ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΓΕΩΛΟΓΙΑ Σημειώσεις (PDF)

ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ ΠΟΡΩΝ Σημειώσεις του μαθήματος ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΓΕΩΛΟΓΙΑ Για τους πρωτοετείς φοιτητές της Σχολής ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ ΠΟΡΩΝ Διδάσκων Δρ. Μανούτσογλου Εμμανουήλ Καθη...

ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ ΠΟΡΩΝ Σημειώσεις του μαθήματος ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΓΕΩΛΟΓΙΑ Για τους πρωτοετείς φοιτητές της Σχολής ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ ΠΟΡΩΝ Διδάσκων Δρ. Μανούτσογλου Εμμανουήλ Καθηγητής ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2013 ΧΑΝΙΑ Έκδοση του Εργαστηρίου Γεωλογίας και Παλαιοντολογίας του Πανεπιστημίου Αθηνών 1981 Πρόλογος Η τυχαία, αλόγιστη και ληστρική εκμετάλλευση των ορυκτών πρώτων υλών οδήγησαν όχι μόνο στην κατασπατάληση χρήσιμης ενέργειας, αλλά δημιούργησαν τεράστια περιβαλλοντικά προβλήματα σε ολόκληρο τον πλανήτη. Οι ισορροπίες επιβίωσης και συνέχισης του πολιτισμού μας, στα πλαίσια όχι μόνο του φυσικού αλλά και του τεχνητού περιβάλλοντος που έχουμε δημιουργήσει, έχουν φτάσει σε οριακό σημείο. Ζήτημα αιχμής, τόσο σε διεθνές όσο και μέσω εθνικού σε τοπικό επίπεδο, έχει γίνει η αναγκαία προσπάθεια για αειφόρο ανάπτυξη. Την εξεύρεση τρόπων «δανεικής» διαχείρισης των θησαυρών της Γης, σε ένα δύσκολο και εξοντωτικά ανταγωνιστικό οικονομικό σύστημα. Οι ανανεωμένες για τέταρτη φορά σημειώσεις αποτελούν μια συρραφή και προσαρμογή επιλεγμένης ύλης από διεθνή και ελληνική βιβλιογραφία, για τις ανάγκες του εισαγωγικού μαθήματος στην Γεωλογία. Αποτελούν βοήθημα των παραδόσεων για τους πρωτοετείς φοιτητές της Σχολής Μηχανικών Ορυκτών Πόρων του Πολυτεχνείου Κρήτης. Το βοήθημα αυτό δεν έρχεται να υποσκελίσει το εύρος και την πολυποικιλότητα της απαραίτητης ύλης της Επιστήμης της Γεωλογίας, αυτής που διδάσκεται σε τετραετούς φοίτησης πανεπιστημιακά τμήματα. Στόχος του εγχειριδίου αυτού είναι να δώσει τα απαραίτητα εφόδια στους φοιτητές της Σχολής Μηχανικών Ορυκτών Πόρων του Πολυτεχνείου Κρήτης ώστε όχι μόνο να κατανοήσουν την φυσική ποικιλότητα μορφών, δομών, διεργασιών και γενικά γεωλογικών φαινομένων, αλλά πολύ περισσότερο να τους βοηθήσει στην απαραίτητη ιεράρχηση των κανόνων που απαιτούνται στην προσέγγιση για την ενεργή διαχείριση τους. Η γεωλογική έρευνα είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την εκμετάλλευση του ορυκτού πλούτου της χώρας, που παραμελήθηκε τις τελευταίες δεκαετίες, την αναζήτηση λατομικών προϊόντων, βιομηχανικών ορυκτών, τον εντοπισμό και αξιοποίηση ορυκτών καυσίμων, υπόγειων νερών, τη ορθολογική και ολοκληρωμένη μελέτη μεγάλων τεχνικών έργων όπως έργα ύδρευσης, φράγματα, σήραγγες, μεγάλοι δρόμοι, γέφυρες και θεμελιώσεις. Ακολουθώντας τις διεθνείς εξελίξεις είναι αναγκαία η επαναδραστηριοποίησης της ορθολογικής διαχείρισης και αξιοποίησης μεταλλευμάτων (βωξίτης, χρωμίτης, μαγνησίτης, μεικτά θειούχα, σιδηρονικελιούχα, φωσφορούχα κλπ.), της ανίχνευσης και εντοπισμού ορυκτών καυσίμων (λιγνίτης, πετρέλαιο, φυσικό αέριο), λατομικών προϊόντων, βιομηχανικών ορυκτών (τάλκης, γύψος, καολίνης, σμύριδα, περλίτης κλπ.), υπόγειων νερών και υδροθερμικών πεδίων. Η σχεδόν ολοκλήρωση της γεωλογικής χαρτογράφησης της χώρας και η έκδοση θεματικών γεωλογικών χαρτών (νεοτεκτονικοί, σεισμοτεκτονικοί, γεωφυσικοί κ.τ.λ.), αποτελεί ένα ακόμα εργαλείο για την ανάκαμψη και την αειφόρο ανάπτυξη της σημερινής κοινωνίας μας, που έχει πληγεί θανάσιμα από την πολυδιάστατη κρίση. Δρ. Μανούτσογλου Εμμανουήλ, Καθηγητής Χανιά, Νοέμβριος 2013 Κεφάλαιο πρώτο Φυσικά φαινόμενα και Γεωεπιστήμες ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ 1. ΦΥΣΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΓΕΩΕΠΙΣΤΗΜΕΣ 1.1 Προσεγγίσεις των φυσικών φαινομένων Το γήινο σύστημα στο σύνολό του είναι ένα πολύπλοκο σύστημα. Για την κατανόηση της λειτουργίας του είναι σημαντική η κατανόηση και ερμηνεία των επί μέρους φυσικών φαινομένων, που καθορίζουν και ελέγχουν την συνολική του λειτουργία. Πρωταρχικό μέσο για την κατανόηση της λειτουργίας του γήινου συστήματος είναι οι παρατηρήσεις και καταγραφές. Παρατηρώντας και καταγράφοντας τα φυσικά φαινόμενα προέκυψε η αναγκαιότητα της ερμηνείας τους. Για πολλά χρόνια οι ερμηνείες των παρατηρήσεων και καταγραφών των αποτελεσμάτων των φυσικών διεργασιών ήταν και εν μέρει παραμένουν εμπειρικές. Το στάδιο αυτό μελέτης των φυσικών φαινομένων χαρακτηρίζεται σαν περιγραφικό – ποιοτικό. Στο στάδιο αυτό στηριζόμαστε στην κατά αποκλειστικότητα μελέτη τμηματικών φαινομένων, τμημάτων των φυσικών φαινομένων και διεργασιών, ή τμημάτων του συστήματος. Το πολύπλοκο γήινο φυσικό σύστημα αν και συμπεριφέρεται σαν ένα ενιαίο σύστημα, αποτελείται από διάφορα τμήματα (υποσυστήματα), που μπορεί να θεωρηθούν ότι αποτελούν λειτουργικά αυτόνομες ενότητες: την λιθόσφαιρα, την υδρόσφαιρα, την ατμόσφαιρα και την βιόσφαιρα. Ο τρόπος προσέγγισης και μελέτης της δυναμικής και λειτουργίας των υποσυστημάτων με βάση τους νόμους της μηχανικής είναι ο αναγωγικός ή αναλυτικός τρόπος προσέγγισης. Τα φυσικά (υπο)συστήματα αναλύονται σε στοιχειώδη τμήματα, μελετάται η συμπεριφορά τους και επιδιώκεται η ερμηνεία λειτουργίας των επί μέρους αυτών στοιχειωδών τμημάτων του συστήματος. Τα συμπεράσματα και οι κανόνες λειτουργίας αυτών των τμημάτων χρησιμοποιούνται στην συνέχεια συνθετικά για την ερμηνεία της δυναμικής και λειτουργίας του ευρύτερου συστήματος. Η ανάλυση σε στοιχειώδη τμήματα ενός συνόλου αποτελεί την πρώτη και ουσιαστική διαδικασία αφαίρεσης, δηλαδή μιας διαδικασίας με βάση την οποία ξεχωρίζουμε από ένα σύνολο καταστάσεων η φαινομένων μια ομάδα χαρακτηριστικών. Τα χαρακτηριστικά αυτά τα αποδίδουμε με Εισαγωγή στην Γεωλογία 1 Κεφάλαιο πρώτο Φυσικά φαινόμενα και Γεωεπιστήμες ένα συγκεκριμένο τρόπο. Αυτή η διαδικασία διαχωρισμού των χαρακτηριστικών οδηγεί είτε στην αφαίρεση-απόσπαση, είτε στην αφαίρεση-γενίκευση. Αφαίρεση απόσπαση για παράδειγμα δημιουργούμε όταν π.χ. από ένα πρόσωπο σχηματίζουμε ένα σκίτσο αφαιρώντας από την πραγματική ανθρωπινή φιγούρα τα βασικά μορφικά χαρακτηριστικά. Αντίστοιχα, αφαίρεση-γενίκευση πετυχαίνουμε όταν π.