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

§ 8. Планети земної групи

Вивчивши цей параграф, ми:

• дізнаємося, які умови існують на поверхні планет земної групи;

• довідаємося, чому на Венері і вдень, і вночі неймовірна спека;

• побачимо, чи є життя на Марсі.

1. Загальна характеристика планет земної групи

Планети земної групи — Меркурій, Венера, Земля і Марс у порівнянні з планетами-гігантами мають відносно невеликі розміри, тверду поверхню та значну густину (близько 5 г/см3), бо складаються переважно з важких хімічних елементів (рис. 8.1). Ці планети мають гаряче металеве ядро, яке оточене мантією із силікатних порід. Верхній шар планет — кора, формується під дією як внутрішнього тепла, так і зовнішніх (космічних) факторів. Але температура на поверхні планет земної групи суттєво відрізняється, бо вони отримують від Сонця різну кількість енергії. До того ж в атмосферах Меркурія, Венери і Марса майже немає кисню, а тиск суттєво відрізняється від атмосферного тиску на Землі. Якщо на поверхні Землі є умови для існування життя, то на поверхні інших планет поки що не виявлено навіть примітивних бактерій.

2. Меркурій

Меркурій є найменшою планетою Сонячної системи, яку рідко кому випадало спостерігати неозброєним оком, тому що вона розташована близько від Сонця. Меркурій дуже повільно обертається навколо своєї осі — сонячна доба вдвічі довша, ніж період його обертання навколо Сонця. Отже, протягом майже трьох місяців там світить Сонце і стільки ж триває ніч.

Рис. 8.1. Відносні розміри планет земної групи

Знімки поверхні Меркурія, які були зроблені за допомогою АМС «Марінер-10» (США), вражають схожістю його рельєфу з поверхнею Місяця — така ж величезна кількість кратерів, що свідчить про однакову природу цих космічних тіл (рис. 8.2). Кратери на Меркурії названі іменами відомих поетів, письменників, художників, композиторів. Один із великих кратерів названий на честь Тараса Шевченка.

На поверхні Меркурія були виявлені також величезні рівнини, які заповнені застиглою базальтовою лавою. Це свідчить, що планета була колись розігріта, внаслідок чого в той час відбувалася інтенсивна вулканічна діяльність (рис. 8.3).

Рис. 8.2. Кратери на Меркурії

Рис. 8.3. Застигла лава на рівнині Калоріс свідчить, що Меркурій 3 млрд років тому був розігрітий за рахунок внутрішнього тепла, і тоді діяли сотні вулканів. Свіжі кратери утворилися після падіння метеоритів

Для допитливих

Тривалість дня і ночі та погода на Меркурії не змінюються, бо його вісь обертання майже перпендикулярна до площини орбіти, і змін пір року на ньому не відбувається. Денна температура сягає +430 °С, але протягом тримісячної ночі поверхня цієї планети сильно охолоджується, і температура на світанку знижується до -170°С. Ґрунт Меркурія дуже роздрібнений і має низьку теплопровідність, тому вже на глибині кількох десятків сантиметрів температура не змінюється. Меркурій не може утримувати сталу атмосферу, але біля поверхні планети вдалося виявити присутність атомів Гелію — це пояснюється так званим «сонячним вітром», який складається з елементарних частинок та окремих ядер легких хімічних елементів. У гравітаційному полі Меркурія атоми Гелію можуть рухатися не більше 200 діб, а потім губляться в міжпланетному просторі. Отже, атмосфера цієї планети трохи подібна до ріки, складові якої постійно «пливуть» від Сонця мимо Меркурія до Землі та більш далеких планет.

3. Венера

Венера привертає увагу людей тим, що на нашому небі її яскравість у десятки разів перевищує блиск зір першої зоряної величини. Українська народна назва цієї планети — Вечірня або Вранішня зоря, бо вона першою з’являється на вечірньому небосхилі й останньою гасне на світанку.

Довгий час Венеру називали планетою загадок, бо густі хмари приховують її поверхню (рис. 8.4). Тільки недавно радіоспостереження виявили, що Венера повільно обертається навколо осі у зворотному напрямку (порівняно з обертанням Землі), і сонячна доба там триває 117 земних діб.

