Підручник з Астрономії (рівень стандарту). 11 клас. Пришляк

§ 7. Земля і Місяць

Вивчивши цей параграф, ми:

• зрозуміємо, чим відрізняються дві групи планет Сонячної системи;

• збагнемо суть парникового ефекту, який створюють в атмосфері Землі деякі гази;

• дізнаємось про внутрішню будову Землі та чому рухаються материки;

• довідаємось про причини зміни фаз Місяця;

• порівняємо фізичні умови на поверхні Місяця й Землі.

1. Планети земної групи та планети-гіганти

Планети Сонячної системи за розмірами і будовою діляться на дві групи — планети земної групи (Меркурій, Венера, Земля, Марс) та планети-гіганти (Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун). Суттєва різниця між цими групами планет полягає в таких факторах (див. таблицю):

• планети земної групи мають тверду поверхню, бо складаються переважно з важких хімічних елементів;

• планети-гіганти утворилися здебільше з Гідрогену та Гелію, тому їхня середня густина невелика, а між атмосферою і поверхнею немає чіткої межі.

Основні параметри

Планети

Земна група

Гіганти

Середня густина

≈ 5 г/см3

≈ 1 г/см3

Хімічний склад

Fe, Si, Al

Н2, Не

Температура під хмарами

200—700 К

≈2000 К

Кількість супутників

3

163

Рис. 7.1. Порівняльні розміри планет земної групи та планет-гігантів

2. Земля — найчарівніша планета Сонячної системи

Земля є найчарівнішою планетою Сонячної системи (рис 7.2), що рухається по своїй орбіті навколо Сонця із середньою швидкістю — близько 30 км/с. Крім того, обертаючись навколо власної осі, вона робить один оберт за добу. Земля оточена атмосферою, яка простягається в космос більше ніж на 1000 км, що створює на її поверхні сприятливі умови для існування життя (температуру, склад атмосфери, величезну кількість води).

Хімічний склад атмосфери (рис. 7.3) є неоднорідним. Найбільшою складовою атмосфери біля поверхні Землі (за об’ємом 78%) є азот N2, який відіграє важливу роль у житті рослин. Кисень 02 є необхідним елементом для дихання всіх живих істот і складає 21 % об’єму атмосфери.

Водяна пара Н2O в атмосфері затримує інфрачервоне випромінювання Землі та створює парниковий ефект, унаслідок чого температура поверхні підвищується. Середня температура поверхні Землі +15,8 °С, а якби не було в атмосфері водяної пари, то на нашій планеті настав би льодовиковий період — температура навіть на екваторі могла б знизитися до -25 °С.

Погода (вітри, циклони та антициклони) формується в нижніх шарах атмосфери, яка називається тропосферою, де передача енергії відбувається не тільки випромінюванням, а й за допомогою конвекції.

Океани і моря на поверхні Землі акумулюють величезну кількість сонячної енергії, бо вода має одну з найбільших у природі питому теплоємність, тому на материках, як правило, протягом доби і навіть протягом року не спостерігається різкого перепаду температури.

Рис. 7.2. Фотографія Землі з космосу

Рис. 7.3. Будова земної атмосфери. Повітря нагрівається від поверхні Землі, тому з висотою температура в тропосфері знижується

Для допитливих

Якби кількість кисню в атмосфері була на кілька відсотків більшою, то виникали б постійні пожежі, бо мокрі дерева горіли б як сірники, а якби кисню в атмосфері було трохи менше ніж 18%, то неможливо було б запалити сірника.

Шар озону O3 (алотропна видозміна кисню) захищає живі організми від смертельного ультрафіолетового випромінювання Сонця. Ультрафіолетові промені знищують мікроорганізми та рослини, викликають захворювання у людей. Якби не стало озонового шару в атмосфері, то не було б життя на поверхні Землі.

