Komety warsztaty

Zespół Dynamiki
Układu Słonecznego
i Planetologii

Warsztaty kometarne II

Tworzenie modelu aktywnego jądra kometarnego

Propozycja jak przygotować pokaz wyjaśniający naturę komet.
Te zajęcia można przeprowadzić zarówno w ramach lekcji szkolnej w klasie czy w plenerze, jak i dłuższych warsztatów z większym udziałem słuchających. Poziom i sposób prowadzania pokazu/warsztatów łatwo można dostosować do każdego wieku, począwszy od przedszkola po Uniwersytety Trzeciego Wieku.
W zależności od liczby poruszanych problemów może trwać od pół godziny (pokaz) do dwóch godzin (warsztaty).

Pomysł by przygotować tego typu pokaz powstał dość dawno temu (w 2008 roku). Było to cztery lata po wystrzeleniu sondy Rosetta, która, po dziesięcioletniej podróży, dotarła (w sierpniu 2014) do komety 67P/Czuriumow-Gierasimienko. Wówczas chcieliśmy trochę inaczej opowiedzieć na Pikniku Naukowym o badaniach komet, którymi zajmujemy się w Centrum Badań Kosmicznych. Okazało się, że był to strzał w dziesiątkę, gdyż pokaz jest niezwykle atrakcyjny wizualnie. Chętnie go wszyscy oglądają, niezależnie od wieku. Wystarczy zapytać młodszych, kto chciałby pomóc w ,,tworzeniu komety'', by w górę poniósł się las rąk. Powoli pokaz doskonaliliśmy, co jednakże nie ustrzegło nas od tego, że nie zawsze udawało nam się ,,skleić'' kometę w jedną bryłę. Teraz też nam się to czasem przytrafia, ale najczęściej potrafimy temu zaradzić. Oznacza to, że ten z pozoru łatwy pokaz, wymaga nie tylko staranności, ale i pewnego doświadczenia. Pokaz zapewnia duże zainteresowanie oglądających, którzy entuzjastycznie reagują na to co się dzieje, zadają mnóstwo pytań i są ciekawi odpowiedzi. A o to właśnie chodzi!

Komety to małe, nieregularne ciała naszego Układu Słonecznego o typowych rozmiarach kilku kilometrów. Krążą wokół Słońca po zwykle wyraźnie wydłużonych orbitach. Zbudowane są głównie z lodów, przede wszystkim zamrożonego lodu wodnego (ocenia się, że nawet do 50%), ale i zestalonego tlenku czy dwutlenku węgla. Zawierają także duże domieszki innych, bardziej lub mniej złożonych związków, np. metan czy amoniak, a także związki krzemianów i metali. Dlatego mówimy, że są konglomeratem lodów, a bardziej popularnie, że przypominają bardzo brudne kule śniegowe. Ponieważ zwykle ich powierzchnie są pokryte ciemnym pyłem, dlatego jądra kometarne słabo odbijają promienie słoneczne. Toteż, gdy są daleko od Słońca, są mało aktywne i niepozorne. Jednakże, gdy zaczynają się zbliżać do Słońca rozpoczyna się sublimacja lodów znajdujących się w warstwach powierzchniowych jądra komety (pod wpływem coraz intensywniejszego promieniowania słonecznego). W efekcie rozwijają się długie, efektowne warkocze kometarne, które potrafią być tak duże, że mogą pokrywać nawet całe niebo (jak w przypadku niedawno widocznej C/2006 P1 McNaught). Dlatego opowiadając o kometach należy podkreślić, że kojarzony nierozerwalnie z kometami świecący na niebie warkocz, czy też warkocze, biorą się z aktywności zachodzącej w niepozornych rozmiarów jądrze kometarnym, które jest głęboko wówczas ukryte w świecącej głowie komety, z której warkocze się rozwijają. Więcej tutaj