χ. σε ένα βουνό διακρίνουμε το κωνικό σχήμα του ή στον κορμό ενός δένδρου το κυλινδρικό του σχήμα. Το είδος της αφαίρεσης που θα πετύχουμε, δηλαδή η κατηγορία των χαρακτηριστικών που θα απομακρύνουμε και εκείνων που θα κρατήσουμε, εξαρτάται από το είδος της προσέγγισης. Με άλλα λόγια, το τι θα κρατήσουμε από ένα αντικείμενο, μία κατάσταση ή ένα φαινόμενο και τι θα «πετάξουμε», σε μια διαδικασία αφαίρεσης, εξαρτάται από το τι θέλουμε να αναλύσουμε και να προσεγγίσουμε. Η διαδικασία αφαίρεσης σε ένα μέρος της φυσικής πραγματικότητας οδηγεί στην αναγκαιότητα του συμβολισμού. Συμβολισμός είναι μια διαδικασία για την απόδοση του προϊόντος της αφαιρετικής διεργασίας με άλλο ή άλλα μέσα. Τα άλλα αυτά μέσα μπορεί να είναι έννοιες, αριθμοί, σχήματα, διαγράμματα, σήματα και γραφικές αναπαραστάσεις, δηλαδή σύμβολα. Και για να επανέλθουμε στα διάφορα τμήματα – υποσυστήματα του πλανήτη, η λιθόσφαιρα, η υδρόσφαιρα, η ατμόσφαιρα και η βιόσφαιρα αποτελούν χαρακτηρισμούς/συμβολισμούς για αφαιρετικές ενότητες με παρεμφερή χαρακτηριστικά. Η αναγκαιότητα επαναλήψημης και συγκρίσιμης επαλήθευσης των παρατηρήσεων και καταγραφών, αλλά πολύ περισσότερο των ερμηνειών τους και σε άλλα τμήματα του φυσικού συστήματος, οδήγησε στην δημιουργία φυσικών νομοτελειών και γενικευμένων υποθέσεων. Από τις συγκρίσιμες φυσικές νομοτέλειες προέκυψαν οι φυσικοί νόμοι. Όταν οι γενικευμένες υποθέσεις, στηριζόμενες στους φυσικούς νόμους, μπόρεσαν να επαληθευτούν σε πολλές θέσεις του γήινου συστήματος και να ερμηνεύσουν μια ποικιλομορφία φυσικών φαινομένων ονομάστηκαν θεωρίες. Με την εξέλιξη της επιστημονικής σκέψης, βασιζόμενες στους νόμους της μηχανικής του Νεύτωνα, εμφανίστηκαν νέες θεωρίες για την ερμηνεία των φυσικών φαινομένων: η θεωρία της σχετικότητας και η θεωρία των κβάντα. Οι θεωρίες αυτές παρ' όλο που εισήγαγαν νέες έννοιες όπως χώρος, χρόνος, ύλη, στις προσπάθειες ερμηνείας της λειτουργίας του σύμπαντος και των φυσικών φαινομένων, κατά βάση ακολούθησαν την άποψη ότι τα φυσικά συστήματα καθοδηγούνται από δυναμικούς νόμους και κανόνες αυστηρά προδιαγεγραμμένους. Η αναγκαιότητα παραμένει το Εισαγωγή στην Γεωλογία 2 Κεφάλαιο πρώτο Φυσικά φαινόμενα και Γεωεπιστήμες χαρακτηριστικό των θεωριών αυτών. Ένα φαινόμενο θα συμβεί στο μέλλον με προδιαγεγραμμένη την εξέλιξη του από καταστάσεις του παρελθόντος. Το μέλλον λοιπόν εμπεριέχεται στο παρελθόν. Το σύμπαν σε όλα τα εξελικτικά του στάδια είναι σύμφωνα με την μηχανιστική άποψη μία διαρκώς επαναλαμβανόμενη εικόνα. Οι θεωρητικοί του αναγωγικού ή αναλυτικού τρόπου προσέγγισης της δυναμικής και της λειτουργίας των φυσικών συστημάτων μαθηματικοποίησαν, βασισμένοι στους νόμους της μηχανικής, την συμπεριφορά των συστημάτων. Έτσι περάσανε από το ποιοτικό-περιγραφικό στάδιο των φυσικών φαινομένων, στο ποσοτικό στάδιο μελέτης. Η μαθηματικοποίηση της σχέσης [παρατηρήσεις – καταγραφές – ερμηνεία] οδήγησε στην μέτρηση (στην φύση ή στο εργαστήριο), που είναι η διαδικασία καθορισμού της αριθμητικής τιμής μιας φυσικής ποσότητας. Μια από τις πρώτες έννοιες που μαθηματικοποιήθηκαν είναι και αυτή του χρόνου. Ο χρόνος είναι ένα μετρίσιμο μέγεθος με φορά, δηλαδή ένα ανυσματικό μέγεθος. Η φορά του ανύσματος είναι από το παρελθόν προς το μέλλον. Έτσι λοιπόν τα φαινόμενα που εξελίσσονται στα φυσικά συστήματα χρονικά, δεν είναι αναστρέψιμα. Επιπρόσθετα χαρακτηριστικά των φυσικών συστημάτων που σχετίζονται με την εξέλιξη είναι η μη γραμμική και η μη περιοδική συμπεριφορά. Γραμμική είναι η συμπεριφορά ενός φαινομένου ή ενός συστήματος όταν μεταξύ αιτίου και αποτελέσματος υπάρχει μία αναλογική συσχέτιση, αυτή παραδείγματος χάρη που απεικονίζεται από τη μαθηματική σχέση ψ = αχ+β και που η γραφική της παράσταση δίδεται από μια ευθεία. Αν δεν υπάρχει αυτή η αναλογία στο συσχετισμό αιτίου - αποτελέσματος ενός φαινομένου το σύστημα δεν παρουσιάζει γραμμική συμπεριφορά. Με απλά λόγια, όταν μπορεί κανείς να πάει από το σημείο Α στο σημείο Β «από διάφορα μονοπάτια», τότε τα σημεία Α και Β δεν σχετίζονται μεταξύ τους γραμμικά. Ένα φαινόμενο στη φύση μπορεί να περιγραφεί σαν συνάρτηση πολλών παραμέτρων. Ορισμένες από τις παραμέτρους αυτές είναι αμετάβλητες και άλλες μεταβλητές, έτσι ώστε οδηγούν σε μη κανονικότητες στη συμπεριφορά των φαινομένων. Δηλαδή η συμπεριφορά των φυσικών συστημάτων παρουσιάζει διακυμάνσεις που χαρακτηρίζονται από κυκλικότητα (επανάληψη), δεν είναι όμως περιοδικές. Για την κατανόηση της σημαντικής διαφοράς των κυκλικών διακυμάνσεων ή κύκλων, που χαρακτηρίζουν τα φυσικά φαινόμενα, από τις περιοδικότητες ή περιόδους, που χαρακτηρίζουν τα εξιδανικευμένα και ελεγχόμενα Εισαγωγή στην Γεωλογία 3 Κεφάλαιο πρώτο Φυσικά φαινόμενα και Γεωεπιστήμες πειράματα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί το παράδειγμα των ταλαντώσεων του εκκρεμούς. Θεωρούμε κατ' αρχήν τις ταλαντώσεις ενός ιδανικού εκκρεμούς, απαλλαγμένου από τριβές και εξωτερικές επιδράσεις, ενός εκκρεμούς που αποτελεί κλειστό σύστημα, ένα σύστημα δηλαδή που ούτε δέχεται ούτε δίνει ενέργεια στο περιβάλλον. Οι μεταβολές του μπορούν να παρουσιαστούν σε κυκλική απεικόνιση με ένα σύστημα αξόνων, όπου ο οριζόντιος άξονας παριστάνει τη θέση του δίσκου του εκκρεμούς σε σχέση με το σημείο ισορροπίας και ο κάθετος άξονας τις μεταβολές της ταχύτητας με την οποία κινείται ο δίσκος. Επίσης παρουσιάζονται οι περιοδικές διακυμάνσεις με αναφορά στο χρόνο (Σχ. 1.1.). Για το απλό εκκρεμές δύο αριθμοί, ταχύτητα και θέση, είναι ικανοί να μας δώσουν την εικόνα της δυναμικής του συστήματος του εκκρεμούς. Το σημείο ακολουθεί μία τροχιά, που εκφράζει τη συμπεριφορά του συστήματος. Αν η τροχιά είναι κύκλος και η συμπεριφορά σταθερά επαναλαμβανόμενη, τότε το σύστημα μεταβάλλεται περιοδικά. Σχήμα 1.1. Περιοδική και μη περιοδική συμπεριφορά ενός εκκρεμούς. Προκύπτει όμως μια εντελώς διαφορετική εικόνα όταν το εκκρεμές συμπεριφέρεται όχι σαν κλειστό σύστημα αλλά σαν σύστημα που δέχεται εξωτερικές επιρροές, δηλαδή σαν ανοιχτό σύστημα. Το εκκρεμές λόγω των τριβών αλλά και κάτω από την επενέργεια της βαρύτητας χάνει σταθερά ενέργεια και οδηγείται σε κατάσταση ακινησίας. Τότε όλες οι τροχιές κατευθύνονται σπειροειδώς προς τα μέσα, προς ένα Εισαγωγή στην Γεωλογία 4 Κεφάλαιο πρώτο Φυσικά φαινόμενα και Γεωεπιστήμες σημείο, που παριστάνει την τελική ευσταθή κατάσταση. Επίσης η κυκλικώς φθίνουσα ταλάντωση μπορεί να απεικονιστεί και σε άξονα με αναφορά στο χρόνο. Σ' αυτή τη διαρκώς φθίνουσα μεταβολή μπορούμε να εφαρμόσουμε εξωτερική δύναμη (ένα ελατήριο) και να σταθεροποιήσουμε τις ταλαντώσεις, όπως αυτές φαίνονται στο σχήμα 1.1. Τέλος μπορούμε εμποδίζοντας την κανονική ταλάντωση του εκκρεμούς να διαταράξουμε τις τροχιές που διαγράφει η κίνηση. Βλέπουμε λοιπόν ότι το εκκρεμές με την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων, όταν δηλαδή ενεργεί σαν ανοιχτό σύστημα, έχει μια εντελώς διαφορετική συμπεριφορά. Αναγνωρίζεται βέβαια μια επανάληψη ομοίων καταστάσεων, καμία όμως από αυτές δεν είναι ίδια ακριβώς με την προηγούμενη ούτε θα είναι ίδια με την επόμενη. Αυτή η κυκλική διακύμανση ομοίων καταστάσεων στο χρόνο, οι κύκλοι, χαρακτηρίζει την συμπεριφορά των φυσικών συστημάτων και όχι μια αυστηρή περίοδος, η περιοδικότητα στις καταστάσεις, που ουσιαστικά θα ήταν απολύτως προβλέψιμη. Ένα ακόμα βήμα προς την πολυπλοκότητα στη συμπεριφορά των συστημάτων αποτελεί η πλήρης αντιστροφή της πορείας ενός φαινομένου και η απρόβλεπτη εναλλαγή των διαφορετικών αυτών πορειών. Αυτό μπορούμε να το κατανοήσουμε πολύ καλά χρησιμοποιώντας την πειραματική διάταξη του