Магнітне поле Землі створює навколо планети на висоті понад 500 км пояси радіації. Елементарні частинки, які рухаються у міжпланетному просторі з величезною швидкістю і мають електричний заряд, взаємодіють із магнітним полем Землі й тому не долітають до атмосфери. Таким чином, магнітне поле захищає життя на Землі від смертельних потоків космічних частинок.

3. Екологічна система Землі

Екологічна система Землі перебуває у стані своєрідної стійкої рівноваги, тому невеликі збурення в атмосфері або зміни сонячної радіації суттєво не впливають на загальний стан цієї системи.

Але геологічні дослідження показують, що в минулому відбувалися екологічні катастрофи, внаслідок яких різко знижувалася температура та наставали льодовикові періоди. Для прогнозування майбутнього нам необхідно знати причини, що призводять до таких катастрофічних процесів. Причиною раптового зниження температури на поверхні Землі можуть бути зовнішні фактори, наприклад падіння астероїда (див. §11), геологічні процеси — виверження вулканів або рух материків, та антропогенні фактори.

Будова Землі. Геологічні дослідження показали, що температура всередині Землі кожні 34 м зростає на 1°С і у свердловинах на глибині 10 км досягає +300 °С. Центральна частина Землі утворює металеве ядро (рис. 7.4). Зовнішня частина ядра перебуває в розплавленому стані при температурі 7000 °С, а внутрішня — тверда. Вище розташовується силікатна оболонка, або мантія. На мантії «плаває» кора, товщина якої неоднакова — від 5—7 км під океанами, до кількох десятків кілометрів під гірськими районами континентів. Унаслідок конвекції в мантії земна кора розділилася на окремі плити, які повільно зміщуються (рис. 7.5).

Рис. 7.4. Внутрішня будова Землі

Рис. 7.5. Рух материків. а — вважають, що 200 млн років тому існували єдиний материк — Пангея та один світовий океан; б — унаслідок конвекції, що відбувається у мантії, земна кора розділилась на окремі тектонічні плити, які повільно рухаються

Екологічну катастрофу може створити навіть техногенна діяльність людини, внаслідок якої змінюється хімічний склад атмосфери. Наприклад, спалювання великої кількості органічного палива призводить до зменшення кисню в атмосфері та збільшення вуглекислого газу, який створює парниковий ефект. Протягом XX ст. середня температура Землі підвищилась на 0,8 °С, що призвело до інтенсивного танення льодовиків і підвищення рівня океану, внаслідок чого затоплені великі площі родючих низин. Людство зможе уникнути екологічної катастрофи, якщо буде ширше використовувати альтернативні джерела енергії, що не забруднюють навколишнє середовище,— енергію земних надр, вітрову та сонячну енергію (див. §12.7).

Для допитливих

Парниковий ефект створює плівка в парнику, якою накривають грядку. Удень сонячне світло проходить крізь плівку і нагріває землю. Якщо ґрунт темного кольору, то у зворотному напрямку випромінюється енергія в інфрачервоній частині спектра, яка затримується плівкою. В атмосфері Землі парниковий ефект створюють вуглекислий газ і водяна пара.

4. Місяць

Місяць є природним супутником Землі, на якому атмосфера відсутня. Фази Місяця, тобто зміна його зовнішнього вигляду, настають унаслідок того, що Місяць світиться відбитими сонячними променями. Обертаючись навколо нашої планети, він займає різні положення відносно Землі та Сонця, тому ми бачимо різні частини його денної півкулі. Щоб зрозуміти, чому ми бачимо фази Місяця, почнемо з нового Місяця, який із поверхні Землі майже ніколи не видний, бо до нас повернена його нічна півкуля (рис. 7.6).

Місяць у цій фазі можна побачити тільки під час сонячних затемнень, коли темний диск Місяця видно на тлі яскравого Сонця (рис. 7.7).

