Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

Розділ 2. Фізика Сонячної системи

Всесвіт — неймовірно величезне місце, таке неймовірне, що навіть людська уява не може охопити всю глибину його неосяжності. Що ж стосується нашої Сонячної системи, то за мірками Всесвіту вона лише його крихітна частинка. Тоді як для нас, мешканців маленької планети під назвою Земля, Сонячна система — дуже велике місце, і, незважаючи на всі великі досягнення астрономії останніх років, багато ще залишається незвіданим, ми лише починаємо наближатися до кордонів рідної Сонячної системи.

§ 7. Земля і Місяць

Земля — третя від Сонця планета Сонячної системи. З космосу наша планета має вигляд гарної блакитної кулі. Крізь хмарний покрив можна розглянути материки й океани.

Земля обертається навколо Сонця еліптичною орбітою (дуже близькою до колової) із середньою швидкістю 29 785 м/с на середній відстані 149,6 млн км з періодом, що приблизно дорівнює 365,24 доби (зоряний рік).

Форма Землі — геоїд. Середній радіус Землі становить 6371,032 км, екваторіальний — 6378,16 км, полярний — 6356,777 км. Площа поверхні земної кулі 510 млн км2, об’єм — 1,083 · 1012 км3, середня густина — 5518 кг/м3. Маса Землі дорівнює 5976 · 1021 кг. Температура на поверхні від -90 °С в Антарктиді до +70 °С у пустелі. Земля має повітряну атмосферу. Понад 70 % поверхні вкрито водою.

Нахил земної осі до площини екліптики — 66°33'22". Період обертання планети навколо своєї осі 23 год 56 хв 4,1 с. Обертання навколо своєї осі спричиняє зміну дня і ночі, а нахил осі до екліптики разом з обертанням навколо Сонця — зміну пір року.

Гравітаційне поле Землі зумовлює її близьку до сферичної форму та існування атмосфери. Газову оболонку, що огортає Землю, називають атмосферою. Атмосфера Землі, загальна маса якої 5,15 · 1015 т, складається з повітря — суміші в основному азоту (78,08 %) і кисню (20,95 %), аргону (0,93 %), вуглекислого газу (0,03 %), інше — це водяна пара, а також інертні та інші гази. Атмосфера Землі захищає все живе від згубного впливу космічного випромінювання.

Атмосфера Землі включає (мал. 2.1): тропосферу (до 15 км), стратосферу (15-100 км), іоносферу (100-500 км). Між тропосферою і стратосферою розміщується перехідний шар — тропопауза. У глибинах стратосфери під впливом сонячного світла створюється озоновий екран, який захищає живі організми від космічного випромінювання. Вище розміщені мезо-, термо- й екзосфера.

Мал. 2.1

Атмосфера як елемент глобальної екосистеми виконує такі функції: є бар’єром для згубного впливу космічних випромінювань на живі організми та ударів метеоритів; регулює сезонні та добові коливання температури; регулює теплообмін Землі з космічним простором, впливає на її радіаційний та водний баланс; є джерелом газів, які беруть участь у процесах фотосинтезу та забезпечують дихальні процеси живих організмів; зумовлює низку складних екзогенних процесів — вивітрювання гірських порід, діяльність природних вод, мерзлоти, льодовиків тощо.

Земля має магнітне та тісно пов’язане з ним електричне поле. Магнітне поле Землі генерується в рідкому металевому шарі ядра.

Деталі поверхні Землі й умови життя ви знаєте, тому зупинимося детальніше на будові надр (мал. 2.2). Моделі внутрішньої будови Землі й інших планет земної групи приблизно схожі.

Мал. 2.2

За записами коливань земної поверхні під час землетрусів сейсмограмами було встановлено, що внутрішня будова планети по вертикалі має шари. За хімічним складом та фізичними характеристиками виділяють три основні сферичні оболонки: тверда кора, мантія (оболонка) і ядро. Найтонший зовнішній шар — тверда кора. Глибина її в середньому 35 км (океанічна кора — 10 км, континентальна кора — 70 км). За хімічним складом земна кора складається з кисню (46,6 %), кремнію (27,7 %), алюмінію (8,1 %), заліза (5 %), кальцію (3,6 %) та інших хімічних елементів. Загальна маса земної кори становить усього 0,8 % від загальної маси Землі. Кора відокремлюється від мантії чіткою межею.