υδατοτροχού του Lorenz. (Σχ. 1.2). Σχήμα 1.2. Ο υδατοτροχός του Lorenz. Μία μηχανική διάταξη που αποδείχθηκε ικανή να παρουσιάσει πολύπλοκη συμπεριφορά, ανάλογα με την εξωτερική επίδραση. Ο υδατοτροχός του Lorenz είναι μία απλή συσκευή. Είναι μία διάταξη περιστρεφόμενων κυλινδρικών δοχείων, που στη βάση τους φέρουν οπές για να χάνουν νερό. Η συσκευή είναι πολύ κατάλληλη για να παρατηρήσουμε την εκπληκτικά πολύπλοκη συμπεριφορά του. Ο υδατοτροχός περιστρέφεται από την επίδραση μιας εξωτερικής πηγής, που είναι η ροή του νερού, που λειτουργεί σαν Εισαγωγή στην Γεωλογία 5 Κεφάλαιο πρώτο Φυσικά φαινόμενα και Γεωεπιστήμες δύναμη ώθησης. Αν η ροή του νερού στον υδατοτροχό είναι αργή και το νερό χάνεται από τις οπές που φέρουν τα δοχεία, τότε το πρώτο δοχείο δε θα γεμίσει ποτέ τόσο, ώστε να ξεπεράσει την τριβή και να αρχίσει ο τροχός να γυρίζει. Αν η ροή είναι πιο γρήγορη, το βάρος που αποκτά το πρώτο δοχείο, που γεμίζει νερό, θέτει τον τροχό σε κίνηση. Ο υδατοτροχός μπορεί να σταθεροποιηθεί σε μία περιστροφή, που γίνεται με σταθερό ρυθμό. Αν η ροή είναι ακόμα πιο γρήγορη η περιστροφή του υδατοτροχού γίνεται με ρυθμούς απρόβλεπτους. Τα δοχεία που περνούν κάτω από το τρεχούμενο νερό, παίρνουν ποσότητα που εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής. Αν ο τροχός περιστρέφεται γρήγορα τα δοχεία έχουν λίγο χρόνο για να γεμίσουν. Επίσης, κάτω από τις ίδιες συνθήκες γρήγορης περιστροφής, τα δοχεία δεν προφταίνουν να αδειάσουν και όταν βρίσκονται από την πλευρά της ανόδου είναι βαριά, επιβραδύνουν την περιστροφή, τη σταματούν και τελικά μπορούν να την αναστρέψουν. Η περιστροφή μπορεί να αναστρέφεται από μόνη της πολλές φορές, χωρίς σταθερό ρυθμό, και να επαναλαμβάνεται αλλά με απρόβλεπτο τρόπο. Τέτοια φαινόμενα αναστροφής έχουν παρατηρηθεί και σε άλλες πειραματικές κατασκευές αλλά και στη φύση. Μπορούμε να κάνουμε ακόμα ένα βήμα στην μελέτη της πολυπλοκότητας των δυναμικών φυσικών συστημάτων προσεγγίζοντας τη γεωμετρία της φύσης. Η γεωμετρία της φύσης αντικατοπτρίζει τα σχήματα που απαντώνται στη φύση και τα οποία είναι, σε αντιδιαστολή με τα γεωμετρικά σχήματα της κλασσικής γεωμετρίας, πολυσύνθετα. Τα απλά σχήματα της κλασσικής γεωμετρίας (γραμμές, επίπεδα, στερεά) σπάνια μπορεί να τα ξεχωρίσει κανείς εύκολα στη φύση. Η γεωμετρία της φύσης, σαν επιστήμη, έχει ξεκινήσει με την καθιέρωση κλιμάκων διαστάσεων, βασισμένων στην κλασματοποίηση (κλασματικές διαστάσεις). Η κλασσική μέτρηση των διαστάσεων με τα πολλαπλάσια ή υποπολλαπλάσια μιας βασικής μονάδας έχει εξυπηρετήσει πολλές εφαρμογές τόσο των επιστημών όσο και της καθημερινότητας. Το κλασσικό παράδειγμα για την κατανόηση της κλασματικής διάστασης είναι η "καμπύλη" του Κόχ ή η νιφάδα του Κόχ (Σχ. 1.3.). Εισαγωγή στην Γεωλογία 6 Κεφάλαιο πρώτο Φυσικά φαινόμενα και Γεωεπιστήμες Σχήμα 1.3. Η νιφάδα, ή καμπύλη του Κόχ. Η "καμπύλη" ή νιφάδα του Κόχ προκύπτει από ένα ισόπλευρο τρίγωνο του οποίου οι πλευρές τεμαχίζονται, κλασματοποιούνται. Στη μέση κάθε πλευράς φτιάχνουμε ένα νέο ισόπλευρο τρίγωνο με μήκος πλευρών ίσο με το ένα τρίτο του προϋπάρχοντος τριγώνου. Οπότε στην κάθε πλευρά του τριγώνου έχει προκύψει ένα νέο σχήμα με μήκος πλευρών 1x4/3 του αρχικού και για όλο το τρίγωνο 3x4/3. Αν επαναλάβουμε για κάθε ευθύγραμμο τμήμα του νέου σχήματος τον ίδιο τεμαχισμό διαδοχικά, τότε το μήκος της γραμμής που προκύπτει θα είναι 3x4/3x4/3x4/3......... θεωρητικά το μήκος της νέας γραμμής είναι άπειρο, το εμβαδόν όμως του σχήματος της νιφάδας παραμένει μικρότερο από το εμβαδόν του περιγραμμένου στο αρχικό τρίγωνο κύκλου. Μία άπειρη θεωρητικά σε μήκος γραμμή περιβάλλει ένα πεπερασμένο εμβαδόν. Η πιο πάνω απεικόνιση μας έδειξε πόσο περιπλέκονται οι αποτυπώσεις διαφόρων γεωμετρικών στοιχείων με την εισαγωγή των κλασματικών διαστάσεων. Η πολύπλοκη εικόνα που προέκυψε από την κλασματοποίηση των γραμμών των πλευρών ενός τριγώνου είναι η συνηθισμένη εικόνα της φύσης. Μόνο σαν παράδειγμα αναφέρουμε τις πολύπλοκες πολυσχιδείς και δαντελωτές ακτές μίας περιοχής, όπως η Ελλάδα. Πριν κλείσουμε το κεφάλαιο της δυναμικής και λειτουργίας των ανοιχτών και πολύπλοκων φυσικών συστημάτων συνοψίζουμε τα βασικότερα σημεία των νέων αντιλήψεων γι' αυτά. Στη φύση συνυπάρχουν καταστάσεις τάξης και αταξίας σε διαρκή εναλλαγή και δυναμική μέσα από μία αέναη δράση - αντίδραση των καταστάσεων αυτών. Ο χρόνος στην εξέλιξη των συστημάτων έχει διανυσματική υπόσταση με φορά μιας κατεύθυνσης, από το παρελθόν στο μέλλον. Τα φυσικά συστήματα έχουν μια μη γραμμική συμπεριφορά. Εισαγωγή στην Γεωλογία 7 Κεφάλαιο πρώτο Φυσικά φαινόμενα και Γεωεπιστήμες Οι μεταβλητές που εκφράζουν την συμπεριφορά των φαινομένων χαρακτηρίζονται από μη κανονικότητα. Οι κανονικές συμπεριφορές είναι σπάνιες και αποτελούν εξαιρέσεις στη φύση. Η συμπεριφορά των φυσικών συστημάτων παρουσιάζει διακυμάνσεις που χαρακτηρίζονται από κυκλικότητα, δεν είναι όμως περιοδικές. Η εξέλιξη των φυσικών συστημάτων είναι απρόβλεπτη. Μπορεί απρόβλεπτα επίσης η εξέλιξη των φαινομένων να αντιστρέφεται Η γεωμετρία της φύσης είναι γεωμετρία των πολύπλοκων γεωμετρικών σχημάτων. Για να αντιμετωπίσουν την φυσική πολυπλοκότητα οι φυσικές επιστήμες για μεγάλο χρονικό διάστημα είχαν επίσης κατατεμαχιστεί και περιχαρακώσει τα αντικείμενα ερευνών τους. Τις τελευταίες όμως δεκαετίες τείνει να καταργηθεί ο τεμαχισμός των επιστημών, που στηρίχτηκε αποκλειστικά στην αναγωγή και ανάλυση των συστημάτων στα συστατικά τους μέρη και αρχίζει να επικρατεί η τάση επανένωσης των επιστημονικών κλάδων. Σήμερα η επιστημονική προσέγγιση στη μελέτη των φυσικών συστημάτων είναι πολυκλαδική. 1.2 Οι Γεωεπιστήμες και τα αντικείμενα ερευνών τους Σαν Γεωλογικές Επιστήμες ή Γεωεπιστήμες ονομάζονται οι φυσικές επιστήμες που έχουν σαν αντικείμενα την έρευνα της δομής των διαφόρων τμημάτων του γήινου πλανήτη και την διατύπωση των νομοτελειών της δημιουργίας και της δυναμικής του εξέλιξης. Η σε βάθος μελέτη του γήινου συστήματος επέβαλλε τον τεμαχισμό των γεωεπιστημών σε διάφορους κλάδους, που διακρίνονται μεταξύ τους ανάλογα με την εξειδίκευση του αντικειμένου ερευνών και τις μεθοδολογίες που ακολουθούν για την προσέγγιση του. Στην εξελικτική πορεία της δημιουργίας των πρώτων γεωεπιστημονικών κλάδων μέχρι την σημερινή επιστημονική σκέψη, δημιουργήθηκαν πολλοί νέοι γεωεπιστημονικοί κλάδοι, πολλοί από τους οποίους είναι υβριδικοί. Οι σημαντικότεροι κλάδοι των γεωεπιστημών, χωρίς φυσικά να καλύπτονται όλοι οι εξειδικευμένοι, είναι οι ακόλουθοι: Η Ιστορική Γεωλογία είναι ένας ευρύτερος γεωλογικός κλάδος, βασικός κορμός της Γεωλογίας, που εξετάζει χρονολογικά τις διάφορες γεωλογικές ενότητες με βάση το είδος και την ηλικία των πετρωμάτων, τα απολιθώματα που υπάρχουν και προσδιορίζουν την ηλικία των στρωμάτων, τα διαδοχικά τεκτονικά φαινόμενα, τις μαγματικές διαδικασίες που συνέβησαν στο παρελθόν, στις διάφορες γεωλογικές Εισαγωγή στην