Синодичний період обертання Місяця (29,5 земної доби) — проміжок часу, через який відбувається зміна фаз

Сидеричний період обертання Місяця (27,3 земної доби) — час обертання Місяця навколо Землі відносно зір

Рис. 7.6. Зміна фаз Місяця відбувається внаслідок того, що до Землі в різний час повернені різні частини денної та нічної півкуль Місяця

Рис. 7.7. Затемнення Сонця

Перша чверть настає через тиждень, коли до Землі повернені половина денного та половина нічного боку Місяця. Повня настає у той момент, коли Місяць розташовується з протилежного боку від Сонця. Остання чверть, або старий Місяць, спостерігається у південно-східній частині небосхилу перед світанком.

Для допитливих

З усіх астрономічних явищ, напевне, найбільшу увагу людей привертає затемнення Сонця, яке відбувається у той момент, коли тінь від Місяця досягає поверхні Землі. Хоча Місяць через кожні 29,5 доби перебуває між Сонцем і Землею (фаза — новий Місяць), але затемнення відбуваються набагато рідше, бо площина орбіти Місяця нахилена до екліптики під кутом 5°. На орбіті існують дві точки, у яких Місяць перетинає площину екліптики — вони називаються вузлами місячної орбіти. Затемнення Місяця або Сонця можуть відбутися тільки в тому випадку, коли Місяць перебуває поблизу вузла орбіти. Вузли місячної орбіти зміщуються у космічному просторі, тому затемнення відбуваються в різні пори року. Період повторення затемнень, або сарос, знали ще єгипетські жерці 4000 років тому. Сучасні обчислення дають таке значення саросу: Tcap = 6585,33 доби =18 років 11 діб 8 год. Протягом одного саросу в різних місцях на поверхні Землі відбувається 43 затемнення Сонця та 25—29 затемнень Місяця, причому сонячні й місячні затемнення завжди відбуваються парами з інтервалом 2 тижні: якщо в одному вузлі місячної орбіти відбувається затемнення Сонця, то через 2 тижні в іншому вузлі відбувається затемнення Місяця.

5. Фізичні умови на Місяці

Не дивлячись на те, що Місяць розміщений майже на такій самій відстані від Сонця, як Земля, і одиниця його поверхні отримує таку ж саму кількість енергії, що й одиниця поверхні Землі, фізичні умови на цих космічних тілах суттєво відрізняються. Головна причина таких відмін пов’язана з тим, що сила тяжіння на Місяці менша від земної у 6 разів, тому він не може втримати біля поверхні окремі молекули газів. Протягом мільярдів років погода на Місяці однакова: 2 тижні світить Сонце і поверхня нагрівається до температури +130 °С, а потім після двотижневої ночі поверхня охолоджується і температура на світанку падає до -160 °С. За високої денної температури молекули газів покидають сферу тяжіння Місяця, тому там неможливе існування густої атмосфери.

На Місяці навіть удень темне небо, як у міжпланетному просторі, там не буває ні вітрів, ні дощів. Зміни пір року не відбувається, бо вісь обертання Місяця майже перпендикулярна до площини орбіти. На поверхні Місяця навіть неозброєним оком видно темніші ділянки, що були названі морями (рис. 7.8), та світліші, які астрономи назвали материками.

У морях немає ні краплі вологи, бо у вакуумі вода миттєво закипає і випаровується або замерзає.

Вода у твердому стані могла зберегтися під поверхнею на глибині кількох десятків метрів, де протягом доби температура не змінюється і дорівнює -30°С.

Під час спостережень у телескоп видно, що на світлих материках переважають кратери — круглі гори діаметром до кількох сотень кілометрів, які мають вали заввишки кілька кілометрів (рис. 7.9).

Більшість кратерів мають метеоритне походження, хоча деякі з них могли утворитися під час виверження вулканів, з яких витікала розплавлена лава та заповнювала більш низькі ділянки,— так виникли моря. Виверження вулканів припинилося дуже давно, бо вік найстаріших твердих скель на материках — 4,4 млрд років, у той час як лава в морях застигла близько 3 млрд років тому.

