ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ Третья по счёту от Солнца планета — Земля имеет форму — сфероида (чуть приплюснутого шара) со средним радиусом R = 6371 км. Экваториальный радиус Земли равен 6378,16 км, полярный радиус 6356,78 км, т. е. на полюсе мы будем находиться на 21,38 км ближе к центру Земли, чем на экваторе.
ВРАЩЕНИЕ ЗЕМЛИ Ось вращения Земли наклонена под углом 66,5 к плоскости её орбиты (к плоскости эклиптики). При движении Земли вокруг Солнца ось её вращения практически постоянно «смотрит» на Полярную звезду. Благодаря этому происходят периодические изменения освещённости и продолжительности дня и ночи в Северном и Южном полушариях Земли, а также смена сезонов года.
В действительности ось вращения Земли(ось мира, поскольку они параллельны) описывает на небесной сфере малый круг, совершая один полный оборот за 26 000 лет.
Ближайшие сотни лет северный полюс мира, на который направлена ось вращения Земли, будет находиться недалеко от Полярной звезды, затем начнёт удаляться от неё. Через 12000 лет полюс мира приблизится к самой яркой звезде северного неба Веге из созвездия Лиры. Перемещается и точка весеннего равноденствия. Она медленно движется навстречу годичному движению Солнца по эклиптике. Описанное явление носит название прецессии оси вращения Земли.
Обнаружил явление прецессии древнегреческий астроном Гиппарх (ок. 190-125 гг. до н.э.) при сравнении положений звёзд в своём каталоге с составленным задолго до него. Отличие положений звёзд в этих каталогах и указало Гиппарху на медленное перемещение полюса мира и точки весеннего равноденствия. Со времен Гиппарха прошло свыше 2000 лет, и точка весеннего равноденствия с тех пор переместилась из созвездия Овна в созвездие Рыб. Это и объясняет несовпадение знаков Зодиака и соответствующих созвездий.
МАССА И ПЛОТНОСТЬ ЗЕМЛИ. Одна из важнейших характеристик любой планеты — масса.
Её можно определить по гравитационной постоянной G = 6,67·10-11м³/(кг.с²), ускорению свободного падения на поверхности земли g = 9,8 м/с2 и радиусу Земли R = 6371 км
Если подставить в уравнение все постоянные, то определим, что масса Земли М = 5,98 ·1024 кг.
Зная средний радиус Земли R = 6378 км, можно вычислить среднюю плотность Земли по формуле
плотность Земли равна 5520 кг/см³. Плотность земной коры 2700 кг/см3, что указывает на увеличение плотности с глубиной.
ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ О внутреннем строении Земли приходится судить по косвенным данным геофизики и, главным образом, сейсмологии (науке о распространении упругих волн в Земле).
Нашу планету можно условно разделить на несколько частей:
■ внутреннее ядро радиусом около 1300 км, в котором вещество находится в твёрдом состоянии. Температура во внутреннем ядре порядка 8000-9000 К, давление 350 ГПа, плотность около 12000 кг/м³;
■ внешнее ядро с внешним радиусом примерно 3400 км. Здесь в слое толщиной около 2100 км, окружающем внутреннее ядро, вещество находится в жидком состоянии;
■ оболочка, или мантия, толщиной около 2900 км, состоящая из расплавленных базальтов и силикатов;
■ кора, которая простирается от мантии до поверхности Земли; её толщина под океаном достигает 6-10 км, а под материками — 35-70 км.
При бурении сверхглубоких скважин на Кольском полуострове и на Кавказе установлено, что на глубине 10 км температура достигает 180°С (или 450 К), что объясняется мощным потоком тепла, идущим из горячих недр Земли. В связи с происходящими в недрах Земли процессами распада радиоактивных элементов (урана, тория и др.) в мантии происходит выделение тепла.
При перемещении глубинных масс расплавленное вещество (магма) по каналам, диаметры которых достигают десятка километров, а высота — 60–100 км, поднимается на поверхность Земли. Это приводит к извержению вулканов. Особенно их много образуется в местах разломов и на границах движущихся материков.
Жидкая водная оболочка Земли, покрывающая почти 70% её поверхности, называется гидросферой. Вода на 97% сосредоточена в бассейнах океанов. Мощные океанические течения переносят тепло от экваториальных областей к полярным, тем самым регулируя климат на Земле.
По современным представлениям наличие больших водоёмов сыграло решающую роль в возникновении жизни на Земле. Часть воды на Земле находится в твёрдом состоянии в виде льда и снега.
Как и некоторые другие планеты Солнечной системы, Земля обладает протяжённой газовой оболочкой, состоящей из смеси различных газов, атмосферой.