Γεωλογία 8 Κεφάλαιο πρώτο Φυσικά φαινόμενα και Γεωεπιστήμες περιόδους, την εξάπλωση των οργανισμών και την διαχρονική εξέλιξη των διαφόρων γήινων υποσυστημάτων. Η επιστήμη της Παλαιοντολογίας ασχολείται με τα την συστηματική των υπολειμμάτων της ύπαρξης και δραστηριότητας οργανισμών που έζησαν σε προηγούμενες γεωλογικές εποχές και γενικότερα με την εξελικτική πορεία του έμβιου κόσμου. Υποστηρίζει τον κλάδο της Στρωματογραφίας που ασχολείται με την ταξινόμηση των γεωλογικών στρωμάτων, με βάση τη χρονική σειρά σχηματισμού τους. Έτσι βοηθάει στο συσχετισμό στρωμάτων διαφόρων περιοχών και στη δημιουργία μιας συστηματικής γεωχρονολογικής ακολουθίας μέσα στην οποία τοποθετούνται τα διάφορα στρώματα. Με την σειρά της η στρωματογραφία στηρίζει την τεκτονική. Τεκτονική Γεωλογία είναι ο κλάδος της Γεωλογίας πού ασχολείται με την μελέτη της "αρχιτεκτονικής" της λιθόσφαιρας, περιγράφει τις δομές και ερευνά τις αιτίες των παραμορφωμένων πετρωμάτων στον στερεό φλοιό της Γης. Η Εφαρμοσμένη Γεωλογία, που χρησιμοποιώντας τις γνώσεις τόσο άλλων γεωλογικών κλάδων όσο και άλλων φυσικών επιστημών ασχολείται με την ασφαλή και ορθολογική χρήση και εκμετάλλευση του εδάφους, του υπεδάφους και γενικότερα του περιβάλλοντος και συμβάλλει άμεσα τόσο στην οικονομική όσο και στην κοινωνική ανάπτυξη μιας περιοχής. Είναι ένας υβριδικός επιστημονικός κλάδος που υποστηρίζεται από έναν μεγάλο αριθμό παρεμφερών γεωλογικών κλάδων όπως: Τεχνική Γεωλογία, Υδρογεωλογία, Κοιτασματολογία - Οικονομική Γεωλογία, Γεωλογία πετρελαίων, Γεωθερμία, Υποθαλάσσια Γεωλογία, Περιβαλλοντική Γεωλογία. Η Εφαρμοσμένη Γεωλογία είναι όμως περισσότερο συνυφασμένη με την Τεχνική Γεωλογία και την Υδρογεωλογία, δεδομένου ότι η ανάπτυξη της τεχνολογίας, η βελτίωση των μεθόδων έρευνας και οι κατά καιρούς επικρατούντες ερευνητικές τάσεις και κοινωνικές (οικονομικές) ανάγκες, είχαν σαν αποτέλεσμα την αυτονόμηση και ιδιαίτερη ανάπτυξη των περισσοτέρων κλάδων της Εφαρμοσμένης Γεωλογίας. Η Γεωφυσική ασχολείται με τη μελέτη της δομής του εσωτερικού του πλανήτη μας. Για την κατανόηση της δομής του εσωτερικού της Γης, χρησιμοποιεί την κατανομή ορισμένων φυσικών μεγεθών, τα οποία χαρακτηρίζουν τις φυσικές ιδιότητες των φυσικών υλικών.. Τα βασικά μεγέθη τα οποία μελετά η Γεωφυσική είναι η πυκνότητα και οι ελαστικές σταθερές των υλικών του εσωτερικού της Γης. Με την έρευνα της διάδοσης κυμάτων, της βαρύτητας, του υπάρχοντος μαγνητικού πεδίου της Γης, Εισαγωγή στην Γεωλογία 9 Κεφάλαιο πρώτο Φυσικά φαινόμενα και Γεωεπιστήμες γίνεται προσπάθεια να κατανοηθεί η δομή και η σύσταση των δομικών ζωνών του γήινου σώματος, εκεί που η παρατήρηση δεν είναι δυνατή. Από τους σημαντικότερους κλάδους των γεωεπιστημών, που ασχολείται με τη μελέτη των ορυκτών είναι η Ορυκτολογία. Η Κρυσταλλογραφία μελετά τη δομή, τους μηχανισμούς αύξησης αλλά και καταστροφής, των κρυσταλλικών φυσικών συστατικών. Με την πολυπλοκότητα και την συστηματική των πετρωμάτων ασχολείται η Πετρολογία, με τη μελέτη της ηφαιστειακής δραστηριότητος του γήινου συστήματος ασχολείται η Ηφαιστειολογία και με την μελέτη των μηχανισμών ιζηματογένεσης και δημιουργίας ιζηματογενών πετρωμάτων ασχολείται η Ιζηματολογία. Στη Γεωλογία, όπως και στις περισσότερες φυσικές επιστήμες το μεγαλύτερο μέρος της συσσωρευμένης γνώσης για την περιοχή μελέτης, τον στερεό φλοιό της Γης, είναι κυρίως αποτέλεσμα παρατηρήσεων, καταγραφών και μετρήσεων. Οι ερμηνείες δε των περισσοτέρων φαινομένων στηρίζονται στις χρονικά επικρατούσες θεωρίες. Η επίκαιρη θεωρία ερμηνείας της συνολικής εξέλιξης και μορφοποίησης του πλανήτη μας είναι η θεωρία των Τεκτονικών Πλακών, μια θεωρία που συνεχώς συμπληρώνεται. Αν και υπάρχει, σε σύγκριση με άλλες φυσικές επιστήμες, περιορισμένη δυνατότητα πειραματισμού, οι χρονικές και χωρικές κλίμακες πολλών φυσικών φαινομένων στην γεωλογική εξέλιξη του πλανήτη μας είναι τέτοιες, που δεν αναπαράγονται στο εργαστήριο αλλά προσεγγίζονται έμμεσα με άλλες φυσικές μεθόδους, ή ανώτερα μαθηματικά. Εισαγωγή στην Γεωλογία 10 Κεφάλαιο δεύτερο Δημιουργία του γήινου πλανήτη ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ 2. ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΓΗΙΝΟΥ ΠΛΑΝΗΤΗ 2.1. Κοσμολογία Κοσμολογία είναι ο κλάδος των φυσικών επιστημών που ασχολείται με το σύμπαν στην ολότητά του. Η λέξη κοσμολογία προέρχεται από το ρήμα κοσμώ, που σημαίνει στην νεοελληνική στολίζω. Συνεπώς η κοσμολογία ασχολείται με το σύμπαν, που είναι ο κόσμος, δηλαδή το στολίδι. Οι έρευνες της επιστήμης αυτής φτάνουν σε αντικείμενα που βρίσκονται έξω από το ηλιακό μας σύστημα, ενώ χρονικά ασχολείται με το σύμπαν από την αρχική χρονική στιγμή t=0 μέχρι σήμερα, δηλαδή περίπου t=1010 χρόνια. 2.2. Ο γαλαξίας μας Η γαλακτόχρωμη ζώνη που μπορεί να διακρίνουμε παρατηρόντας μια ανέφελη νύχτα τον ουρανό, αποτελεί τμήμα του γαλαξία μας. Ο γαλαξίας μας αποτελείται από 1011 αστέρια και από νέφη διάπυρων αερίων. Τα δύο κύρια μέρη του είναι ο δίσκος και η άλω (Σχ. 2.1.). Η διάμετρος του δίσκου είναι περίπου 30 kpc και το πάχος του περίπου 1 kpc. Ο δίσκος αποτελείται από αστέρια και αέρια και περιέχει σχεδόν το μισό της όλης μάζας του γαλαξία.Το ηλιακό σύστημα βρίσκεται περίπου 10 kpc μακριά από το κέντρο του γαλαξία και 15 pc (1 pc=3,2 ly έτη φωτός και 1 ly=9,4605χ1012 Km) πάνω από το αξονικό επίπεδο. Ο ήλιος κινείται σε σχεδόν κυκλική τροχιά γύρω από κέντρο του γαλαξία με ταχύτητα 250 Km/sec και χρειάζεται περίπου 2Χ108 χρόνια για να διανύσει μια πλήρη τροχιά. Εισαγωγή στην Γεωλογία 11 Κεφάλαιο δεύτερο Δημιουργία του γήινου πλανήτη Σχ. 2.1. Προσομοίωση του γαλαξία μας Η άλως είναι σχεδόν σφαιρική και η διάμετρος της υπολογίστηκε στα περίπου 2Χ105 έτη φωτός. Το κέντρο της βρίσκεται στο κέντρο του γαλαξία και η κεντρική περιοχή της αποτελείται από αστέρια που σχηματίζουν στο δίσκο ένα κεντρικό εξόγκωμα. Η άλως περιέχει αέρια μικρής πυκνότητας και περίπου 120 σφαιρωτά σμήνη, που κινούνται σε ελλειπτικές τροχιές γύρω από το κέντρο του γαλαξία. Η άλως σε αντίθεση με τον δίσκο δεν περιστρέφεται. Οι αστέρες του γαλαξία μας και κατ' επέκταση και των άλλων γαλαξιών, χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, τους αστέρες πληθυσμού Ι και τους αστέρες πληθυσμού ΙΙ (ταξινόμηση του Baade). Οι αστέρες του πληθυσμού Ι είναι νέοι, βρίσκονται στον δίσκο και περιέχουν βαριά στοιχεία (βαρύτερα από το ήλιο). Αστέρες αυτού του τύπου δημιουργούνται από νέφη αερίου του δίσκου και όταν πεθαίνουν αποβάλλουν βαρεία στοιχεία στο χώρο. Έτσι, το ρεζερβουάρ του αερίου του δίσκου από τη μια μεριά αδειάζει καθώς σχηματίζονται νέοι αστέρες και από την άλλη εμπλουτίζεται με βαριά στοιχεία καθώς πεθαίνουν οι αστέρες. Οι αστέρες πληθυσμού II βρίσκονται στο κεντρικό εξόγκωμα του γαλαξία και στη άλω, είναι πολύ παλαιοί (γερασμένοι) αστέρες που γεννήθηκαν όταν ο γαλαξίας ήταν νεώτερος. Η ηλικία τους υπολογίζεται σε (8-15) Χ 1011 