Учебник по Астрономии (уровень стандарта). 11 класс. Пришляк

§ 7. Земля и Луна

Изучив этот параграф, мы узнаем:

• чем отличаются две группы планет Солнечной системы;

• суть парникового эффекта, который создают в атмосфере Земли некоторые газы;

• о внутреннем строении Земли и почему движутся материки;

• почему на Луне происходит смена фаз;

• чем отличаются физические условия на поверхности Луны и Земли.

1. Планеты земной группы и планеты-гиганты

Планеты Солнечной системы по размерам и строению делятся на две группы — планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Существенное отличие между этими группами планет заключается в таких факторах (см. таблицу):

• планеты земной группы имеют твердую поверхность, потому что состоят преимущественно из тяжелых химических элементов;

• планеты-гиганты образовались преимущественно из водорода и гелия, поэтому их средняя плотность невелика, а между атмосферой и поверхностью нет четкой границы.

Основные параметры

Планеты

Земная группа

Гиганты

Средняя плотность

≈ 5 г/см3

≈ 1 г/см3

Химический состав

Fe, Si, Al

Н2, Не

Температура под облаками

200—700 К

≈2000 К

Количество спутников

3

163

Рис. 7.1. Сравнительные размеры планет земной группы и планет-гигантов

2. Земля

Земля (рис. 7.2) движется по своей орбите вокруг Солнца со средней скоростью — около 30 км/с. Кроме того, вращаясь вокруг собственной оси, она делает один оборот за сутки. Земля окружена атмосферой, которая простирается в космос более чем на 1000 км, что создает на ее поверхности благоприятные условия для существования жизни (температура, состав атмосферы, огромное количество воды).

Рис. 7.2. Фотография Земли из космоса

Химический состав атмосферы (рис. 7.3) неоднороден. Наибольшей составляющей атмосферы у поверхности Земли (по объему 78%) является азот N2, который играет важную роль в жизни растений. Кислород O2 является необходимым элементом для дыхания всех живых существ на Земле и составляет 21% объема атмосферы. Водяной пар Н2O в атмосфере задерживает инфракрасное излучение Земли и создает парниковый эффект. Вследствие этого температура на Земле повышается. Если бы не было в атмосфере водяного пара, то на нашей планете наступил бы ледниковый период — температура даже на экваторе могла бы понизиться до -25 °С.

Рис. 7.3. Строение земной атмосферы. Воздух нагревается от поверхности Земли, поэтому с высотой температура в тропосфере понижается

Погода (ветры, циклоны и антициклоны) формируется в нижних слоях атмосферы, которая называется тропосферой, где передача энергии происходит за счет излучения и конвекции.

Океаны и моря на поверхности Земли аккумулируют огромное количество солнечной энергии, так как вода имеет одну из самых высоких в природе удельных теплоемкостей, поэтому на материках, как правило, в течение суток и даже в течение года не наблюдается резкого перепада температуры.

Для любознательных

Если бы количество кислорода в атмосфере составляло больше процентов, то возникали бы постоянные пожары, так как мокрые деревья горели бы как спички, а если бы кислорода в атмосфере было меньше чем 18%, то невозможно было бы зажечь спичку.

Слой озона O3 (аллотропная модификация кислорода) защищает живые организмы от ультрафиолетового излучения Солнца, которое уничтожает микроорганизмы, растения и вызывает заболевания у людей. Если бы не стало озонового слоя в атмосфере, то не было бы жизни на поверхности Земли.

Магнитное поле Земли создает вокруг нашей планеты на высоте свыше 500 км пояса радиации. Элементарные частицы, движущиеся в межпланетном пространстве с огромной скоростью, имеют электрический заряд, взаимодействуют с магнитным полем Земли и поэтому не долетают до атмосферы. Таким образом, магнитное поле защищает жизнь на Земле от смертельных потоков космических частиц.

3. Экологическая система Земли

Экологическая система Земли находится в состоянии своеобразного устойчивого равновесия, поэтому небольшие возмущения в атмосфере или изменения солнечной радиации существенно не влияют на общее состояние этой системы, Но геологические исследования показывают, что в прошлом происходили экологические катастрофы, в результате которых резко снижалась температура и наступали ледниковые периоды. Для прогнозирования будущего нам необходимо знать причины, приводящие к таким катастрофическим процессам. Причиной внезапного понижения температуры на поверхности Земли могут быть внешние факторы, например падение астероида (см. § 11), геологические процессы — извержения вулканов или движение материков, и антропогенные факторы.