Ядро — найгустіша частина земних надр. Від поверхні Землі до центра збільшується тиск, густина й температура. Тиск у центрі планети 3,6 · 1011 Па, густина приблизно 12,5 · 103 кг/м3, температура — від 5000 до 6000 °С. Радіус ядра становить 55 % від радіуса Землі, а маса — приблизно 30 % від маси планети. Земне ядро ділиться на зовнішнє і тверде внутрішнє радіусом 1270 км. Перехідна зона між зовнішньою й внутрішньою частинами ядра дуже тонка — приблизно 5 км. Під час дослідження геологи з’ясували, що тверде металеве ядро всередині Землі утворилося 1-1,5 млрд років тому. Також учені змогли визначити швидкість росту земного ядра: за рік його радіус збільшується приблизно на міліметр.

Місяць — єдиний природний супутник Землі. Це тіло кулястої форми діаметром 3475 км. Маса Місяця всього в 81 раз менша за масу Землі. Середня густина Місяця становить 0,6 від густини Землі, а прискорення вільного падіння в 6 разів менше від земного. Тобто на місячній поверхні предмети у 6 разів легші, ніж на Землі. Сонячна доба на Місяці триває синодичний місяць (29,5 земної доби). На Місяці немає води в рідкому стані й практично немає атмосфери. За місячний день, що триває приблизно 15 земних діб, поверхня нагрівається до +130 °С, а вночі охолоджується до -170 °С. За високих температур швидкість молекул газу перевищує другу космічну швидкість для поверхні Місяця (2,38 км/с), тому гази, що виділяються з надр супутника Землі або утворюються під час падіння метеорних тіл, швидко залишають Місяць. Без газової атмосфери Місяць піддається впливу всіх видів електромагнітного випромінювання Сонця, а також ударам метеорних тіл різного розміру.

Неозброєним оком на місячній поверхні помітні світлі й темні ділянки. Темні і відносно рівні частини поверхні назвали морями, на них припадає 16,9 % усієї поверхні Місяця. Більш світлі гористі ділянки, так би мовити, материки, займають решту поверхні та характеризуються наявністю гірських хребтів, кільцевих гір, кратерів (мал. 2.3).

Мал. 2.3

Першу детальну місячну карту склав у 1647 р. польський астроном Ян Гевелій (1611-1687). Відтоді до наших днів збереглися назви морів — Море Спокою, Море Криз тощо. Назви гірських хребтів, що тягнуться уздовж окраїн морів, співзвучні земним — Апенніни, Кавказ, Карпати тощо. Апенніни мають максимальну висоту близько 6 км, а Карпати — лише 2 км.

Космічні дослідження істотно поглибили наші знання про Місяць. У 1959 р. апарат «Луна-3» уперше сфотографував протилежний, невидимий бік Місяця. У 1965 р. з’явилася перша повна карта Місяця (мал. 2.4).

Мал. 2.4

Найчисленнішими утвореннями на місячній поверхні є кратери (мал. 2.5). Їхні розміри — від мікроскопічних до 100 км у діаметрі. Великі й середні кратери названо на честь видатних учених: Птолемей, Архімед, Платон, Коперник, Тихо, Шмідт та ін.

Мал. 2.5

Поверхневий шар природного супутника Землі складається з дрібних шматків реголіту завтовшки приблизно 10 м. До складу місячного реголіту входять також скляні сферичні мікрочастинки. Реголіт має малу густину (верхній шар 1200 кг/м3) і дуже низьку теплопровідність (у 20 разів меншу за повітря), тому вже на глибині приблизно 1 м коливання температури практично не відчутні.