χρόνια. Οι αστέρες αυτού του τύπου σχηματίστηκαν από αέριο που περιείχε υδρογόνο και ήλιο (όχι βαριά στοιχεία) και είναι απίθανο να περιέχουν πλανητικά συστήματα. Αντίθετα, οι αστέρες του πληθυσμού Ι σχηματίστηκαν από αέριο που περιείχε βαριά στοιχεία και είναι πιθανό να περιέχουν πλανητικά συστήματα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιου αστέρα είναι ο δικός μας Ήλιος. Στο γαλαξία μας συναντώνται και σμήνη αστέρων που διακρίνονται σε σφαιρωτά και ανοιχτά. Οι αστέρες που ανήκουν σε κάποιο σμήνος βρίσκονται στην ίδια περίπου Εισαγωγή στην Γεωλογία 12 Κεφάλαιο δεύτερο Δημιουργία του γήινου πλανήτη απόσταση από εμάς, δημιουργήθηκαν από το ίδιο νέφος αερίου και έχουν περίπου την ίδια ηλικία. Ένα άλλο συστατικό του γαλαξία μας είναι τα νεφελώματα που τα διακρίνουμε σε νεφελώματα εκπομπής και νεφελώματα ανακλάσεως. Τα νεφελώματα ανακλάσεως ανακλούν το φως των γειτονικών αστέρων και έχουν κόκκινο χρώμα. Τα νεφελώματα εκπομπής, απορροφούν την υπεριώδη ακτινοβολία των γειτονικών αστέρων (ή των αστέρων που περιβάλλουν) και την εκπέμπουν σαν ορατή ακτινοβολία με αποχρώσεις. Πολλά νεφελώματα του γαλαξία μας είναι σκοτεινά και βρίσκονται στο δίσκο του γαλαξία. Η εμφάνιση τους οφείλεται στην ύπαρξη μεσοαστρικής σκόνης. Η μεσοαστρική αυτή σκόνη ελαττώνει την ένταση του φωτός που προέρχεται από απομακρυσμένα αστέρια του γαλαξία μας με αποτέλεσμα να βλέπουμε τα σκοτεινά νεφελώματα. Τα τελευταία 50 χρόνια οι αστρονόμοι άρχισαν να καταλαβαίνουν καλύτερα τη μορφολογία του γαλαξία μας. Προσεκτικές παρατηρήσεις που έγιναν στη κατανομή των αστέρων και του αερίου του γαλαξία, έδειξαν ότι ο δίσκος του γαλαξία μας έχει σπείρες που αποτελούνται από νεαρούς φωτεινούς αστέρες και φωτεινά νεφελώματα. 2.3. Τα συστατικά του σύμπαντος Οι περισσότεροι γαλαξίες έχουν χαρακτηριστικό σχήμα, κάτι που βοήθησε τους αστρονόμους να τους ταξινομήσουν: Οι ελλειπτικοί γαλαξίες: Έχουν ελλειψοειδές σχήμα και περιστρέφονται αργά. Το κεντρικό τους τμήμα είναι λαμπρό ενώ η λαμπρότητα τους ελαττώνεται προς τα άκρα του γαλαξία τα οποία δεν έχουν σαφή όρια από τον υπόλοιπο χώρο. Οι ελλειπτικοί γαλαξίες δεν έχουν αρκετό αέριο ή σκόνη και γι' αυτόπθεωρείται ότι αποτελούνται από γερασμένους αστέρες πληθυσμού ΙΙ. Καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μαζών και μεγεθών από νάνους, μέχρι γίγαντες και υπεργίγαντες γαλαξίες. Έχει υπολογιστεί ότι το 60% των γαλαξιών είναι ελλειπτικοί γαλαξίες και μάλιστα νάνοι. Ανάλογα με τη πλάτυνση που παρουσιάζουν ταξινομούνται σε μια ακολουθία Ε0, Ε1, Ε2,..., Ε7. Στην κατάταξη αυτήν οι ελλειπτικοί γαλαξίες Ε0, είναι σχεδόν σφαιρικοί και οι Ε7, είναι πάρα πολύ πεπλατυσμένοι (Σχ. 2.2.). Εισαγωγή στην Γεωλογία 13 Κεφάλαιο δεύτερο Δημιουργία του γήινου πλανήτη Σχ. 2.2. Ταξινόμηση των Ε – γαλαξιών σύμφωνα με την πλάτυνση τους Οι σπειροειδείς γαλαξίες: Παρουσιάζουν σπείρες, έχουν δίσκο και άλω η οποία δεν είναι πάντα ορατή. Χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, στους κανονικούς σπειροειδείς και δηλώνονται με το γράμμα S και στους ραβδωτούς σπειροειδείς που δηλώνονται με SB. Οι κανονικοί σπειροειδείς διακρίνονται στους Sa, που έχουν κεντρικό εξόγκωμα και κλειστές σπείρες, στους Sb που έχουν μικρότερο εξόγκωμα και ανοιχτότερες σπείρες και τους Sc που έχουν το μικρότερο κεντρικό εξόγκωμα και τις λιγότερο κλειστές σπείρες (Σχ. 2.3.). Ο γαλαξίας μας είναι Sb. Σχ. 2.3. Οι τρεις κύριες κατηγορίες σπειροειδών γαλαξιών Οι σπειροειδείς γαλαξίες είναι πλούσιοι σε αέριο και σκόνη, κυρίωςστην περιοχή του δίσκου και γι' αυτό θεωρείται ότι αποτελούνται από νέους αστέρες. Οι σπειροειδείς γαλαξίες έχουν αστέρες όλων των ηλικιών και συγκεκριμένα ο δίσκος έχει αστέρες πληθυσμού Ι ενώ η άλως και το γαλαξιακό εξόγκωμα έχουν αστέρες πληθυσμού ΙΙ. Σύμφωνα με τις σύγχρονες θεωρίες, για τις σπείρες δεχόμαστε ότι είναι κύματα πυκνότητας. Έχει βρεθεί ότι οι λαμπρότεροι γαλαξίες είναι σπειροειδείς. Εισαγωγή στην Γεωλογία 14 Κεφάλαιο δεύτερο Δημιουργία του γήινου πλανήτη Σήμερα οι αστρονόμοι μπορούν να μετρήσουν με αρκετά μεγάλη ακρίβεια τη κατανομή φωτός σ' ένα γαλαξία. Η κατανομή αυτή του φωτός περιγράφεται με τις ισόφωτες καμπύλες ή επιφάνειες δηλαδή τις καμπύλες ή επιφάνειες ίσης εντάσεως φωτός. Σε πολλούς γαλαξίες και ειδικότερα στους ελλειπτικούς, η αυξανόμενη ευαισθησία των οργάνων που χρησιμοποιούνται για τις φωτομετρήσεις, δείχνουν ότι τα όρια των γαλαξιών δεν σταματούν κάπου απότομα, Αντίθετα, υπάρχει μια βαθμιαία ελάττωση της έντασης του φωτός των γαλαξιών από το κέντρο τους προς τα έξω. Οι γαλαξίες με σχήμα ενδιάμεσο μεταξύ ελλειπτικού και σπειροειδή γαλαξία ονομάστηκαν SO. Οι γαλαξίες SO έχουν λίγο αέριο και σκόνη και οι ισόφωτες καμπύλες τους μοιάζουν μ' εκείνες των σπειροειδών. Ένας άλλος τύπος γαλαξιών είναι οι ακανόνιστοι που ονομάστηκαν έτσι επειδή εμφανίζουν χαοτική εμφάνιση. Γαλαξίες που δεν έχουν ταξινομηθεί για κάποιους λόγους έχουν καταγραφεί σ' έναν άτλαντα γνωστό σαν άτλαντα του Halton Arp's των ιδιόρρυθμων γαλαξιών. Σμήνη γαλαξιών: Οι γαλαξίες δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένοι στο σύμπαν. Παρουσιάζονται ομαδοποιημένοι σχηματίζοντας σμήνη γαλαξιών. Τα σμήνη γαλαξιών διακρίνονται σε κανονικά και ακανόνιστα. Τα κανονικά είναι σφαιρικά, συγκεντρώνουν στο κέντρο τους σημαντικό αριθμό γαλαξιών, έχουν πολλά μέλη και περιέχουν πολλούς γαλαξίες τύπου SO. Συχνά στο κέντρο τους εμφανίζεται και κάποιος υπεργίγαντας που γύρω του έχει και άλλους μικρότερους. Η διάμετρος αυτών των σμηνών είναι περίπου 107 έτη φωτός και εμφανίζουν σαφή σύνορα. Έχουν μεσογαλαξιακό αέριο και πιθανόν μεσογαλαξιακούς αστέρες και σφαιρωτά σμήνη. Τα ακανόνιστα σμήνη γαλαξιών έχουν γαλαξίες όλων των τύπων, είναι περίπου σφαιρικά με μεγάλη συγκέντρωση γαλαξιών στο κέντρο. Συνήθως, τα σμήνη αυτά έχουν από 10 έως 100 μέλη γαλαξίες. Ο γαλαξίας μας ανήκει και αυτός σ' ένα σμήνος γαλαξιών που είναι ακανόνιστο με 20 μέλη και στη βιβλιογραφία είναι γνωστό σαν τοπική ομάδα. Οι αποστάσεις που χωρίζουν τα διάφορα σμήνη γαλαξιών από τη τοπική ομάδα είναι εξαιρετικά μεγάλες. Το πλησιέστερο ακανόνιστο σμήνος είναι της Παρθένου και απέχει περίπου 7Χ107 έτη φωτός, ενώ το πλησιέστερο κανονικό το σμήνος της Κόμης που βρίσκεται σε απόσταση περίπου 4,5Χ108 έτη φωτός. Οι ραδιογαλαξίες: Είναι γαλαξίες που εκπέμπουν τεράστια ποσά ενέργειας σε ραδιοφωνικά μήκη κύματος. Οι συνηθισμένοι αστέρες ενός γαλαξία εκπέμπουν περίπου 1038erg/sec σε ραδιοκύματα και 1044erg/sec στο ορατό φως. Οι Εισαγωγή στην Γεωλογία 15 Κεφάλαιο δεύτερο Δημιουργία του γήινου πλανήτη ραδιογαλαξίες εκπέμπουν 1045erg/sec στα ραδιοφωνικά κύματα. Ο μηχανισμός που οδηγεί στην εκπομπή παραμένει άγνωστος. Πιθανόν καταστροφικά γεγονότα στο κέντρο των γαλαξιών (π.