Строение Земли. Геологические исследования показали, что температура внутри Земли каждые 34 м возрастает на 1 °С и в скважинах на глубине 10 км достигает +300 °С. Центральная часть Земли образует металлическое ядро (рис. 7.4). Внешняя часть ядра находится в расплавленном состоянии при температуре 7000 °С, а внутренняя — твердая. Выше находится силикатная оболочка, или мантия. На мантии «плавает» кора, толщина которой неодинакова — от 5—7 км под океанами до нескольких десятков километров под материками. Вследствие конвекции в мантии земная кора разделилась на отдельные плиты, которые медленно смещаются (рис. 7.5).

Рис. 7.4. Внутреннее строение Земли

Рис. 7.5. Движение материков: а — Считают; что 200 млн лет назад существовал единый материк — Пангея и один мировой океан; б — Вследствие конвекции в мантии земная кора разделилась на отдельные тектонические плиты, которые медленно движутся

Экологическую катастрофу может создать даже техногенная деятельность человека, в результате которой изменяется химический состав атмосферы. Например, сжигание большого количества органического топлива приводит к уменьшению кислорода в атмосфере и увеличению углекислого газа, создающего парниковый эффект. В XX в. средняя температура Земли повысилась на 0,8 °С, что привело к интенсивному таянию ледников и повышению уровня океана, в результате чего были затоплены большие площади плодородных низин. Человечество сможет избежать экологической катастрофы, если будет больше использовать альтернативные источники энергии, не загрязняющие окружающую среду, — энергию земных недр, ветровую и солнечную энергию (см. § 12.7).

Для любознательных

Парниковый эффект создает пленка в парнике, которой накрывают грядку. Днем солнечный свет проходит сквозь пленку и нагревает землю. Если почва темного цвета, то в обратном направлении излучается энергия в инфракрасной части спектра, которая задерживается пленкой. В атмосфере Земли парниковый эффект создают углекислый газ и водяной пар.

4. Луна

Луна является естественным спутником Земли, на котором атмосфера отсутствует. Фазы Луны, то есть изменения ее внешнего вида, наступают вследствие того, что Луна светит отраженными солнечными лучами. Обращаясь вокруг нашей планеты, она занимает различные положения относительно Земли и Солнца, поэтому мы видим разные части ее дневного полушария. Чтобы понять, почему мы видим фазы Луны, начнем с новой Луны, которая с поверхности Земли почти никогда не видна, потому что к нам развернуто ее ночное полушарие (рис. 7.6). Луну в этой фазе можно увидеть только во время солнечных затмений, когда темный диск Луны виден на фоне яркого Солнца (рис. 7.7).

Рис. 7.6. Смена фаз Луны происходит вследствие того, что к Земле в разное время повернуты разные части дневного и ночного полушарий Луны

Рис. 7.7. Затмение Солнца

Синодический период обращения Луны (29,5 земных суток) — промежуток времени, в течение которого происходит изменение фаз.

Сидерический период обращения Луны (27,3 земных суток) — время обращения Луны вокруг Земли относительно звезд

Первая четверть наступает через неделю, когда к Земле повернуты половина дневной и половина ночной стороны Луны. Полнолуние наступает в тот момент, когда Луна находится с противоположной стороны от Солнца. Последняя четверть, или старая Луна, наблюдается в юго-восточной части небосвода перед рассветом.

Для любознательных

Среди всех астрономических явлений, наверное, наибольшее внимание людей привлекает затмение Солнца, которое происходит в тот момент, когда тень от Луны достигает поверхности Земли. Хотя Луна через каждые 29,5 суток находится между Солнцем и Землей (фаза — новолуние), затмения происходят гораздо реже, потому, что плоскость орбиты Луны наклонена к эклиптике под углом 5°. На орбите существуют две точки, в которых Луна пересекает плоскость эклиптики — они называются узлами лунной орбиты. Затмение Луны или Солнца могут состояться только в том случае, когда Луна находится вблизи узла орбиты. Узлы лунной орбиты смещаются в космическом пространстве, поэтому затмения происходят в разное время года. Период повторения затмений, или сарос, знали еще египетские жрецы 4000 лет назад. Современные вычисления дают следующее значение сароса: Тсар = 6585,33 суток = 18 лет 11 суток 8 часов. В течение одного сароса в разных местах на поверхности Земли происходит 43 затмения Солнца и 25—29 затмений Луны, причем солнечные и лунные затмения всегда происходят парами с интервалом 2 недели: если в одном узле лунной орбиты происходит затмение Солнца, то через 2 недели в другом узле происходит затмение Луны (см. прил. 6, 7.).

