КУРС ЗАГАЛЬНОЇ АСТРОНОМІЇ - С. М. АНДРІЄВСЬКИЙ 2007

Частина V

ФІЗИЧНА ПРИРОДА ТІЛ СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ

Розділ 12

ПЛАНЕТИ ТА ЇХНІ СУПУТНИКИ

12.2. Загальні характеристики планет

12.2.3. Система Земля-Місяць

Характеристики Землі

м

R

ρ

g

Р

Т

ε

а

е

5,97-1024

6378

5,520

9,81

23 год. 56 хв.

365,26 д.

23,44

1,00

0,017

Одне з небесних тіл — планета Земля — у нас під ногами в буквальному розумінні цього слова. Те, що вона є кулястим об'єктом, довели безпосередні її спостереження з борту космічних станцій (рис. 12.5)

Земля — третя за віддаленістю від Сонця планета Сонячної системи — унікальна вже хоча б тому, що на ній існує життя. Це і найбільш вивчена планета Сонячної системи.

Про будову Землі дізнаємося завдяки сейсмології — науці про землетруси. Землетруси відбуваються на нашій планеті безперервно: щогодини їх налічують близько десяти. У середньому один раз за рік трапляється землетрус з катастрофічними наслідками. Унаслідок землетрусів виникають сейсмічні хвилі двох типів — поздовжні хвилі (типу Р, в яких частинки земної речовини зміщуються в напрямі поширення хвилі) і поперечні хвилі (типу S). Поздовжні і поперечні хвилі мають різну швидкість розповсюдження в залежності від фізичних характеристик порід, через які вони поширюються. Так, у твердій речовині бувають хвилі Р і S, причому швидкість хвиль S становить близько 2/3 швидкості хвиль P. У рідинах поширюються лише хвилі Р. Визначено, що їхня швидкість біля поверхні Землі дорівнює 5 км/с, а на глибині 3000 км вона досягає найбільшого значення — близько 13,5 км/с. Хвильові зміщення земної поверхні реєструють прилади — сейсмографи. Інформація, яку можна одержати після розшифрування сейсмограми, дає уяву про особливості внутрішньої будови нашої планети.

image31

Рис. 12.5. Вигляд Землі з космосу

В центрі земної кулі знаходиться ядро, що складається переважно із заліза і нікелю з домішкою інших, переважно важких, елементів. Воно поділяється на зовнішнє ядро, радіус якого дорівнює 3400 км (тут у зовнішньому шарі товщиною близько 2150 км речовина перебуває у рідкому стані) і внутрішнє ядро радіусом близько 1250 км, в якому речовина перебуває у твердому стані. Температура ядра сягає 5000—7000 К, тиск в ньому 3 млн. атм., а його густина дорівнює 10 г/см3. Висока температура частково зумовлена дією тиску на ядро з боку вищих шарів, а частково — виділенням енергії у реакціях розпаду урану, концентрація якого в ядрі, напевне, достатньо велика. Незважаючи на високу температуру внутрішнього ядра, достатню для плавлення тугоплавких металів і сполук, воно є твердим завдяки великому тиску. Ще одна особливість внутрішнього ядра — швидкість його обертання. Вона є дещо більшою, ніж швидкість обертання зовнішніх частин Землі.

Ядро оточене шаром мантії, товщина якого сягає 2900 км. Мантія складається із більш легких сполук, як ось силікати. Перебуваючи під високим тиском, речовина мантії стає дуже в'язкою. Відносно тонка земна кора, товщина якої коливається у різних місцях від 10 км (під океанами ) до 70 км (під материками), ніби плаває на мантії. Кора і мантія розділені поверхнею Мохоровичича, на якій щільність речовини різко зростає від 3,3 до 5,2 г/см3.