Model jądra komety wykonany w maju 2014 podczas pokazu w CBK Zdjęcie: Ryszard Gabryszewski	Kometa Hale-Bopp, 30 marca 1997. Zdjęcie: Janusz Wiland	Mgławica M 42 znajdująca się w gwiazdozbiorze Oriona. Zdjęcie: http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2006/01/image/a/	Struktura Układu Słonecznego. Na podstawie obrazka ze strony: http://www.universetoday.com/116163/naked-comets-could-expose-solar-systems-ancient-origin-story/	Era Wielkiego Bombardowania. Obrazek ze strony: http://www.universetoday.com/83021/marstinis-could-help-explain-why-the-red-planet-is-so-small/

Z kolei lekcja w formie warsztatów kometarnych umożliwia poruszenie wielu zagadnień astronomicznych i wyjaśnienie różnorodnych zjawisk fizycznych zachodzących we Wszechświecie. Przykładowo możemy powiedzieć:

Jakie warunki panują w przestrzeni międzyplanetarnej

O jądrze kometarnym jako źródle aktywności kometarnej – budowie, zjawiskach sublimacji, erozji powierzchni; jakie są różnice w przebiegu każdego z tych zjawisk na Ziemi a w przestrzeni miedzyplanetarnej.

O świeceniu wskutek jonizacji materii, która uwalnia się z jądra (kometarny warkocz jonowy, mgławice emisyjne) i rozpraszaniu światła (słonecznego, z okolicznych gwiazd) na pyle (warkocz pyłowy, mgławice refleksyjne).

O roli wiatru słonecznego i ciśnienia promieniowania w formowaniu się warkocza jonowego (plazmowego) i warkocza pyłowego.

O istotnej roli populacji małych ciał Układu Słonecznego (planetoid, komet) w weryfikowaniu scenariuszy powstawania Układu Słonecznego.

Dlaczego planujemy tak kosztowne i trudne misje do komet jak misja Rosetta. A robimy to, gdyż komety:

Są ,,skamielinami'' w naszym Układzie Słonecznym, zawierają pierwotną materię kosmiczną z jakiej powstawały planety.
Dlatego badając komety poznajemy warunki jakie panowały we wczesnych chwilach życia naszego Układu Słonecznego.

W Erze Wielkiego Bombardowania (ang. Late Heavy Bombardment) przyniosły najpewniej część wody na Ziemię. Nadal trwa spór jak dużo, nowe odkrycia wykonane za pomocą Teleskopu Kosmicznego Herschela oraz in situ przez sondę Rosetta dostarczyły nowych danych (więcej: Co Herschel powiedział nam nowego o kometach? , oraz pierwsze wyniki z Rosetty w prezentacji o kometach).

Proponowany przebieg pokazu/warsztatów

Zanim zaczniemy pokaz czy warsztaty powinniśmy przygotować sobie stanowisko ,,kuchenne'' do pracy wraz z koniecznymi materiałami zgodnie z podanym niżej Przepisem na kometę.

Wprowadzenie
Krótka opowieść (pokaz: nie powinna być dłuższa niż 15 minut) albo dłuższa wypowiedź (lekcja w formie warsztatów) o kometach; sporo o kometach można dowiedzieć się w prezentacji, gdzie znajduje się wiele linków do stron internetowych o kometach.
Warto tu mieć jakąś planszę, albo prezentację czy obrazki, które uatrakcyjnią nasze wyjaśnienia. Toteż wcześniej przygotowujemy materiały. Na przykład: zdjęcia jąder kometarnych (przykład 1, przykład 2, oraz przykład 3, przykład 4 przykład 5 – porównanie rozmiarów komety z tym co mamy na Ziemi), dobre zdjęcie komety z warkoczami (przykład 6, przykład 7, i wiele innych w galerii NASA) oraz obrazek pokazujący rozpad komety, by uzmysłowić, że komety są kruchymi bryłami (przykład 8, przykład 9).
Wyjaśniając naturę komet, należy położyć nacisk na to, że cała aktywność komety (świecąca głowa i koma komety oraz jej warkocze, które mogą sięgać milionów kilometrów) bierze się z sublimacji lodów znajdujących się na powierzchni (i tuż pod powierzchnią) jądra kometarnego, które ma stosunkowo małe rozmiary, typowo rzędu kilku kilometrów. Słowem kluczowym pokazu jest zjawisko sublimacji, które należy szczegółowo wyjaśnić.