5. Физические условия на Луне

Несмотря на то, что Луна находится почти на таком же расстоянии от Солнца, как Земля, и единица ее поверхности получает столько же энергии, что и единица поверхности Земли, физические условия на этих космических телах существенно отличаются. Главная причина таких различий связана с тем, что сила тяжести на Луне меньше земной в 6 раз, поэтому она не может удержать у поверхности молекулы газов. В течение миллиардов лет погода на Луне одинакова: 2 недели светит Солнце и поверхность нагревается до температуры +130 °С, а после двухнедельной ночи поверхность охлаждается и температура на рассвете падает до -160°С. При высокой дневной температуре молекулы газов покидают сферу притяжения Луны, поэтому там невозможно существование плотной атмосферы. На Луне даже днем темное небо, как в межпланетном пространстве, там не бывает ни ветров, ни дождей. Смены времен года не происходит, потому что ось обращения Луны почти перпендикулярна к плоскости орбиты.

На поверхности Луны даже невооруженным глазом видны темные участки, которые названы морями (рис. 7.8), и светлые, которые астрономы назвали материками.

Рис. 7.8. Моря на Луне образовались после извержения вулканов, которые действовали миллиарды лет назад. Моря имеют темный цвет, так как по химическому составу там больше железа, а на светлых участках больше алюминия

В морях нет ни капли влаги, поскольку в вакууме вода мгновенно закипает и испаряется или замерзает. Вода в твердом состоянии могла сохраниться под поверхностью на глубине нескольких десятков метров, где в течение суток температура не изменяется и равна -30°С.

Во время наблюдений в телескоп видно, что на светлых материках преобладают кратеры — круглые горы диаметром до нескольких сотен километров и высотой несколько километров (рис. 7.9).

Рис. 7.9. Сейчас кратеры на Луне образуются после падения метеоритов, хотя 3 млрд лет назад там действовали вулканы

Большинство кратеров имеют метеоритное происхождение, хотя некоторые из них могли образоваться при извержении вулканов, из которых вытекала расплавленная лава и заполняла более низкие участки,— так возникли моря. Извержения вулканов прекратились очень давно. Возраст старейших твердых скал на материках — 4,4 млрд лет, в то время как лава в морях застыла около 3 млрд лет назад.

Для любознательных

Падение метеоритов является основным фактором, который изменяет внешний вид поверхности Луны и приводит к своеобразной эрозии лунного грунта. Например, метеорит массой 1 кг, летящий со скоростью 10 км/с, имеет такую кинетическую энергию, что при столкновении с поверхностью Луны может образовать кратер диаметром 1 м и разбросать на несколько десятков метров камни и пыль. На Луну постоянно падают тысячи метеоритов разной массы (см. § 11), которые непрерывно изменяют внешний вид ее поверхности. Правда, крупные кратеры диаметром несколько сотен километров образовались еще 4 млрд лет назад, когда падало больше метеоритов. В течение миллиардов лет космические «бомбардировки» так раздробили верхний слой лунного грунта, что он превратился в «пыль».

6. Исследования Луны с помощью космических аппаратов

Космические аппараты для лунных исследований начали использовать в СССР еще на заре космической эры. В 1959 г. АМС серии «Луна» впервые в мире долетели до Луны: «Луна-1» стала первой искусственной планетой Солнечной системы, «Луна-2» достигла поверхности Луны, а «Луна-3» сфотографировала обратную сторону Луны и передала ее телевизионное изображение на Землю. В феврале 1966 г. «Луна-9» совершила мягкую посадку в Океане Бурь и впервые в мире передала телевизионный «репортаж» с поверхности другого мира. Мы увидели, что действительно поверхность Луны покрыта пылью, но прочность грунта достаточна для того, чтобы удержать станцию на поверхности. Затем Луну исследовали АМС «Луноход-1, 2» (рис. 7.11), которые перемещались по поверхности, и АМС «Луна-20, 24», которые в автоматическом режиме впервые доставили на Землю образцы лунного грунта.

