Підручник з Астрономії (рівень стандарту). 11 клас. Пришляк - Нова програма

Тема 3. Наша планетна система

1. Земля і Місяць. Планети земної групи: Меркурій, Венера, Марс і його супутники

Земля. Наша планета — третя за порядком планета Сонячної системи. Вона має форму сфероїда (кулі, слабко сплюснутої біля полюсів, рис. 1.1). Вісь обертання Землі нахилена під кутом 66,5° до площини її орбіти (до площини екліптики). Земля 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 більш ніж на 1000 км, що створює на її поверхні сприятливі умови для існування життя (температуру, склад атмосфери, величезну кількість води).

Рис. 1.1. Вигляд Землі з космосу

Хімічний склад атмосфери є неоднорідним. Найбільшою складовою атмосфери біля поверхні Землі (за об'ємом 78 %) є азот N2, який відіграє важливу роль у житті рослин. Кисень O2 є необхідним елементом для дихання всіх живих істот і складає 21 % об'єму атмосфери (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Будова атмосфери Землі

Водяна пара H2O в атмосфері затримує інфрачервоне випромінювання Землі та створює парниковий ефект, унаслідок чого температура поверхні підвищується. 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.

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.

Шатл на фоні шарів атмосфери Землі (тропосфера має помаранчеве забарвлення)

Будова Землі. Нашу планету можна умовно поділити на кілька шарів. Центральна частина Землі утворює металеве ядро. 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.

Параметри Землі

Місяць. Місяць — єдиний природний супутник Землі. Це космічне тіло кулеподібної форми. Через малу силу тяжіння й високу температуру на Місяці відсутня атмосфера. Слідів життя на ньому також поки що не виявлено.

Не дивлячись на те, що Місяць розміщений майже на такій самій відстані від Сонця, як Земля, і одиниця його поверхні отримує таку саму кількість енергії, що й одиниця поверхні Землі, фізичні умови на цих космічних тілах суттєво відрізняються. Головна причина таких відмінностей 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: два тижні світить Сонце і поверхня нагрівається до температури +130 °С, а потім, після двотижневої ночі, поверхня охолоджується і температура на світанку знижується до -170 °С. За високої денної температури молекули газів покидають сферу тяжіння Місяця, тому там неможливе існування густої атмосфери.

Рис. 1.3. Моря на Місяці утворилися після виверження вулканів. Вони мають темніший колір, адже за хімічним складом там більше заліза, а на світліших ділянках більше алюмінію

На Місяці навіть удень темне небо, як у міжпланетному просторі, там не буває ані вітрів, ані дощів. Зміни пір року не відбувається, тому що вісь обертання Місяця майже перпендикулярна до площини орбіти. На поверхні Місяця навіть неозброєним оком видно темніші ділянки, що були названі морями (рис. 1.3), та світліші, які астрономи назвали материками. У морях немає ані краплі вологи, 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. 1.4). 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, оскільки вік найстаріших твердих скель на материках — 4,4 млрд років, у той час як лава в морях застигла близько 3 млрд років тому.

Рис. 1.4. Кратери на Місяці зараз утворюються після падіння метеоритів, хоча 3 млрд років тому там діяли вулкани

Параметри Місяця

У липні 1969 р. на поверхню Місяця здійснив посадку пілотований космічний корабель «Аполлон-11», 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. роздроблений 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.

Останнім часом у полярних областях Місяця космічні станції виявили запаси водяного льоду. Джерелом виникнення й накопичення місячних полярних льодів можуть бути комети, що впали в ці області.

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, які безупинно змінюють зовнішній вигляд його поверхні. Щоправда, 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».

Дізнайтеся більше про Землю і Місяць.

Планети земної групи. Планети Сонячної системи за розмірами і будовою поділяють на дві групи (рис. 1.5) — планети земної групи (Меркурій, Венера, Земля, Марс) та планети-гіганти (Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун).

Рис. 1.5. Порівняльні розміри планет земної групи та планет-гігантів

Планети земної групи мають тверду поверхню та значну густину, тому що складаються переважно з важких хімічних елементів. Планети-гіганти утворилися здебільшого з Гідрогену та Гелію, тому їхня середня густина невелика, а між атмосферою і поверхнею немає чіткої межі.