Rozpoczynamy tworzenie jądra kometarnego Teraz należy postępować zgodnie z receptą podaną niżej w Przepisie na kometę.

Zdjęcie: Ryszard Gabryszewski
Gdy chcemy bardziej uatrakcyjnić pokaz, do pomocy zapraszamy po kolei różnych młodszych widzów. Należy zadbać by mieli wówczas okulary chroniące oczy oraz rękawice chroniące dłonie. Młodsi uczestnicy pokazu chętnie mieszają chochlą wodę, do której inni wrzucają po kolei odpowiednią ilość pyłu, troszkę spulchniacza do ciasta (zawiera związki wodoru z azotem, które też są w kometach), wlewają odrobinę soku malinowego (mającego symbolizować materię organiczną występującą w śladowych ilościach w kometach), itd. Warto podkreślić, że w przestrzeni kosmicznej panują inne warunki niż na Ziemi, dlatego musimy wziąć dużo suchego lodu by pokaz się udał w warunkach ziemskich, zaś w rzeczywistości proporcja lodu wodnego do lodu CO₂ jest w kometach inna. Kruszenie suchego lodu zostawiamy sobie albo prowadzącej z nami osobie dorosłej. Począwszy od wrzucania rozdrobnionego suchego lodu do miski z ,,brudną wodą'' wszystko robimy sami, bo trzeba to robić dość szybko, sprawnie i z wyczuciem. W trakcie wykonywania ,,komety'' cały czas wyjaśniamy co robimy.

Moment kulminacyjny pokazu Jeśli nam się pokaz udał powinniśmy teraz mieć jedną silnie sublimującą bryłę – nasz model jądra kometarnego (zdjęcie obok).

Co zrobić jeśli pokaz się kiepsko udał? Nigdy nie zdarzyło nam się by nie powstała jakaś jedna większa bryła lodowa wśród niezlepionych resztek. Wówczas warto nawiązać do naturalnej kruchości komet i na podstawie mniejszego niż chcieliśmy modelu jądra kometarnego omawiać własności komet.

Omawianie własności utworzonej ,,komety'' Teraz możemy pokazać, że nasza bryła sublimuje intensywniej gdy dmuchamy (uwaga na oczy!) czy puścimy na nią strumień powietrza z suszarki do włosów – prosta analogia do działania promieniowania słonecznego na prawdziwe jadro kometarne, gdy kometa zbliża się do Słońca.

Dalsza erozja powierzchni Warto obserwować nasz model jądra kometarnego po godzinie i dwóch. Proces erozji jest wyraźny (patrz zdjęcia poniżej).

Model jądra komety, uzyskany podczas pokazu majowego wykonywanego dla gimnazjalistów przed budynkiem CBK na waszawskich Siekierkach. Zdjęcia: Ryszard Gabryszewski

Przepis na kometę

Składniki na kometę o rozmiarach około 20–25 cm:

1,5 litra wody (ok. 6 szklanek wody),

1,5 litra suchego lodu (zestalonego dwutlenku węgla),

4-5 bardzo czubatych łyżek ciemnego piachu, lub popiołu z pieca zmieszanego z drobnym żużlem,

trochę amoniaku spożywczego (kwaśnego węglanu amonu), używanego np. do spulchniania ciastek,

duża łyżka organicznego materiału, którym może być np. gęsty sok malinowy, lub sok z innych ciemnych owoców.