На перший погляд, Венера дуже схожа на Землю, бо ці планети мають майже однакові розміри та масу. Астрономи сподівалися, що клімат на Венері трохи тепліший в порівнянні із земним, а фантасти навіть писали про буйне життя на цій таємничій планеті... Уперше в історії людства АМС серії «Венера» (СРСР) зробили м’яку посадку на поверхню іншої планети і передали на Землю телевізійне зображення поверхні Венери (рис. 8.5, 8.6).

Рис. 8.4. Хмари на Венері, які видно під час спостережень за допомогою телескопа

Рис. 8.5. Панорама поверхні Венери, яку передала АМС «Венера-14». Небо вдень тьмяне, як на Землі перед дощем. Колір хмар і поверхні червоний, бо атмосфера поглинає сонячне проміння у синій частині спектра

Рис. 8.6. АМС «Венера-14» (СРСР)

У хмарах на Венері крім пари води утворюються краплини сірчаної кислоти, але до поверхні ці кислотні дощі не долітають, бо під хмарами температура різко підвищується (на поверхні +480 °С) і краплі випаровуються. Основний шар хмар розташовується на значній висоті (50—60 км), що пояснюється великим атмосферним тиском, який біля поверхні досягає 90 атм — такий тиск на Землі в океані на глибині 900 м. Хмари на Венері, скоріше, нагадують слабку імлу, в якій видно предмети на відстані до 1 км. Загадкою Венери залишається питання: чому в атмосфері планети так багато вуглекислого газу і так мало води? Дослідження показують, що загальна кількість вуглекислого газу та води, яка виділялась при виверженні вулканів на Землі й Венері, була колись приблизно однакова. Виникає природне запитання: куди поділася вода з поверхні Венери? Чи були колись на Венері океани та моря?

Астрономи створили детальну карту Венери, на якій позначено сотні кратерів, більшість з яких колись були вулканами, бо майже 80% поверхні Венери вкриті вулканічною лавою (рис. 8.7). Деякі кратери утворились після падіння астероїдів. За традицією назви кратерів на Венері даються на честь видатних жінок, які зробили суттєвий внесок у поступ нашої цивілізації. Один із вулканів назвали на честь астронома Харківської астрономічної обсерваторії Валентини Федорець.

Рис. 8.7. За допомогою радіолокатора вдалося зазирнути під хмари. Поверхня Венери вкрита лавою від виверження вулканів

Для допитливих

Температура поверхні Венери становить +480 °С, залишається сталою протягом доби і не змінюється залежно від відстані до полюса чи екватора. За таких умов на Венері не відбувається різких змін погоди — ніколи не буває ураганів, а швидкість вітру біля поверхні не перевищує 1 м/с. Висока температура біля поверхні планети зумовлена парниковим ефектом. Головна складова атмосфери Венери — вуглекислий газ (СO2) — близько 97% за об'ємом. Несподіваним виявилося те, що протягом двомісячної ночі на поверхні Венери не спостерігається абсолютної темряви. Крім постійних спалахів блискавок, які супроводжуються гуркотом грому, там уночі видно свічення верхніх шарів атмосфери. Нічне освітлення підсилюють вогні від діючих вулканів, які внаслідок заломлення променів в атмосфері видно на відстані сотень кілометрів.

Для майбутніх космонавтів

На поверхні Венери людина вижити не зможе, бо сучасні скафандри не витримають атмосферний тиск у 90 атм. Можливо, що космонавти будуть користуватися літаками й повітряними кулями, які зможуть літати у верхніх шарах атмосфери планети на висоті майже 50 км, де температура та тиск такі, як на Землі. Не виключена можливість існування чужих форм життя, які пристосувалися до умов на Венері, адже навіть деякі види земних бактерій могли б вижити у хмарах на цих висотах. Фантасти пропонують поселити у хмарах бактерії, які будуть поглинати вуглекислий газ і виділяти кисень. Із часом на Венері може знизитися температура, на поверхню випадуть дощі, потечуть ріки і знову утворяться моря.

4. Марс

Названий колись за свій червоний колір на честь бога війни, «кривавий» Марс під час протистоянь за яскравістю поступається тільки Венері. Хоча маса та радіус Марса менші, ніж Землі, але тривалість доби (24,6 год) і зміна пір року (вісь обертання нахилена під кутом 65° до площини орбіти) нагадують нашу планету. Правда, тривалість сезонів на Марсі майже у 2 рази довша, ніж на Землі. Навіть у невеликі телескопи на Марсі видно білі полярні шапки (рис. 8.8), які свідчать про наявність води в атмосфері планети.