Земля й досі є геологічно активною планетою. Фізичні умови в її надрах обумовлюють структуру і динаміку зовнішніх частин. Земна кора перебуває у неперервному відновленні. Вона складається з приблизно десятка велетенських тектонічних плит, які знаходяться у повільному постійному русі, тому упродовж десятків і сотень мільйонів років відбувається розподілення і зміщення континентів, утворення океанів і морів, формування гірських систем. Ці процеси відбуваються і зараз. Переважно вони можуть бути виявлені тільки з допомогою високоточних вимірювань. Наприклад, відомо, що Атлантичний океан невпинно збільшується у розмірах тому, що Північна Америка віддаляється від Європи із швидкістю декілька сантиметрів на рік. Збільшується у розмірах Червоне море в міру того, як розходяться дві сусідні плити, на одній з яких знаходиться Африка, а на другій — Аравійський півострів. Зіткнення Індійсько-австралійської плити з Євразійською є причиною утворення Гімалаїв. Але найвідчутнішим виявом геологічної активності Землі є виверження вулканів і землетруси. Вони, як правило, пов'язані з положенням границь сусідніх тектонічних плит і виникають у разі їх зближення або розходження.

Істотна частина земної поверхні вкрита водою, яка утворює гідросферу («сферу води») Землі. Маса гідросфери становить лише 0,024% маси Землі. Головними резервами земної води є океани, які вміщують 97% її світових запасів і займають 71,3% усієї поверхні Землі. Частина води загальним об'ємом понад 30 млн. км3 перебуває у твердому стані у вигляді льоду і снігу. Лід укриває приблизно 3% земної поверхні (близько 10% суші). Якби ту воду перетворити у рідкий стан, то рівень Світового океану піднявся б більш як на 60 м.

Щорічно снігом укривається значна частина земної поверхні. Сніг і лід відбивають від 45% до 85% енергії сонячних променів, що врешті-решт призводить до істотного охолодження великих ділянок поверхні Землі.

Таким чином, вода відіграє найважливішу роль у тепловому балансі нашої планети. Декілька мільярдів років тому вона стала колискою життя на Землі і дотепер є одним із важливих факторів її підтримування.

Повітряна оболонка Землі — атмосфера («сфера повітря») містить в собі лише 0,00009% маси Землі. Густина атмосфери біля земної поверхні становить 1,22· 10-3 г/см3, що відповідає концентрації частинок повітря N = 2,55· 1019 см-3. Земна атмосфера унікальна за своїм складом. На 78 відсотків вона складається із молекулярного азоту, 21% складає молекулярний кисень. Решта, приблизно 1% — це аргон, водяна пара та незначні кількості інших газів. Цей склад атмосфери зберігається до висоти 100—150 км. На більших висотах азот і кисень перебувають в атомарному стані. З висоти 800 км переважає гелій, а з 1600 км — водень, який утворює водневу геокорону, що простягається на відстань у декілька радіусів Землі.

Теперішній склад земної атмосфери відрізняється від того, який мав місце на ранніх етапах її еволюції, тобто мільярди років тому. Первинна атмосфера Землі складалася з водню та гелію, але ці компоненти швидко дисипували у міжпланетний простір під дією сонячного випромінювання. Пізніше земна атмосфера формувалася з газів, які виділялися з гірських порід завдяки вулканічній активності планети. Тоді вона складалася в основному із вуглекислого газу. З плином часу вуглекислий газ перейшов у зв'язану форму, утворюючи при цьому карбонати, що входять до складу земних порід, частина його розчинилася у воді океанів, а чистий кисень був синтезований у біологічних процесах з участю живої матерії. Таким чином, повітря, яким ми дихаємо сьогодні, — це третя за рахунком атмосфера Землі.