Najtrudniej jest oczywiście o suchy lód. Jednakże coraz więcej jest takich punktów, gdzie można go zamówić. Najlepiej kupić więcej suchego lodu w przeddzień eksperymentu, przetransportować go w odpowiedniej skrzynce i umieścić na noc w zamrażalniku albo chłodnej piwnicy (powinno go być więcej, gdyż część nieuchronnie wysublimuje w czasie transportu i potem). Suchy lód ,,z poprzedniego dnia'' lepiej łączy się z innymi składnikami i dlatego łatwiej będzie stworzyć model jądra kometarnego.

Ponadto potrzebujemy:

skrzynkę do transportu i przechowywania suchego lodu, dobre do tego jest pudło ze styropianu, zwykle suchy lód jest sprzedawany w takim pudle, ale warto się upewnić w trakcie składania zamówienia,

ceratę lub dużą folię na blat stołu służącego do eksperymentu,

dużą plastikową miskę do mieszania składników (o średnicy 40–50 centymetrów),

wiadro metalowe do kruszenia lodu i ewentualnie trzy torby na śmieci (plastikowe wiadro by popękało w niskiej temperaturze!),

rękawice do pracy (z grubej gumy) – suchy lód jest bardzo zimny!

młotek lub tłuczek do mięsa,

dużą, drewnianą chochlę, lub kijek do mieszania o długości 40–50 centymetrów i średnicy 2–3 centymetrów,

ręczniki papierowe,

okulary chroniące oczy.

Początek pokazu. Wrzucanie pokruszonego suchego lodu do mieszaniny wody, popiołu i innych składników

Zdjęcie: Zenona Sawicka, 2008, CBK PAN

Gdy już mamy wszystkie produkty, możemy przystąpić do tworzenia modelu jądra komety. Poniżej recepta jak postępować.

Przygotuj stolik do pracy kładąc ceratę by się nie zniszczył w trakcie eksperymentu.

Ustaw wszystkie składniki i narzędzia wygodnie przez sobą, by były pod ręką.

Wlej wodę do miski, dodaj piasek lub żużel i wymieszaj.

Dodaj odrobinę amoniaku spożywczego i znowu wymieszaj.

Dodaj odrobinę materiału organicznego i dobrze wszystko wymieszaj.

Jeśli robisz pokaz, poproś, by Ci ktoś pomógł w mieszaniu, a Ty zajmij się dalszą częścią eksperymentu.

Do metalowego kubła włóż (nie jest to konieczne, ale będzie bezpieczniej) trzy torby na śmieci jedną w drugą a w tej najbardziej wewnętrznej umieść suchy lód. Koniecznie załóż rękawice gdy dotykasz suchego lodu!

Teraz pokrusz suchy lód za pomocą młotka lub tłuczka do mięsa.

Dodaj szybko pokruszony lód do reszty składników w misce, cały czas energicznie mieszając. Co się zaczyna wówczas dziać widać na zdjęciu obok.

Kontynuuj mieszanie aż cała mieszanina stanie się prawie całkowicie zamrożona. Możesz pomóc sobie rękami w formowaniu jednej bryły "śnieżnej", ale tylko wówczas gdy masz rękawice na rękach i okulary chroniące oczy.

Wyjmij "kometę" z miski i połóż na podstawce.

Teraz umieść kometę w takim miejscu by wszyscy mogli śledzić jej topienie się i sublimowanie – czyli bezpośrednie przejście ze stanu stałego w gazowy – co robi właśnie suchy lód w temperaturze pokojowej, a kometa – w temperaturze jaka panuje w przestrzeni międzyplanetarnej – gdy jest ogrzewana przez Słońce.

Sublimację wzmaga silne dmuchanie (uwaga na oczy!), można też użyć suszarki do włosów.

Małgorzata Królikowska-Sołtan, Centrum Badań Kosmicznych PAN

Zespół Dynamiki Układu Słonecznego i Planetologii , 2015.