χ. βαρυτική κατάρρευση και σχηματισμός μελανών οπών) να είναι τα αίτια της εκπομπής. Οι Quasars: Είναι ραδιογαλαξίες που ανακαλύφθηκαν το 1963. Η ονομασία τους αποτελεί συντομογραφία του Quasi-stellar radio sources. Οι Quasars εκπέμπουν ενέργεια περίπου 100 φορές απ' ότι όλα τα αστέρια του γαλαξία μας και βρίσκονται σχεδόν στα άκρα του ορατού σύμπαντος. Αν θεωρήσουμε ότι η ενέργεια τους παράγεται από μάζα, με βάση το νόμο της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας, E=mc2, τότε οι Quasars αυτοί θα πρέπει να έχουν μάζες όσο έχουν 108 αστέρια με διαστάσεις περίπου σαν το ηλιακό μας σύστημα. Ο συνδυασμός του πιθανού μικρού τους μεγέθους και της ισχυρής ακτινοβολίας τους καθιστά δύσκολη τη κατανόηση τους. Σύγχρονες παρατηρήσεις οδηγούν στο συμπέρασμα ότι οι Quasars είναι αντικείμενα που βρίσκονται στο κέντρο απομακρυσμένων γαλαξιών και ίσως αποτελούν κάποια κατάσταση εξέλιξης των γαλαξιών. Τελευταία, ο δορυφόρος Einstein Observatory αποκάλυψε ότι οι Quasars εκπέμπουν και ακτινοβολία Χ. Οι Pulsars είναι ραδιαστέρες με πολύ σταθερή περίοδο εκπομπής ακτινοβολίας που κυμαίνεται από 1/30 έως 1 sec. H μικρή και σταθερή περίοδος τους σημαίνει ότι οι Pulsars είναι μικρά και στερεά αντικείμενα (η διάμετρος τους είναι μικρότερη από 10Km). Μελέτες που έγιναν στο νεφέλωμα του καρκίνου και σε άλλα νεφελώματα έδειξαν ότι οι Pulsars είναι συγγενείς με τους αστέρες νετρονίων. Οι αστέρες νετρονίων είναι αστέρες που έχουν υποστεί κάποια βίαια έκρηξη, έχουν χάσει το μεγαλύτερο μέρος της μάζας τους και της ενέργειας τους και έχουν συρρικνωθεί σε αστέρες με διάμετρο μερικών δεκάδων χιλιομέτρων. Ένας τέτοιος αστέρας έχει πυκνότητα περίπου 1014gr/cm3. Αν κάποιος αστέρας, μεγαλύτερος σε μάζα, καταναλώσει τα πυρηνικά του στοιχεία, αρχίζει να ψύχεται και λόγω βαρύτητας μπορεί να συμπιεστεί σε ακόμη μεγαλύτερες πυκνότητες από εκείνες των αστέρων νετρονίων, οπότε έχουμε των σχηματισμό κάποιας μελανής οπής. Στη περίπτωση αυτή, τίποτα δεν μπορεί να διαφύγει από την επιφάνεια της εκτός και αν έχει ταχύτητα μεγαλύτερη από εκείνη του φωτός. Υποστηρίζεται, ότι οι μελανές οπές μπορούν να παρατηρηθούν έμμεσα από την ακτινοβολία Χ που παράγεται, καθώς πέφτουν σωματίδια μέσα τους. Εισαγωγή στην Γεωλογία 16 Κεφάλαιο δεύτερο Δημιουργία του γήινου πλανήτη Χαρακτηριστικό γνώρισμα των αστέρων νετρονίων και των μελανών οπών είναι ότι αποτελούν εξαιρετικά πυκνές καταστάσεις της ύλης. 2.4. Οι πλανήτες του ηλιακού συστήματος Η Γη που είναι ένα ουράνιο σώμα, επειδή είναι ένας κινητός αστέρας ονομάζεται και πλανήτης. Με άλλους οχτώ πλανήτες, περισσότερους από 2000 πλανητοειδείς, 500 κομήτες και μερικά σμήνη μετεωριτών σχηματίζει ένα δικό της κλειστό πλανητικό σύστημα. Τα μεμονωμένα μέλη του συστήματος αυτού κινούνται σε ελλειπτικές τροχιές αυστηρής μαθηματικής ακρίβειας, οι οποίες βρίσκονται σχεδόν σε ένα επίπεδο, γύρω από έναν μεγαλύτερο απλανή αστέρα, τον ήλιο. Το πλανητικό μας σύστημα ονομάζεται ηλιακό, επειδή έχει σαν κεντρικό σώμα του τον ήλιο. Οι πλανήτες του ηλιακού συστήματος ταξινομήθηκαν με βάση την θέση τους ως προς τον ήλιο σε τρεις ομάδες: α) εσωτερικοί πλανήτες, όπως είναι οι Ερμής, Αφροδίτη, Γη, και Άρης, οι οποίοι έχουν σχετικά μικρή μάζα, μικρή διάμετρο, ελάχιστη επιπλάτυνση και μεγάλη πυκνότητα, β) εξωτερικοί πλανήτες, όπως είναι οι Δίας, Κρόνος, Ουρανός, Ποσειδώνας και ο Πλούτωνας. Αν εξαιρέσουμε τον Πλούτωνα, όλοι έχουν μεγάλη διάμετρο και μάζα, μικρή πυκνότητα και μεγάλη επιπλάτυνση, γ) οι πλανητοειδείς που βρίσκονται στο χώρο ανάμεσα στον Άρη και τον Δία. Όλοι οι πλανήτες κινούνται δεξιόστροφα γύρω απ' τον ήλιο με τροχιές που παρουσιάζουν απόκλιση από εκείνη του κύκλου δηλαδή είναι ελλειπτικές. Ταυτόχρονα, με εξαίρεση τον Ουρανό, περιστρέφονται επίσης δεξιόστροφα γύρω από έναν νοητό άξονα του σώματός τους. Ο άξονας αυτός της περιστροφής δεν είναι κάθετος στο επίπεδο που σχηματίζει η τροχιά τους γύρω από τον ήλιο, αλλά σχηματίζει μία οξεία γωνία. Για τη Γη η γωνία αυτή είναι 66,5°, ενώ για την Αφροδίτη 32°. Εκτός απ' τον Ερμή, την Αφροδίτη και τον Πλούτωνα, συνοδεύονται από έναν ή περισσότερους δορυφόρους (σελήνες). Αυτοί κινούνται σε τροχιές γύρω από τους πλανήτες ακολουθώντας την περιστροφική κίνηση τους. Ο Κρόνος έχει δέκα δορυφόρους και περισσότερους λεπτού πάχους συμπυκνωμένους δακτυλίους που αποτελούνται από μάζα κοσμικής σκόνης και βρίσκονται στο ισημερινό επίπεδό του. Εισαγωγή στην Γεωλογία 17 Κεφάλαιο δεύτερο Δημιουργία του γήινου πλανήτη Σχ. 2.4. Σκαρίφημα του ηλιακού συστήματος με τα σχετικά μεγέθη του ήλιου και των πλανητών. Όλες οι πλανητικές τροχιές εκτός του Πλούτωνα και του Ερμή είναι περίπου στο ίδιο επίπεδο με την τροχιά της Γης. Οι πραγματικές επιφάνειες των πλανητών μπορούν να παρατηρηθούν μόνον στους Άρη και Ερμή. Στους υπόλοιπους πλανήτες καλύπτεται από πυκνό και παχύ περίβλημα αερίων, όπως περίπου είναι το περίβλημα της γήινης ατμόσφαιρας. Το περίβλημα αερίου των εσωτερικών πλανητών περιέχει κυρίως μεθάνιο CH4 και κατά θέση ΝΗ3. Νέες παρατηρήσεις για την ατμόσφαιρα του Δία δείχνουν ότι αποτελείται κυρίως από υδρογόνο, ήλιο καθώς επίσης και από ποσότητες CH4 και ΝΗ3. Η ατμόσφαιρα της Αφροδίτης αποτελείται από CΟ2, ενώ του Άρη περιέχει Ν (άζωτο), λίγο υδρατμό (Η2Ο) και οξυγόνο (Ο2). Οι πλανήτες ακτινοβολούν το φως του ήλιου. Η κίνηση και ισορροπία των πλανητών οφείλεται σε δυνάμεις έλξης. 2.5. Πλανητοειδείς Οι τροχιές του Άρη και του Δία απέχουν μεταξύ τους 550 εκατομμύρια χιλιόμετρα περίπου. Στον ενδιάμεσο χώρο των δύο πλανητών παρατηρούνται ουράνια σώματα με διάφορα σχήματα που ο αριθμός τους ξεπερνά τους δύο χιλιάδες. Τα ουράνια αυτά σώματα ονομάζονται πλανητοειδή ή αστεροειδή. Περιστρέφονται γύρω απ' τον ήλιο όπως και οι πλανήτες, σε αρκετά εκτεταμένες ελλείψεις. Οι διάμετροι των ουράνιων Εισαγωγή στην Γεωλογία 18 Κεφάλαιο δεύτερο Δημιουργία του γήινου πλανήτη αυτών σωμάτων διακυμαίνονται από 100 χιλιόμετρα έως και 100 μέτρα μήκος. Λόγω του μικρού μεγέθους τους δεν ερευνήθηκαν σωστά. Επίσης είναι άγνωστο αν προήλθαν από το διαμελισμό ενός πλανήτη, ή αποτελούν μικρά ουράνια σώματα που δεν μπόρεσαν ποτέ να συγκροτήσουν ένα νέο πλανήτη. 