Земна атмосфера за своїми характеристиками ділиться на декілька шарів. Ближчий до поверхні має назву тропосфера, його товщина коливається від 10 км до 20 км. Тут міститься понад 80% маси усієї атмосфери Землі. Температура в тропосфері зменшується з висотою приблизно на 6 градусів на кожний кілометр до —55°С, де тиск становить лише 0,026 атм. Вище тропосфери розташована стратосфера, яка простягається до висоти 60 км, а температура зростає до 0°С. У межах стратосфери розташований озоновий шар, який захищає усе живе на Землі від згубного впливу ультрафіолетового випромінювання Сонця. На висотах від 60 км до 85 км знаходиться мезосфера. Вона відділяє стратосферу від іоносфери, межа якої — на висоті 500 км. У мезосфері температура знову знижується до —80°С, щоб вище, в іоносфері, зрости до приблизно 1200°С. Ще вище (від декількох сотень до декількох тисяч кілометрів від земної поверхні) розташовані радіаційні пояси. Земля — це велетенський магніт, причому магнітна вісь нахилена до осі обертання під кутом 11°. Напруженість магнітного поля на полюсах досягає 0,63 Е, на екваторі — 0,31 Е. Силові лінії магнітного поля Землі утворюють своєрідні пастки для потоків електронів та протонів, що рухаються до неї з міжпланетного простору. Захоплені магнітним полем Землі, ці частинки утворюють радіаційні пояси, які охоплюють планету уздовж геомагнітного екватора (рис. 12.6). Виявлено три таких пояси радіації: перший на висотах від 2400 до 5600 км, другий — від 12 000 до 20 000 км і третій — на висоті — від 50 до 60 тис. км.

image32

Рис. 12.6. Магнітосфера Землі

Уся зона навколоземного простору, заповнена зарядженими частинками і радіаційними поясами, називається магнітосферою. Від міжпланетного простору вона відділена магнітопаузою, де частинки сонячного вітру обтікають магнітосферу і, спливаючи у протилежний від Сонця бік, утворюють протяжний (до 1000 R3) хвіст магнітосфери. Відстань від центра Землі до магнітосфери у підсонячній точці в середньому становить 10R3.

У магнітосфері відбуваються надзвичайно складні процеси майже безперервної перебудови конфігурації магнітного поля і супутньої цьому дисипації енергії. Це зумовлено потоками плазми сонячного вітру. Спостережуваними проявами цих явищ є полярні сяйва. Вони спостерігаються, коли частинки сонячного вітру проникають в іоносферу, збільшують іонізацію частинок її плазми, а після рекомбінації виникає світіння. Це відбувається на висотах від 400 км до 1000 км над земною поверхнею. Збурення чи порушення структури магнітного поля Землі, які виникають під дією сонячного вітру, проявляються у вигляді магнітних бур.

Саме ж магнітне поле Землі генерується електричними струмами, які виникають у рідкому зовнішньому ядрі завдяки його обертанню. Структура глобального магнітного поля Землі є дипольною. Воно має північний і південний магнітні полюси. Згідно з геологічними даними, магнітні полюси знаходяться у стані безперервної міграції по поверхні Землі, а в наш час вісь магнітного диполя нахилена під кутом 11° до осі обертання. Вважається, що раз у десятки або сотні тисяч років магнітне поле Землі зазнає кардинальної перебудови, наслідком якої може стати зміна його полярності. Є свідоцтва, що останнього разу така перебудова відбулася близько півмільйона років тому.

На особливу увагу заслуговує парниковий ефект в атмосфері нашої планети. Середня температура земної поверхні в наш час рівна +15°С. Насправді вона мала б бути на 30° (при інших, також реальних значеннях альбедо, навіть на 40°) меншою. Встановилася ця підвищена температура, яка зробила Землю дивовижною оазою життя, завдяки парниковому ефекту, який у випадку Венери, як було сказано вище, призвів до значного перегріву її поверхні.