Марс привернув особливу увагу людей після того, як у 1877 р. італійський астроном Д. Скіапареллі відкрив «канали». Тоненькі, ледве помітні лінії, які з’єднували темні ділянки поверхні Марса, нагадували людству зрошувальні системи на Землі, тому фантасти висунули ідею про високий інтелект марсіанської цивілізації. Ці повідомлення зачарували американського мільйонера П. Ловелла, який залишив торгівлю і спеціально для пошуків життя на Марсі побудував величезну астрономічну обсерваторію. Після дослідження Марса за допомогою АМС було встановлено, що «канали» є своєрідною оптичною ілюзією, яку створюють окремі ділянки марсіанського ландшафту — гори, долини, кратери (рис. 8.9).

Із близької відстані Марс більше схожий на Місяць, ніж на Землю, бо безліч круглих кратерів свідчать про інтенсивне метеоритне бомбардування в минулому. На деяких схилах метеоритних кратерів видно застиглі потоки якоїсь рідини,— можливо, під час вибуху з надр виділялася вода, а потім при низькій температурі знову замерзала (рис. 8.10, 8.11). Ряд кратерів на Марсі назвали на честь українських астрономів: Барабашов, Герасимович, Сімейкін, Струве, Фесенков.

Рис. 8.8. Вигляд Марса в телескоп

Рис. 8.9. «Канали» на Марсі виявилися своєрідною оптичною ілюзією, яку створюють окремі ділянки марсіанського ландшафту. Рисунок італійського астронома Д. Скіапареллі

Чи є життя на Марсі? Розріджена атмосфера та великі добові перепади температури роблять неможливим існування високорозвинених форм життя — рослин або тварин. На знімках поверхні (рис. 8.12) видно червону пустелю з дюнами піску, який переноситься вітром на тисячі кілометрів. Червоний колір марсіанського ґрунту пояснюють значним вмістом (до 16%) оксидів заліза (звичайної іржі). Про відсутність життя на поверхні Марса свідчать також результати експериментів, які безпосередньо проводились за допомогою АМС — присутність мікроорганізмів на поверхні не зареєстрована.

Рис. 8.10. Марс із висоти кількох сотень кілометрів. На горизонті — тонкий шар розрідженої атмосфери. Ліворуч — дивний кратер, який нагадує обличчя людини, що усміхається

Рис. 8.11. Вулкан Олімп, розташований недалеко від екватора Марса,— найвища гора Сонячної системи. Діаметр вулканічної платформи сягає 700 км, вершина має висоту 27 км, а діаметр жерла вулкана — 75 км

На Марсі ніколи не випадає дощ, бо пари води в атмосфері у 100 разів менше, ніж на Землі. На самій поверхні Марса вода в рідкому стані не помічена, бо при тискові 0,006 атм температура кипіння води знижується до +3°С. Тобто як тільки на поверхні утворюється невелика калюжа, то вода закипає і випаровується. Запасів води у вигляді снігу та льоду під поверхнею Марса може бути набагато більше — якби рівномірно її розподілити по поверхні, то глибина такого моря могла б сягати кілька сотень метрів. Русла висохлих річок на поверхні свідчать, що в минулому на Марсі була більш густа атмосфера, випадали дощі, і ймовірно існувало життя. Клімат на Марсі міг змінитися через зіткнення з астероїдом.

Для допитливих

На Марсі виявлена дуже розріджена атмосфера. Головна її складова — вуглекислий газ СO2 (95% за об'ємом). Атмосферний тиск не перевищує 0,006 атм (такий малий тиск у земній атмосфері на висоті 20 км), тому парниковий ефект є невеликим — цим пояснюються значні добові коливання температури. Найвища температура влітку поблизу екватора на темних ділянках ґрунту піднімається до +22 °С, але в тому ж місці температура перед світанком опускається до -50 °С. Взимку біля полюсів, де полярна ніч триває 8 місяців, мороз сягає -133 °С, це є найнижчою можливою температурою на поверхні Марса. За таких умов починається конденсація вуглекислого газу, коли виділяється тепло. Температура залишається сталою, доки весь вуглекислий газ із атмосфери не перетвориться у твердий стан.