2.6. Κομήτες και μετεωρίτες Στο ηλιακό σύστημά μας ανήκουν περίπου 500 κομήτες, οι οποίοι κινούνται σε επιμήκεις ελλείψεις γύρω από τον ήλιο. Αποτελούνται πάντα από έναν πυκνό πυρήνα και έναν αεριώδη φλοιό. Γενετικά πιθανόν ανήκουν στον ήλιο. Μεγαλύτερο γεωλογικό ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι μετεωρίτες. Πρόκειται για ουράνια σώματα, τα οποία με ταχύτητα από 10 έως και 100 Km/sec, μπαίνουν στη γήινη ατμόσφαιρα και συνήθως κονιορτοποιούνται. Τα μεγέθη τους διαφέρουν. Μερικοί από αυτούς φτάνουν και συγκρούονται με την γήινη επιφάνεια. Αν το μέγεθός του είναι μεγάλο σχηματίζουν κρατήρες στην επιφάνεια της Γης. Σημαντικότεροι μετεωριτικοί κρατήρες της Γης είναι: του Coon Bute (Arizona, USA), με διάμετρο κρατήρα 1150 μέτρα και βάθος του ιδίου 183 μέτρα. Στο περιβάλλον του κρατήρα βρέθηκαν 20 τόνοι μετεωριτικού υλικού. Παρόμοιες περιπτώσεις έχουμε στο Henbury (Αυστραλία) και Wabar (Αραβία). Το 1908 είχαμε μία πτώση μετεωρίτη στις Σιβηρικές τάϊκες. Η περιοχή καταστροφής είχε διάμετρο 120 Km. Το 1947 έπεσε ένας τεράστιος μετεωρίτης στην ανατολική Σιβηρία. Οι έρευνες που συνεχίζονται μέχρι σήμερα στην περιοχή έδωσαν 37 τόνους μετεωριτικό υλικό ενώ μετρήθηκαν πάνω από 200 κρατήρες. Τα βάρη των μετεωριτών που βρέθηκαν κυμαίνονται από ένα γραμμάριο μέχρι 50 τόνους. Ανάλογα με την σύσταση τους οι μετεωρίτες διακρίθηκαν στις επόμενες κατηγορίες: α) σιδηρομετεωρίτες, β) πετρομετεωρίτες και γ) σιδηρόλιθοι. α) Σε τομή οι σιδηρομετεωρίτες εμφανίζουν μετά την επίδραση τους με οξέα χαρακτηριστικά σχήματα, όπως λεπτές παράλληλες ραβδώσεις (γραμμές Neumann), διασταυρωτές γραμμές ή συστήματα διασταυρωτών γραμμών (σχήματα Wildmannstatt). Πρόκειται και στις δύο περιπτώσεις για τομές λεπτών ελασμάτων κρυστάλλων (ορυκτών), που αποτελούνται από μίγμα σιδηρονικελίου. Τα ελάσματα αποτελούνται από φτωχά σε Νί μικροσιδηροδοκάρια (καμαζίτης), τα οποία προσβάλλονται εύκολα από τα οξέα. Τα μικροσιδηροδοκάρια περιβάλλονται από Εισαγωγή στην Γεωλογία 19 Κεφάλαιο δεύτερο Δημιουργία του γήινου πλανήτη λεπτές σιδηροταινίες, πλούσιες σε νικέλιο (τενίτης). Οι ίδιοι μετεωρίτες περιέχουν και εγκλείσματα τροϊλίτη, του οποίου ο χημικός τύπος είναι FeS. β) Οι πετρομετεωρίτες αποτελούνται κυρίως από τα ορυκτά ενστατίτη και ολιβίνη. Σπάνια παρατηρούνται άστριοι, χαλαζίας και γυαλί. Διακρίνουμε δύο κύριους τύπους πετρομετεωριτών. Ο ένας περιέχει σφαιρίδια διαμέτρων από 0,1 έως 0,3 mm, που αποτελούνται κυρίως από ολιβίνη και πυρόξενο και ονομάζονται χόνδροι, δανείζοντας και στους αντίστοιχους μετεωρίτες το όνομά τους, χονδρίτες. Τα σφαιρίδια σχηματίζονται από απότομη στερεοποίηση του μετεωρικού μαγματικού τήγματος. Στο δεύτερο τύπο λείπουν εντελώς τα σφαιρίδια (χόνδροι), οπότε τα παρόμοια πετρώματα τα ονομάζουμε αχονδρίτες. Οι περισσότεροι πετρομετεωρίτες είναι χονδρίτες. γ) Οι σιδηρόλιθοι είναι ενδιάμεσοι ή μεταβατικοί σχηματισμοί μεταξύ σιδηρο- και πετρομετεωριτών, στους οποίους παρατηρείται αυτοφυής σίδηρος με μορφή μικρών σταγονιδίων Οι μετεωρίτες έχουν παρόμοια χημική σύσταση με τα πετρώματα της Γης. Υπάρχουν όμως διαφορές μεταξύ μετεωριτών και του στέρεου φλοιού της Γης, αναφορικά με τη συσσώρευση ορισμένων ιχνοστοιχείων όπως φαίνεται και από τον επόμενο πίνακα κατανομής των στοιχείων. Από την τροχιά μερικών μετεωριτικών σμηνών προκύπτει ότι αυτοί δεν ανήκουν τουλάχιστον στο δικό μας ηλιακό σύστημα. α/α Χημικά στοιχεία Πετρομετεωρίτες Σιδηρομετεωρίτες Φλοιός της γης 1 Υδρογόνο 0,014 0,002 0,87 2 Άνθρακας 0,034 0,039 0,087 3 Άζωτο 0,0034 0,0034 0,036 4 Οξυγόνο 42,04 - 49,5 5 Νάτριο 0,718 - 2,63 6 Μαγνίσιο 15,90 0,032 1,93 7 Αργίλιο 1,61 0,0040 7,5 8 Πυρίτιο 21,43 0,80 25,7 9 Φωσφόρος 0,0506 0,147 0,12 10 θείο 2,01 0,063 0,06 Εισαγωγή στην Γεωλογία 20 Κεφάλαιο δεύτερο Δημιουργία του γήινου πλανήτη 11 Κάλιο 0,263 - 2,40 12 Ασβέστιο 1,920 0,05 3,39 13 Τιτάνιο 0,210 0,0040 0,58 14 Χρώμιο 0,50 0,03 0,03 15 Μαγγάνιο 0,250 0,03 0,09 16 Σίδηρος 12,76 90 (πλέον) 4,70 17 Κοβάλτιο 0,0181 0,547 0,0018 18 Νικέλιο 0,201 8,0 0,02 19 Χαλκός 0,000155 0,0305 0,01 Πίνακας 2.1. Συγκριτική κατανομή στοιχείων σε μετεωρίτες και σε πετρώματα του γήινου φλοιού 2.7. Ο Ήλιος Στο κέντρο του πλανητικού μας συστήματος βρίσκεται ο ήλιος που είναι ο πιο κοντινός απλανής αστέρας στη Γη. Η μέση απόστασή του απ' τη Γη υπολογίστηκε σε 149.504.000 Km, ενώ για σύγκριση, η διάμετρός του ξεπερνάει τα 1.392.000 Km. Η μάζα του είναι 700 φορές μεγαλύτερη απ' εκείνη όλων των πλανητών του ηλιακού συστήματος, υπολογίζοντας ότι η πυκνότητά του είναι 1,4 gr/cm3. Δομείται από μάζες αερίων, οι οποίες αποτελούνται από ελεύθερα ηλεκτρόνια, πρωτόνια (πυρήνες ατόμων υδρογόνου) και ισχυρά ιονισμένους ατομικούς πυρήνες διαφόρων στοιχείων. Ο πυρήνας του ήλιου πεpιβάλεται από περισσότερες ατμόσφαιρες. Από μέσα προς τα έξω είναι η φωτόσφαιρα, η χρωμόσφαιρα και η κορώνα. Η πυκνότητα και η πίεση των αερίων μειώνονται από μέσα προς τα έξω. Η θερμοκρασία στην επιφάνεια του ήλιου ξεπερνάει τους 5.700° Κ (Κέλβιν). Τα σημαντικότερα φαινόμενα που συνδέονται με την ηλιακή δραστηριότητα είναι: α) οι ηλιακές κηλίδες που εμφανίζονται περιοδικά σαν σκοτεινές θέσεις της φωτόσφαιρας, στις οποίες η θερμοκρασία φτάνει περίπου τους 4.500° Κ. Οι σκοτεινές κηλίδες θεωρείται ότι δημιουργούνται σαν το αποτέλεσμα κυκλώνων της ηλιακής ύλης. Εισαγωγή στην Γεωλογία 21 Κεφάλαιο δεύτερο Δημιουργία του γήινου πλανήτη β) Η κοκκίαση της φωτόσφαιρας που χαρακτηρίζεται από την παρουσία φωτεινών και σκοτεινών κηλίδων οι οποίες δημιουργούν μια ψευδοκοκκώδη υφή και θεωρείται ότι δημιουργούνται από τις ανοδικές και καθοδικές κινήσεις ηλιακού υλικού. γ) Οι εκρήξεις, οι υψώσεις, ή εκσφενδονισμοί που δημιουργούνται από μεγάλου πάχους εκρήξεις υλικού της χρωμόσφαιρας, και φθάνουν σε ύψη 100.000 Km. δ) Σχηματισμός της κορώνας που είναι ο έξω-αεριώδης φλοιός του ήλιου και είναι ορατή σε εκλείψεις. Η μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας γίνεται σε εξωτερικές περιοχές της γήινης ατμόσφαιρας. Μία επιφάνεια ενός cm2 που είναι κάθετη στην ηλιακή ακτινοβολία δέχεται για χρονική διάρκεια ενός λεπτού τη θερμική ποσότητα 1 ,94 cal. Η τιμή αυτή του 1 ,94 calcm-2min-1 ονομάζεται ηλιακή σταθερά. Το σύνολο της θερμικής παραγωγής του ήλιου υπολογίζεται σε 9,1.1025 cal s-1 ή 2,87.1033 cal τον χρόνο. Έχει υπολογιστεί ότι η ποσότητα της ακτινοβολίας ανά γραμμάριο ηλιακή μάζας είναι 4,58.10-8 cal s-1. Η ακτινοβολία του ήλιου έχει σαν αποτέλεσμα την απώλεια μάζας του. Έτσι υποθέτουν ότι η απώλεια της μάζας του ήλιου ανέρχεται στο ποσό των 4,1 εκατομμυρίων τόνων για κάθε δευτερόλεπτο. Αν υποθέσει κανείς ότι ο ήλιος έχει μία ηλικία 10 δισεκατομμυρίων χρόνων, τότε η μάζα του μειώθηκε μέχρι σήμερα στην κλασματική σχέση 1/1.500. Η ερμηνεία της ηλιακής ακτινοβολίας και ενέργειας παραμένει ένα πρόβλημα. Η επικρατούσα άποψη δέχεται ότι η ηλιακή ακτινοβολία οφείλεται σε πυρηνικές σχάσεις υδρογόνου. Από την ένωση δύο συνηθισμένων πυρήνων υδρογόνου, σχηματίζεται πρώτα ένας πυρήνας του δευτέριου (βαρύ υδρογόνου με ατομικό βάρος 2), το οποίο στη συνέχεια με προσθήκη άλλων Η, ακολουθώντας ενδιάμεσα στάδια, μεταβάλλεται σε πυρήνα του στοιχείου ήλιο (He). 