Варте уваги, що саме завдяки парниковому ефекту коливання температури на Землі упродовж доби не перевищують 15°С. В останні роки дуже актуальною стала проблема «озонових дір». Як відомо, молекули озону О3 утворюються в земній атмосфері на висоті від 10 до 100 км, причому найбільша концентрація їх на висоті 25—30 км. Тут встановилася динамічна рівновага: під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця молекула О2 дисоціює на два атоми кисню, кожен з яких при певних умовах може поєднатися з недисоційованою молекулою О2, утворюючи таким чином молекулу озону О3. Поглинаючи ж УФ-кванти сонячного світла, молекули озону знову руйнуються. Цей цикл, що безперервно повторюється, дає важливий результат: до поверхні Землі ультрафіолетове випромінювання Сонця, згубне для всього

живого, не доходить. Хоча, якби цей шар озону стиснути до поверхні Землі, то при тиску в одну атмосферу його товщина поблизу екватора була б близько 1,5 мм, а на географічній широті 60° — до 3 мм.

За оцінками, в середньому окрема молекула озону існує близько двох років. А якщо рівновага у його вмісті порушена, то на висотах понад 25 км вона відновлюється за 15 хв., у шарі між 20 і 25 км — за декілька діб і за значно більший проміжок часу нижче 20 км.

Руйнування озону, якщо не брати до уваги ультрафіолетове випромінювання Сонця, відбувається з багатьох причин. Близько 10% його знищує атомарний водень H, радикали OH, H2O2, ще близько 50% озону на висоті 20 км руйнують сполуки NO і NO2, які утворюються тут із молекули N2O. Остання надходить сюди з поверхні Землі, виділяючись після внесення у грунт азотистих добрив, а також заноситься у стратосферу надзвуковими літаками. Озон руйнується також хлором, що є складовим елементом фреонів — газів, які використовують у холодильниках, у різноманітних розпилювачах аерозолей, в установках кондиціювання повітря тощо. Тривалість життя цих речовин в атмосфері Землі становить 50 (для фреону-11 CFCl3) і 70 (фреон-12 — CF2Cl2) років. Наприкінці ХХ ст. щорічно надходило до атмосфери близько 10 млн. т. фреонів, тоді як світове виробництво їх щорічно зростало на 20%.

Ще одним фактором у руйнуванні озону є космічні промені — заряджені частинки високих енергій, які рухаються від Сонця та з галактичного простору, вриваються в земну атмосферу і відхиляються магнітним полем Землі до її полюсів. Досягаючи висот 30 км і навіть менше, ці частинки призводять до зменшення озону на 25% і більше, причому це зниження концентрації озону (озонна діра) зберігається протягом декількох тижнів і навіть місяців. Найбільші озонні діри спостерігаються над географічними полюсами Землі і охоплюють майже 5% її поверхні.

Звідси бачимо, наскільки вразливим є озоновий компонент земної атмосфери. За оцінками, вміст озону в озоновому шарі зменшується на 4% за кожне десятиліття. Як показують обчислення, скорочення вмісту озону в атмосфері на 5% призводить до збільшення потоку ультрафіолетового випромінювання на 5—10%. Надлишкове ультрафіолетове випромінювання має згубний вплив на все живе, тому тривале перебування, як то кажуть, «на відкритому Сонці» дедалі стає все небезпечнішим для людини.

Співзвучною з обговореним є проблема зміни клімату Землі. Як відомо, приблизно 10 000 років тому закінчився останній льодовиковий період, протягом якого рівень Світового океану був на 100 м нижчим, ніж сьогодні. Очевидно, однією з найважливіших причин коливання клімату є зміна параметрів земної орбіти — її ексцентриситету, нахилу площини небесного екватора до площини екліптики і повільного обертання орбіти Землі у просторі. Проте, як вважають, головним при цьому стає в наш час саме парниковий ефект.

Характеристики Місяця

м

R

ρ

g

Р

7,35-1022

1738

3,34

1,62

27,32 д.