Рис. 7.10. Изображение обратной стороны Луны, которое было создано на основе фотографий АМС «Луна-3». Десятки кратеров на Луне назвали в честь украинских астрономов

Рис. 7.11. «Луноход-1»

21 июля 1969 г. на поверхность Луны совершил посадку пилотируемый космический корабль «Аполлон-11» (США) и астронавт Нейл Армстронг сделал первый шаг по поверхности другого мира — так начался новый этап в исследовании космоса. Всего на поверхности Луны побывало 12 астронавтов, которые привезли на Землю образцы лунного грунта. Исследования показали, что поверхность Луны почти полностью покрыта тонким слоем пыли и обломками камней. Этот слой назвали реголитом (с греч. — раздробленный камень). Толщина реголита не постоянна и составляет в среднем несколько метров. Анализ реголита принес неожиданные результаты: размеры этих частиц — от микрометров до метров; по химическому составу микрочастицы наполовину состоят из оксидов кремния, и являются фактически маленькими стеклянными шариками, которые образовались после падения микрометеоритов (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Типичный лунный пейзаж. На поверхности преобладает темно-серый цвет грунта, припорошенный слоем реголита

Для будущих космонавтов

Сможет ли человечество когда-нибудь использовать Луну как базу для космических поселений? Если учесть расходы на космические полеты, то 1 кг лунного грунта, который доставили астронавты на Землю, оценивается во столько же, сколько стоит 1 т золота, которое добывают на золотых приисках на Земле. Но главная цель научных исследований состоит в том, чтобы на Луне создать базу для изучения более дальних планет. Хотя вес космонавтов на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле, ходить по поверхности Луны в скафандре неудобно, так как сила трения тоже меньше. Жилые помещения можно построить под поверхностью, где на глубине нескольких метров днем и ночью сохраняется постоянная температура, а источником энергии послужат солнечные электростанции. Большие телескопы на поверхности Луны позволят получать гораздо больше информации о далеких мирах, потому что там атмосфера отсутствует и не будет влиять на качество изображения.

Выводы

Единицы поверхности на Земле и Луне получают от Солнца почти одинаковое количество энергии, но физические условия на их поверхностях существенно отличаются. Главная причина такого отличия климата — отсутствие атмосферы на Луне. Воздух на Земле создает защитное одеяло, которое повышает температуру на нашей планете и оберегает жизнь от смертельного космического излучения. Луна — это мертвый мир, в котором отсутствует жизнь. В будущем под поверхностью Луны можно создать научные базы.

Тесты

1. Температура в недрах Земли с глубиной:

А. Уменьшается, потому что Солнце нагревает только поверхность. Б. Уменьшается, так как под поверхностью находится слой вечной мерзлоты. В. Увеличивается, так как в центре Земли протекают химические реакции. Г. Увеличивается, так как в недрах происходит радиоактивный распад ядер тяжелых химических элементов. Д. Остается стабильной.

2. Тропосфера — это нижний слой земной атмосферы, где температура с высотой:

А. Увеличивается, потому что верхние слои атмосферы находятся ближе к Солнцу. Б. Увеличивается, так как в верхних слоях атмосферы нет облаков. В. Уменьшается, потому что атмосфера нагревается от Земли. Г. Уменьшается, так как в верхних слоях атмосферы меньше кислорода. Д. Остается стабильной.

3. Предположим, что сегодня на Земле наблюдается затмение Луны. Что увидят в это время на Луне космонавты?

А. Восход Солнца. Б. Кульминацию Солнца. В. Затмение Солнца. Г. Затмение Луны. Д. Закаты.

4. Полная Луна находится на горизонте. В какое время суток можно наблюдать такое явление в Украине?

А. Утром. Б. Днем. В. Вечером. Г. В полночь. Д. Никогда.

5. Какими из этих приборов космонавты могут пользоваться на поверхности Луны?

А. Компас. Б. Телескоп. В, Радиоприемник. Г. Телевизор. Д. Барометр.

6. К какой группе планет относится Земля?

7. Почему на материках в течение года не наблюдается резкого перепада температур?

8. Как изменяется с высотой температура в тропосфере?

9. Сегодня Луна наблюдается в первой четверти. Будет ли завтра Луна видна в полночь?

10. Почему вода на поверхности Луны не может существовать в жидком состоянии?

11. Почему с поверхности Земли мы видим только одно полушарие Луны?

12. С помощью подвижной карты звездного неба определите, на фоне какого созвездия наблюдается Луна в день вашего рождения в текущем году? Когда Луна восходит и заходит в этот день?

Диспуты на предложенные темы

13. Что вы могли бы предложить для освоения Луны в будущем?

Задания для наблюдений

14. Измерьте угол между направлением на Солнце и Луну и определите его фазу. Первая четверть наступит, когда этот угол равен 90°, полнолуние — 180°.

Ключевые понятия и термины:

Экологическая катастрофа, затмение Луны, затмение Солнца, кратер, ледниковый период, парниковый эффект, реголит, сидерический месяц, синодический месяц, тропосфера, фазы Луны.