Меркурій є найменшою із планет земної групи, яку рідко кому випадало спостерігати неозброєним оком, тому що вона розташована близько до Сонця. Меркурій дуже повільно обертається навколо своєї осі в тому самому напрямку як і Земля. Сонячна доба на планеті вдвічі довша, ніж період її обертання навколо Сонця. Отже, протягом майже трьох місяців там світить Сонце і стільки ж триває ніч. Світлини поверхні Меркурія, які були зроблені 2008 р. за допомогою АМС «Мессенджер» з відстані 27 тис. км, вражають схожістю його рельєфу з поверхнею Місяця — така сама величезна кількість кратерів, що свідчить про однакову природу цих космічних тіл (рис. 1.6). До речі, один із великих кратерів на Меркурії названий на честь Тараса Шевченка.

Рис. 1.6. Поверхня Меркурія зі світлин, зроблених «Мессенджером»

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.

Параметри Меркурія

Дізнайтеся більше про Меркурій.

Венера — найгарячіша планета Сонячної системи. У неї, як і у Меркурія, немає природних супутників. Планета привертає увагу людей тим, що на нашому небі її яскравість у десятки разів перевищує блиск зір першої зоряної величини. За яскравістю Венера посідає третє місце в Сонячній системі після Сонця й Місяця. Українська народна назва цієї планети — Вечірня, або Вранішня, зоря, адже вона першою з'являється на вечірньому небосхилі й останньою гасне на світанку.

Тривалий час Венеру називали планетою загадок, тому що густі хмари приховують її поверхню (рис. 1.7, 1.8). Тільки нещодавно радіоспостереження виявили, що Венера повільно обертається навколо своєї осі у зворотному напрямку (порівняно з обертанням Землі).

Рис. 1.7. Венера проходить повз Сонце

Рис. 1.8. Хмари на Венері, які видно за допомогою телескопа під час спостережень

Атмосфера Венери складається в основному з вуглецю, який створює на планеті потужний парниковий ефект. В атмосфері часто можна спостерігати спалахи блискавок. Хмари Венери мають шарову структуру, окрім водяної пари у них утворюються краплини сірчаної кислоти, але до поверхні ці кислотні дощі не долітають, оскільки під хмарами температура різко підвищується (на поверхні +480 °С), і краплі випаровуються. Основний шар хмар розташовується на значній висоті (50-70 км), що пояснюється великим атмосферним тиском, який біля поверхні досягає 90 атм. Хмари на Венері, скоріше, нагадують слабку імлу, в якій видно предмети на відстані до 1 км.

Параметри Венери

Дізнайтеся більше про Венеру.

Марс — четверта за відліком планета Сонячної системи. Вона являє собою величезну пустелю, більша частина якої вкрита червонуватим піском. Під час протистоянь Марс 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. 1.9), які свідчать про наявність води в атмосфері планети.

Рис. 1.9. Марс

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. Після дослідження Марса за допомогою АМС було встановлено, що «канали» є своєрідною оптичною ілюзією, яку створюють окремі ділянки марсіанського ландшафту — гори, долини, кратери.

Параметри Марса

Із близької відстані Марс більше схожий на Місяць, ніж на Землю, оскільки безліч круглих кратерів свідчать про інтенсивне метеоритне бомбардування в минулому. Ряд кратерів на Марсі назвали на честь українських астрономів: Барабашова, Герасимовича, Сімейкіна, Струве, Фесенкова.

Для допитливих

Марс має два природні супутники — Фобос і Деймос, які із Землі можна побачити лише в телескопи. Зображення обох супутників були зафіксовані космічними станціями. Вони виявилися безформними брилами розмірами 27x21x29 км (Фобос) та 15x12x8 км (Деймос) і нагадують астероїди. Поверхня супутників вкрита кратерами діаметром від 50 м до 10 км, які свідчать про метеоритні удари, адже в надрах малих тіл вулканічна діяльність є неможливою.

Деймос

Фобос

Дізнайтеся більше про Марс.

Контрольні запитання

  • 1. Що спільного у планет земної групи? Чому ця група названа саме так?
  • 2. Чому вода на поверхні Місяця не може існувати в рідкому стані?
  • 3. Чому Меркурій не може утримувати сталу атмосферу?
  • 4. Яка планета обертається навколо осі у протилежному в порівнянні із Землею напрямку?
  • 5. На яких планетах земної групи відбувається зміна пір року?
  • 6. Венера розміщується далі від Сонця, ніж Меркурій, але чому температура на її поверхні вища, ніж на Меркурії?

Завдання для спостереження

  • 1. 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.
  • 2. Під час протистоянь Марса визначте моменти, коли планета зупиняється і починає рухатися відносно зір у зворотному напрямку — зі сходу на захід.