Земля має один природний супутник — Місяць (рис. 12.7), який поступається Землі за масою в 81 раз. Таке достатньо велике відношення маси супутника до маси планети нетипове для інших планет Сонячної системи (за виключенням Плутона). Тому систему Земля-Місяць за всіма підставами можна вважати подвійною планетою. Відстань між Землею та Місяцем у середньому рівна 384 000 км — біля 60 земних радіусів. Місяць і Земля гравітаційно взаємодіють одне з одним, і тому вони рухаються навколо спільного центра мас, який знаходиться на відстані 4700 км від центра Землі (іншими словами, всередині тіла Землі). Саме центр мас системи Земля-Місяць рухається по орбіті навколо Сонця (а не центр Землі), тоді як Земля і Місяць обертаються навколо нього.

Місяць достатньо добре досліджений різноманітними методами, як із Землі, так і безпосередньо за допомогою космічних апаратів. Це поки що єдине природне небесне тіло, яке відвідала людина.

Як і Земля, Місяць має ядро, але воно лише частково розплавлене і має дуже скромні розміри. Ядро оточене мантією, зовнішня частина якої знаходиться у твердому стані. Ця літосфера, або місячна кора подекуди має товщину до 70 км. Найвищі гори на Місяці піднімаються до висоти 9 км від підніжжя. Місяць не має газової оболонки — атмосфери. З цієї причини тут температурний перепад між денною поверхнею і нічною поверхнею перевищує 200 градусів (від 370 К до 120 К).

image33

Рис. 12.7. Місяць

Кожен, ймовірно, бачив на місячному диску темні великі ділянки. Вони називаються морями, хоча нічого спільного зі знайомим нам поняттям не мають. Утворилися місячні моря мільярди років тому внаслідок випадання на поверхню метеоритів і подальшого заповнення ударних кратерів вулканічною лавою. Площа, яку вони займають, сягає 40%. Найбільше з таких утворень на Місяці має назву Море Дощів. Його діаметр сягає 1100 км. Крайові підвищення на периферії морів називаються Кордильєрами. Неоднакову яскравість окремих ділянок місячної поверхні пояснюють тим, що материки в середньому відбивають приблизно 9% сонячних променів (світла речовина поблизу деяких кратерів з променями навіть до 20%), тоді як моря — усього близько 4%.

Добре видно також світлі ділянки — материки, що займають близько 60% місячного диска. Найбільш ефектно виглядають місячні кратери (рис. 12.8). Поверхня Місяця вкрита суцільною мережею кратерів. На видимому боці Місяця їх налічується близько 30 000 з діаметром від 1 до 100 км. П'ять кратерів мають розміри понад 200 км. Загалом кількість кратерів N обернено пропорційна квадрату діаметра кратера D (N ~ D-2). Це підтверджує, що практично всі кратери є наслідком випадання на Місяць метеороїдних тіл, для яких розподіл за розмірами має ту ж закономірність.

На поверхні Місяця виділяють маари — дрібні (діаметром до 5 км) западини, облямовані дещо вищими валами, кальдери — кратери з плоским дном, розташовані на вершині гори, і шатроподібні гори з невеликими кратерами на вершині. Для місячного ландшафту типові також протяжні системи променів, велетенські тріщини і рови. На видимому боці Місяця налічується близько 500 тріщин, причому деякі з них сягають до 300 км у довжину, до 5 км у ширину і декількох сотень метрів у глибину. Тут же зустрічаються і довгі круті обриви. Одним із них є Пряма стіна, розташована у південно-східній частині Моря Хмар, довжина її близько 100 км, висота — 300 м.

image34

Рис. 12.8. Кратери на поверхні Місяця. Найбільший з кратерів на цьому знімку — кратер Тіхо, який має 85 км у діаметрі

Загалом сьогодні близько 1300 об'єктів поверхні Місяця мають власні назви. Кратери названі іменами видатних учених, причому з півночі на південь простежується (за деякими винятками) хронологічний порядок від найдавніших часів до XIX ст.: Арістотель, Коперник, Тіхо, Ньютон та ін. Гірські хребти мають такі ж назви, як і на Землі: Карпати, Кавказ, Альпи і т. п. I лише моря мають дещо довільні, екзотичні назви (Море Вологості, Море Хмар, Море Родючості, Море Спокою, Море Криз, Море Холоду). Тієї ж традиції дотримувались при найменуванні об'єктів зворотного боку Місяця.

