao khoảng 600km, nhiệt độ lên đến 1000oc. càng lên cao khí quyển càng mỏng và không có một ranh giới rõ ràng phân biệt gữa khí quyển của trái đất và không gian. người ta thống nhất rằng khí quyển chuẩn của trái đất có độ cao 800km.