Для допитливих

Падіння метеоритів є основним фактором, який змінює зовнішній вигляд поверхні Місяця і призводить до своєрідної ерозії місячного ґрунту. Наприклад, метеорит із масою 1 кг, який летить зі швидкістю 10 км/с, має таку кінетичну енергію, що при зіткненні з поверхнею Місяця може утворити кратер із діаметром 1 м і розкидати на кілька десятків метрів камінці та пил. На Місяць постійно падають тисячі метеоритів різної маси (див. §11), які безупинно змінюють зовнішній вигляд його поверхні. Правда, великі кратери з діаметром кілька сотень кілометрів утворились дуже давно, ще 4 млрд років тому, коли падало більше метеоритів. Протягом мільярдів років космічні «бомбардування» так роздробили верхній шар місячного ґрунту, що він перетворився на «пил».

Рис. 7.8. Моря на Місяці утворилися після виверження вулканів. Вони мають темніший колір, бо за хімічним складом там більше заліза, а на світліших ділянках більше алюмінію

Рис. 7.9. Кратери на Місяці зараз утворюються після падіння метеоритів, хоча 3 млрд років тому там діяли вулкани

6. Дослідження Місяця

Дослідження Місяця за допомогою космічних апаратів розпочали в Радянському Союзі ще на початку космічної ери. У 1959 р. АМС серії «Луна» вперше у світі долетіли до Місяця: «Луна-1» стала першою штучною планетою Сонячної системи, «Луна-2» досягла поверхні Місяця, а «Луна-3» сфотографувала зворотний бік Місяця і передала його телевізійне зображення на Землю. У лютому 1966 р. «Луна-9» здійснила м’яку посадку в Океані Бур і вперше у світі передала телевізійний «репортаж» із поверхні іншого світу. Ми побачили, що справді поверхня Місяця вкрита пилом, але міцність ґрунту достатня для того, щоб утримати станцію на поверхні. Потім Місяць досліджували АМС «Луноход-1, 2» (рис. 7.11), які рухались по поверхні, та АМС «Луна-20, 24», які в автоматичному режимі вперше доставили на Землю зразки місячного ґрунту.

21 липня 1969 р. на поверхню Місяця здійснив посадку пілотований космічний корабель «Аполлон-11» (США), і астронавт Нейл Армстронг зробив перший крок по поверхні іншого світу — так почався новий етап у дослідженні космосу. Усього на поверхні Місяця побувало 12 астронавтів, які привезли на Землю зразки місячного ґрунту. Дослідження показали, що поверхня Місяця майже цілковито вкрита тонким шаром пилу та уламками каміння. Цей шар назвали реголітом (з грец.— роздріблений камінь). Товщина реголіту змінюється від місця до місця і становить у середньому кілька метрів. Аналіз реголіту приніс несподівані результати: розміри цих частинок — від мікрометрів до метрів; за хімічним складом мікрочастинки наполовину складаються з оксидів силіцію, і є фактично маленькими скляними кульками, що утворились після падіння мікрометеоритів (рис. 7.12).

Головні етапи космічних досліджень Місяця

Рік

Апарат

Країна

1959

Луна-2

СРСР

1959

Луна-3

СРСР

1966

Луна-9

СРСР

1969

Аполлон-11

США

1970

Луноход-1

СРСР

Рис. 7.10. Зображення зворотного боку Місяця, яке було створене на основі фотографій АМС «Луна-3». Десятки кратерів на Місяці назвали на честь українських астрономів

Для майбутніх космонавтів

Чи зможе людство колись використати Місяць як базу для космічних поселень? Якщо врахувати витрати на космічні польоти, то 1 кг місячного ґрунту, який доставили астронавти на Землю, оцінюється у стільки ж, скільки коштує 1 т золота, яке добувають на золотих копальнях на Землі. Але головна мета наукових досліджень полягає в тому, щоб на Місяці створити базу для вивчення більш далеких планет. Хоча вага космонавтів у б разів менша, ніж на Землі, але ходити по поверхні Місяця у скафандрі не досить зручно, бо сила тертя теж менша. Житлові приміщення можна побудувати під поверхнею, де на глибині кількох метрів удень і вночі зберігається стала температура, а джерелом енергії слугуватимуть сонячні електростанції.