Місячний ґрунт називається реголітом, це — пухкий шар дрібного пилу і кам'янистих уламків. Він сформувався за тривалий період метеоритного бомбардування місячної поверхні. Одна з його фракцій — брекчія — є сумішшю дрібних уламків гірських порід, зцементованих склом. Зовнішній шар реголіту — це піщано-пиловий матеріал темно-сірого (або буруватого) кольору товщиною від десятків сантиметрів до 20 метрів. Він укритий наче тоненькою плівкою пилу світло-сірого кольору.

На зворотному боці Місяця виявлено усього три невеличкі моря. Там, однак, є особливі утвори — таласоїди — мореподібні, тобто великі западини, поверхня яких є такою ж світлою, як і материки.

Точні спостереження за рухом штучних супутників Місяця виявили, що над різними ділянками місячної поверхні супутник рухається з неоднаковою швидкістю. Тому зроблено висновок, що розподіл маси у підповерхневих шарах Місяця (переважно поблизу екватора) є неоднорідним: на невеликій глибині під кільцеподібними морями є концентрації маси, які й дістали назву масконів. Очевидно, там під отверділою лавою є метеорити, падіння яких свого часу і спричинило її викид.

Як виявилося, стале магнітне поле Місяця приблизно у 1000 разів менше від земного. Водночас безпосередні вимірювання вказують на те, що в різних ділянках поверхні воно неоднакове. Очевидно, у минулому відбулося сильне намагнічування окремих ділянок Місяця, причина якого досі ще не з'ясована.

Установлені на Місяці сейсмометри зареєстрували від 600 до 3000 місяцетрусів щороку. Однак сейсмічна енергія, що вивільнялася при цьому, у мільярди разів менша, ніж на Землі: середній місяцетрус оцінювався двома балами за шкалою Ріхтера. За обчисленнями, температура в центральних зонах Місяця не перевищує 1800 К.

Атмосфери як такої Місяць не має, хоча дуже розріджену газову оболонку в нього все ж виявлено. Складається вона з водню, гелію, неону, натрію та аргону. їхня концентрація в 1013 разів менша, ніж у земній атмосфері, однак у 100—1000 разів перевищує концентрацію частинок у сонячному вітрі. Очевидно, Місяць оточений також пиловою хмарою, протяжність якої сумірна з радіусом Місяця, а концентрація пилинок розміром близько 70 мкм у 104 разів більша, ніж у міжпланетному просторі.

На Місяці зареєстрована присутність води у формі льоду. Вона була виявлена в глибоких кратерах поблизу південного місячного полюса. Запаси води тут оцінюються у 3 млрд. т.

Як уже згадувалося (див. підрозділ 7.4), починаючи з 1959 року, СРСР і США направили до Місяця для всебічного його вивчення понад 50 космічних апаратів найрізноманітніших типів. Одні проходили мимо Місяця, інші ставали його штучними супутниками, треті опускалися на його поверхню і проводили певні дослідження, четверті брали зразки місячної породи і доставляли їх на Землю. Зокрема, у грудні 1972 р. успішно звершена програма Аполлон (США), при реалізації якої 12 дослідників побували на поверхні Місяця загалом близько 300 годин, причому 80 — поза місячною кабіною. На Місяці було встановлено сейсмометри, магнітометри, лазерні відбивачі, зібрано близько 400 кг зразків місячних порід. Першими поверхні Місяця у Морі Спокою досягли 20 липня 1969 р. астронавти Нейл Армстронг та Едвін Олдрін. У кораблі на навколомісячній орбіті їх очікував третій астронавт Майкл Коллінз.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.