2.8. Θεμελιώδεις νόμοι της κίνησης των ουρανίων σωμάτων Εμπειρικά ο αστρονόμος Kepler (1571-1630) διατύπωσε τους επόμενους βασικούς νόμους της κίνησης των πλανητών: α) Οι τροχιές των πλανητών δημιουργούν κατά την κίνηση τους ελλείψεις, στην εστιακή απόσταση των οποίων βρίσκεται ο ήλιος. β) Κατά την κίνηση ενός πλανήτη γύρω από τον ήλιο, η καθοδηγητική ακτίνα (γραμμή ένωσης ήλιου και πλανήτη) εφάπτεται σε ίσους χρόνους ίσων επιφανειών. Εισαγωγή στην Γεωλογία 22 Κεφάλαιο δεύτερο Δημιουργία του γήινου πλανήτη γ) Τα τετράγωνα των χρόνων περιστροφής των πλανητών είναι ανάλογα της τρίτης δύναμης των μέσων αποστάσεών τους από τον ήλιο. (Μια κινητική αναπαράσταση των τριών αυτών νόμων μπορεί κανείς να βρει στην διεύθυνση http://www.cvc.org/science/kepler.htm) Αργότερα ο φυσικός Newton (1643-1727) διατύπωσε το γνωστό νόμο της βαρύτητας / των πλανητών, ο οποίος διατυπώθηκε με την σχέση: Κ= k. m1.m2 r2 Ο νόμος αυτός εξηγεί ότι μεταξύ δύο σωμάτων με μάζες m1 και m2 εξασκείται μία δύναμη Κ, η οποία είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετράγωνου της απόστασης των δύο αυτών σωμάτων και ανάλογη των μαζών ml, m2 πολλαπλασιαζόμενων επί της σταθεράς της βαρύτητας k. Τέλος ο Einstein ερμηνεύει πολλά κοσμικά φαινόμενα με τη θεωρία της σχετικότητας, ενώ σε μία δεύτερη προσπάθεια του ίδιου οφείλεται η σχέση της δύναμης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και της γένεσης του σύμπαντος. 2.9. Απόψεις για την δημιουργία του σύμπαντος, του ηλιακού συστήματος και τον σχηματισμό της Γης Η ύλη και ενέργεια που υπάρχει στο σύμπαν είναι τα προϊόντα διαδικασιών που άρχισαν, κατά την γενικότερα αποδεκτή άποψη, πριν από δεκαπέντε (15) δισεκατομμύρια χρόνια με την λεγόμενη «μεγάλη έκρηξη». Έτσι ονομάστηκε η ακαριαία απότομη διαστολή του σύμπαντος. Από έναν κοσμικό πυρήνα πολύ μεγάλης πυκνότητας αφάνταστων πιέσεων και θερμοκρασίας δημιουργήθηκε η απεραντοσύνη και η ποικιλομορφία του σύμπαντος. Τα ποσά της ενέργειας που απελευθερώθηκαν είναι τεράστια. Τις πρώτες στιγμές της μεγάλης έκρηξης δημιουργήθηκαν σωματίδια ύλης από την ενέργεια συμφωνά με την εξίσωση του Einstein E=mc2. Η διαστολή του σύμπαντος συνοδεύτηκε από την διαρκή ψύξη του. Ψυχώμενο προοδευτικά άρχισε από την χαώδη κατάσταση αταξίας να οδηγείται σταδιακά σε πιο συγκεκριμένη κατάσταση τάξης. Στις πρώτες στιγμές της μεγάλης έκρηξης τα σωματίδια ύλης που δημιουργήθηκαν, κυρίως νετρόνια και πρωτόνια, δεν μπορούσαν να συνενωθούν γιατί η κινητική ενέργεια τους, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών, υπερίσχυε των ελκτικών δυνάμεων τους. Καθώς όμως η θερμοκρασία στο διάστημα μειωνόταν, οι ταχύτητες των πρωτονίων και των νετρονίων ελαττώνονταν και η ελκτική τους δύναμη οδήγησε στην δημιουργία των πρώτων πυρήνων του δευτέριου (βαρύ υδρογόνου). Οι πυρήνες Εισαγωγή στην Γεωλογία 23 Κεφάλαιο δεύτερο Δημιουργία του γήινου πλανήτη αυτοί ήταν αρχικά ασταθείς. Παράλληλα σχηματίστηκαν πυρήνες ηλίου αρκετά σταθερότεροι από τους πρώτους πυρήνες του δευτερίου. Με την σταδιακή ψύξη του σύμπαντος έγινε δυνατός ο σχηματισμός των στοιχείων υδρογόνου και ήλιου. Η διάσπαρτη αρχικά αστρική ύλη, οδηγήθηκε με την δράση της βαρύτητας, σε συμπύκνωση και στον σχηματισμό ηλιακών συστημάτων και πλανητικών σωμάτων. Από ένα άμορφο νέφος διασκορπισμένης ύλης που ήταν το αρχικό στάδιο του σύμπαντος, ξεκίνησε με την δράση της παγκόσμιας βαρύτητας η οργάνωση της σημερινής εικόνας του διατεταγμένου σύμπαντος. Η βαρύτητα είναι από τις θεμελιακές φυσικές δυνάμεις σε κλίμακα σύμπαντος και κύριος παράγοντας δημιουργίας μεγαδομών. Δεν είναι όμως η μοναδική φυσική δύναμη. Στην δράση της βαρύτητας υπάρχει μια αντίρροπη προς αυτή δύναμη, η φυγόκεντρος δύναμη, που οφείλεται στην περιστροφική κίνηση των σωμάτων του διαστήματος. Η φυγόκεντρος δρα εξισορροπητικά προς την βαρύτητα, γιατί μόνο με την δράση της βαρύτητας όλη η διασκορπισμένη στο σύμπαν αστρική ύλη θα συγκεντρωνόταν γύρω από πολύ λίγα κέντρα. Με την αντίδραση της φυγόκεντρης δύναμης προς την έλξη της βαρύτητας κρατιέται η πολυπλοκότητα του αστρικού χώρου. Ένα από τα ηλιακά συστήματα του σύμπαντος είναι και το ηλιακό σύστημα στο οποίο ανήκει ο δικός μας πλανήτης, που θεωρείται ότι και αυτό έχει δημιουργηθεί με παραπλήσιες διεργασίες. 2.9.1. Ο σχηματισμός του ηλιακού συστήματος Το ηλιακό μας σύστημα δημιουργήθηκε πριν από περίπου 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν τεράστιες ποσότητες από υδρογόνο και ήλιο, υπόλειμμα της "μεγάλης έκρηξης", αλλά και αστρική σκόνη συμπυκνώθηκαν λόγω βαρύτητας και σχημάτισαν ένα νέφος αερίων και σωματιδίων, το αποκαλούμενο ηλιακό νέφος, το οποίο άρχισε να περιστρέφεται γύρω από κάποιον άξονα. Η συμπύκνωση λόγω βαρύτητας και η περιστροφική κίνηση, δημιούργησαν στο νέφος μια πεπλατυσμένη δισκοειδή μορφή. Στο κέντρο αυτού του δίσκου, σχηματίστηκε ο πρωτοήλιος. Δεν συγκεντρώθηκε όμως όλη η αστρική σκόνη στον πρωτοήλιο. Η φυγόκεντρη δύναμη που αναπτύχθηκε από την ταχύτητα περιστροφής αντιστάθμισε την έλξη της βαρύτητας και η αστρική σκόνη παρέμεινε σε κυκλικούς δακτυλίους, που είχαν κέντρο τον πρωτοήλιο. Οι δακτύλιοι αυτοί αποτέλεσαν σταδιακά πόλους έλξης γειτονικής αστρικής σκόνης, που με προοδευτική συμπύκνωση αύξησαν την ύλη τους. Η προοδευτική αυτή συμπύκνωση έδωσε τις πρώτες συστάδες συμπυκνωμένης αστρικής σκόνης σε Εισαγωγή στην Γεωλογία 24 Κεφάλαιο δεύτερο Δημιουργία του γήινου πλανήτη τροχιές γύρω από ένα όλο και πιο καλοσχηματισμένο ηλιακό κέντρο. Οι συστάδες αυτές της αστρικής σκόνης, της ίδιας τροχιάς, συνενώθηκαν και άρχισαν να έλκουν και την γύρω από αυτά αστρική σκόνη και να σχηματίζουν προοδευτικά τους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος. 2.9.2. Από την σύσταση του σύμπαντος στη σύσταση του ηλιακού συστήματος Τα βασικά συστατικά της ύλης είναι τα άτομα, που αποτελούνται από πρωτόνια και νετρόνια στον πυρήνα και από τα περιφερόμενα γύρω από τον πυρήνα ηλεκτρόνια. Διαφορετικά άτομα αποτελούνται από διαφορετικό αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων. Ένα χημικό στοιχείο αποτελείται από την συνένωση ενός συγκεκριμένου τύπου ατόμων που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων. Όπως αναφέρθηκε στα πρώτα στάδια της μεγάλης έκρηξης είχαμε δημιουργία ύλης, σχηματισμό δηλαδή των πρώτων υποατομικών σωματιδίων, που σταδιακά οδήγησαν σε σύνθεση απλών πυρήνων ενός πρωτονίου και ενός νετρονίου και στην συνέχεια στον σχηματισμό των πρώτων στοιχείων του υδρογόνου και του ηλίου. Τα δύο αυτά στοιχεία είναι τα δύο πρώτα στοιχεία του περιοδικού συστήματος με ατομικό αριθμό 1 και 2 αντίστοιχα. Επίσης έχει αναφερθεί ότι η μεγάλη έκρηξη οδήγησε στον σχηματισμό αστέρων. Οι αστρονόμοι με βάση τα φάσματα του φωτός από διάφορα άστρα του διαστήματος υποστηρίζουν ότι αυτά αποτελούνται σχεδόν αποκλειστικά από υδρογόνο και ήλιο. Γεννιέται όμως ένα εύλογο ερώτημα. Αφού η Γη έχει την προέλευση της στην δημιουργία των άστρων που προέκυψαν από την μεγάλη έκρηξη πως εξηγείται η σημαντικά διαφορετική χημική σύσταση της σε σύγκριση με αυτή των άστρων; Το σύμπαν είναι ένα απέραντο πυρηνικό εργαστήριο. Η διαδικασία της πυρηνικής σύντηξης είναι αυτή που οδηγεί στην δημιουργία νέων στοιχείων. Στα αστέρια λοιπόν η συνηθισμένη πυρηνική αντίδραση που γίνεται, είναι η σύντηξη δύο πυρήνων υδρογόνου που οδηγεί στον σχηματισμό ηλίου με σύγχρονη έκλυση τεραστίων ποσοτήτων ενέργειας. Η δύναμη που ωθεί τους πυρήνες σε σύγκρουση και σύντηξη είναι η βαρύτητα. Τα αστέρια αποτελούνται κατά 75%