Великі телескопи на поверхні Місяця дозволять отримувати набагато більше інформації про далекі світи, бо там атмосфера відсутня і не впливатиме на якість зображення.

Рис. 7.11. «Луноход-1»

Рис. 7.12. Типовий пейзаж на Місяці. На поверхні переважають темно-сірі кольори ґрунту, який припорошений шаром реголіту, що утворився після падіння мікрометеоритів

Висновки

Одиниці поверхні на Землі й Місяці отримують від Сонця майже однакову кількість енергії, але фізичні умови на їхніх поверхнях суттєво відрізняються. Головна причина такої відміни клімату — відсутність атмосфери на Місяці. Повітря на Землі створює захисну ковдру, яка підвищує температуру на нашій планеті та оберігає життя від смертельного космічного випромінювання. Місяць — це мертвий світ, у якому відсутнє життя. У майбутньому наукові бази можна створити під поверхнею Місяця.

Тести

1. Температура в надрах Землі з глибиною:

А. Зменшується, бо Сонце нагріває тільки поверхню. Б. Зменшується, бо під поверхнею розташований шар вічної мерзлоти. В. Збільшується, бо в центрі Землі протікають хімічні реакції. Г. Збільшується, бо в надрах відбувається радіоактивний розпад ядер важких хімічних елементів. Д. Залишається сталою.

2. Тропосфера — це нижній шар земної атмосфери, де температура з висотою: А. Збільшується, бо верхні шари атмосфери розташовані ближче до Сонця. Б. Збільшується, бо у верхніх шарах атмосфери немає хмар. В. Зменшується, бо атмосфера нагрівається від Землі. Г. Зменшується, бо у верхніх шарах атмосфери менше кисню. Д. Залишається сталою.

3. Сьогодні на Землі спостерігається затемнення Місяця. Що побачать у цей час на Місяці космонавти?

А. Схід Сонця. Б. Кульмінацію Сонця. В. Затемнення Сонця. Г. Затемнення Місяця. Д. Захід Сонця.

4. Повний Місяць розміщується на горизонті. У який час доби можна спостерігати таке явище в Україні?

А. Вранці. Б. Вдень. В. Ввечері. Г. Опівночі. Д. Ніколи.

5. Якими з цих приладів космонавти можуть користуватися на поверхні Місяця? А. Компас. Б. Телескоп. В. Радіоприймач. Г. Телевізор. Д. Барометр.

6. До якої групи планет належить Земля?

7. Чому на материках протягом року не спостерігається різкого перепаду температур?

8. Як змінюється з висотою температура в тропосфері?

9. Сьогодні Місяць спостерігався у першій чверті. Чи буде завтра Місяць світити опівночі?

10. Чому вода на поверхні Місяця не може існувати в рідкому стані?

11. Чому з поверхні Землі ми бачимо тільки одну півкулю Місяця?

12. За допомогою рухомої карти зоряного неба визначте, на тлі якого сузір'я спостерігався Місяць у день вашого народження поточного року? Коли він сходив і заходив у цей день?

Диспути на запропоновані теми

13. Що ви могли б запропонувати для освоєння Місяця в майбутньому?

Завдання для спостережень

14. Виміряйте кут між напрямком на Сонце та Місяць і визначте його фазу. Перша чверть настане, коли цей кут дорівнюватиме 90°, повня — 180°.

Ключові поняття і терміни:

Екологічна катастрофа, затемнення Місяця, затемнення Сонця, кратер, льодовиковий період, парниковий ефект, реголіт, сидеричний місяць, синодичний місяць, тропосфера, фази Місяця.