За хімічним складом місячні породи дуже близькі до базальтових порід Землі. Породи місячних морів відрізняються високим умістом оксидів заліза і титану, материкові — високим вмістом оксидів алюмінію. Останнім часом космічні станції виявили запаси водяного льоду в полярних областях Місяця — у тіні кратерів на Південному і Північному полюсах Місяця. Оскільки кут нахилу місячного екватора до екліптики лише 1,5°, то дно навіть неглибоких кратерів у полярних областях ніколи не освітлюється сонячними променями. За сталої температури -200 °С дно полярних кратерів покриває суміш реголіту з льодом.

Внутрішню будову Місяця (мал. 2.6) вивчили за записами струсів від ударів метеоритів, які фіксували доставлені на Місяць сейсмографи. Під шаром реголіту розміщується кора, завтовшки на видимому (повернутому до Землі) боці становить 60 км, а на зворотному — 100 км. Під корою розміщується мантія, товщина якої приблизно 1000 км. Зона глибше від 1600 км нагадує земну мантію, має товщину 430 км і температуру 1800 К.

Мал. 2.6

Останні дослідження підтвердили, що в центрі Місяця існує металеве ядро радіусом приблизно 300 км, маса якого становить 3 % від загальної маси Місяця.

Для Землі Місяць відіграє важливу роль. Найважливіший вплив Місяця на Землю полягає в тому, що він ось уже понад 4 млрд років стабілізує клімат. Без Місяця земна вісь коливалася б набагато сильніше. Екватор Землі розміщений під кутом 23,5° до орбіти, по якій планета рухається навколо Сонця, тому існують різні пори року. Якби не було Місяця, кут нахилу Землі змінився би на 85°. Це означало б, що вісь обертання Землі була б на рівні своєї орбіти. Уран з кутом нахилу 97° обертається навколо Сонця так, що протягом одного півріччя до Сонця обернена його північна півкуля, а протягом другого — південна. Якби так відбувалося на Землі, то клімат був би іншим. Імовірно, температура на Землі сягала б екстремальних позначок. А вітри були б набагато сильнішими.

Дослідники з’ясували, що зараз Земля відштовхує від себе Місяць швидше, ніж будь-коли за останні 50 млн років. Супутник віддаляється від Землі через припливи і відливи, а це впливає і на саму планету.

Гравітація Місяця створює добовий цикл припливів і відпливів. Цей процес уповільнює обертання планети навколо своєї осі та змушує Місяць віддалятися від Землі приблизно на 3,8 см в рік. Якщо припустити, що темпи віддалення Місяця завжди були однакові, то з віддалення орбіти Місяця можна розрахувати вік супутника — 1,5 млрд років. Це приблизна цифра, оскільки деякі місячні породи мають набагато більший вік — 4,5 млрд років, що можна порівняти з віком Землі.

Отже, Місяць віддаляється від Землі зі швидкістю, що збільшується, і поки що причину цього явища до кінця не з’ясовано. Можливо, причина в тому, що північна частина Атлантичного океану в наш час набагато ширша, ніж це було 50 млн років тому. Через це утворюються дуже великі хвилі і високі припливи, які відштовхують Місяць сильніше.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Назвіть основні характеристики планети Земля.
  • 2. Яка будова Землі?
  • 3. Який склад атмосфери Землі і яка її роль?
  • 4. Схарактеризуйте Місяць — супутник Землі.
  • 5. Які особливості має Місяць?

Виконайте презентацію на тему «Історія вивчення Місяця».

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

2011 р. у німецькому аерокосмічному центрі було створено найповнішу детальну 3D-карту Місяця, яка охоплює понад 98 % місячної поверхні. Для генерації об'ємної моделі, що відображає безліч деталей рельєфу, учені обробили понад 70 тис. стереокадрів Місяця, знятих американським супутником LRO з висоти 50 км. Безліч сусідніх знімків було зіставлено піксель за пікселем з урахуванням позиції апарата на момент зйомки і напрямку променя зору. У результаті 40 комп'ютерів за два тижні машинного часу склали цифрову модель місячного рельєфу з 100 млрд точок.