Для майбутніх космонавтів

На поверхні Марса теж треба одягати скафандри, але досвід космічних експедицій на Місяць показує, що люди зможуть працювати на цій планеті. Основною проблемою марсіанських експедицій буде велика тривалість космічних перельотів Земля — Марс — Земля (див. §5), бо космонавти більше двох років будуть перебувати за межами Землі. Міжпланетний корабель із масою кілька тисяч тон будуть монтувати на орбіті навколо Землі, і можливо на Марс полетить міжнародна експедиція з 5—10 космонавтів. У майбутньому на Марсі можна буде створити космічну базу — будівельним матеріалом служитимуть гірські породи, а джерелом енергії — сонячні промені. Воду можна використати для добування кисню і водню, які будуть додатковим джерелом енергії. Не виключена можливість, що під поверхнею Марса можуть існувати поклади нафти і газу... Нарешті, марсіанські експедиції розгадають найбільшу таємницю цієї планети — чи існували там розумні марсіани?

Рис. 8.12. Панорама поверхні Марса. Червоного кольору поверхні надають оксиди заліза. Сильні вітри піднімають у повітря пил, тому барви неба теж рожеві. Ліворуч рейки, по яких з'їхав марсохід — він зупинився під каменем на горбі. Внизу праворуч — парашут

Висновки

Хоча планети земної групи Меркурій, Венера, Земля і Марс схожі за розмірами, масою і внутрішньою будовою, але фізичні умови на поверхні Меркурія, Венери і Марса дуже відрізняються від земних, тому там не виявлені ознаки життя. На Меркурії відсутня стала атмосфера, тому коливання температури протягом доби там майже такі, як на Місяці. На Венері густа атмосфера з вуглекислого газу створює пекельні умови для існування живих істот — там і вдень і вночі температура +480 °С. Марс буде першою планетою, яку в недалекому майбутньому відвідають люди, але жити там можна тільки в скафандрах. Є припущення, що колись на Марсі була густіша атмосфера, випадали дощі, текли ріки і, можливо, існувало життя. Не виключено, що і тепер живі організми існують під поверхнею планети, де виявлена велика кількість криги.

Тести

1. Із поверхні якої планети земної групи ніколи не можна побачити Сонце?

А. З Меркурія. Б. З Венери. В. Із Землі. Г. З Марса.

2. На яких планетах земної групи у хмарах виявлена сірчана кислота?

А. На Меркурії. Б. На Венері. В. На Землі. Г. На Марсі.

3. На поверхні якої планети земної групи спостерігається найдовший день?

А. На Меркурії. Б. На Венері. В. На Землі. Г. На Марсі.

4. Яка планета земної групи має найгустішу атмосферу?

А. Меркурій. Б. Венера. В. Земля. Г. Марс.

5. На поверхні якої планети земної групи найбільша тривалість сонячної доби?

А. На Меркурії. Б. На Венері. В. На Землі. Г. На Марсі.

6. Чому Меркурій не може утримувати сталу атмосферу?

7. Яка планета обертається навколо осі у протилежному в порівнянні із Землею напрямку?

8. На яких планетах земної групи відбувається зміна пір року?

9. Венера розміщується далі від Сонця, ніж Меркурій, але чому температура на її поверхні вища, ніж на Меркурії?

10. Які є докази того, що на поверхні Марса колись була вода в рідкому стані?

11. На яких планетах земної групи можливе існування життя?

12. Обчисліть свою вагу на поверхні Меркурія, Венери і Марса.

13. Обчисліть найменшу і найбільшу відстані між Землею та Марсом (див. дод. 3, 4).

Диспути на запропоновані теми

14. Чи могли б розумні марсіани, спостерігаючи Землю у свої телескопи, виявити докази існування життя? Існування розумної цивілізації на Землі?

Завдання для спостережень

15. Нарисуйте положення Венери відносно горизонту та відносно зір і спостерігайте, як змінюється це положення протягом кількох тижнів. Зробіть висновок, як змінюється яскравість планети за цей час.

16. Під час протистоянь Марса визначте моменти, коли планета зупиняється і починає рухатися відносно зір у зворотному напрямку — зі сходу на захід.

Ключові поняття і терміни:

Вечірня або Вранішня зоря, Марсіанські канали, пилові бурі, планети земної групи, полярні шапки.