Атмосфера образует над поверхностью Земли огромный «воздушный океан», на дне которого мы и живём. Атмосфера на 78% состоит из азота, на 21% из кислорода и на 1% — из смеси других газов. Углекислого газа в атмосфере всего 0,045%. Основная масса атмосферы сосредоточена в приземном слое толщиной около 8 км, дальше плотность её постепенно уменьшается, но прослеживается она до высоты в сотни километров.
ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ Благодаря углекислому газу и водяным парам, присутствующим в атмосфере, климат Земли значительно теплее, чем был бы при отсутствии этих газов. Это связано с парниковым эффектом, который и возникает из-за наличия газов в атмосфере.
Как известно, в парнике солнечные лучи свободно пропускаются прозрачной плёнкой внутрь, нагревая грунт и воздух до высокой температуры. Нагретый грунт и воздух излучают инфракрасные (тепловые) лучи, которые плёнкой наружу не выпускаются. Поэтому тепло скапливается внутри парника, повышая температуру.
Для Земли такой плёнкой служит углекислый газ и водяные пары в атмосфере. Атмосфера прозрачна для солнечных лучей, поэтому они проникают к поверхности Земли и нагревают её и нижние слои воздуха. Тепловое инфракрасное излучение этими газами вверх не пропускается, поэтому тепло удерживается в приземном слое, тем самым повышая его температуру. Поэтому средняя годовая температура Земли около +15°С.
Если бы в атмосфере не было углекислого газа и водяных паров, то температура на Земле была бы почти на 40 градусов ниже.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ Земля представляет собой огромный магнит, южный полюс которого в настоящее время находится на севере Канады у границы с Гренландией, а северный вблизи Южного полюса Земли.
Действие магнитного поля простирается на десятки тысяч километров от Земли. Когда заряженные частицы высокой энергии попадают в магнитосферу Земли и там накапливаются, то появляются радиационные пояса (пояса Ван Аллена). Полярные сияния возникают, когда заряженные частицы солнечного ветра достигают атмосферы Земли в районе магнитных полюсов.
Магнитное поле отклоняет заряженные космические лучи и частицы солнечного ветра, тем самым оберегая жизнь на Земле от их пагубного воздействия.
ЛУНА И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА ЗЕМЛЮ
Луна — единственный естественный спутник нашей планеты ближайшее к Земле небесное тело. Её отражённый наблюдаем практически каждый день (вечер, ночь) В безоблачную погоду.
ПРИРОДА ЛУНЫ Луна — холодное шаровидное тело с твёрдой скалистой поверхностью. Радиус Луны равен 1738 км. Масса Луны в 81,3 раза меньше массы Земли 7,35 · 1022 кг, что определено по движению искусственных спутников, неоднократно выводимых в 1966-1971 гг. на селеноцентрические (от греч. Селена — Луна) орбиты. Первым искусственным спутником Луны 3 апреля 1966 г. стал советский космический аппарат «Луна-10».
Средняя плотность Луны р = 3350 кг/м³, или 0,6 плотности Земли. Ускорение силы тяжести на поверхности 1,63 м/с2 (в 6 раз меньше земного). Период вращения Луны вокруг своей оси равен периоду её обращения вокруг Земли, а именно 27,3 суток. Продолжительность солнечных суток на Луне составляет около 29,5 суток земных.
Луна лишена воды и атмосферы. За продолжительный лунный день в течение 14,8 земных суток лунная поверхность нагревается до температуры +130°С, а ночью охлаждается до -170° С. Из-за малой силы тяжести и высокой температуры на Луне отсутствует атмосфера.
Следов жизни на Луне не обнаружено.
Рельеф лунного полушария обращённого к Земле, хорошо виден даже в небольшой телескоп.
Обширные тёмные округлые низменности ещё в XVII в. получили названия морей: Море спокойствия, Море Ясности и т. д. Их размеры от 200 до 1200 км в поперечнике. Самая большая низменность протяжённость которой свыше 2000 км, названа Океаном Бурь. Сглаженная поверхность морей покрыта тёмным веществом, в том числе застывшей лавой, некогда изверженной из лунных недр. Океан Бурь и наиболее крупные моря различимы невооруженным глазом в виде тёмных пятен на лунном диске.
Светлые области (материки) занимают свыше 60% видимой поверхности Луны. Материки покрыты как отдельными горами, так и горными хребтами. Так, Море Дождей ограничено с северо-востока Альпами, с востока Кавказом.
Высота гор различна, отдельные горные вершины достигают 8 км.
Горные районы покрыты множеством кольцевых структур — кратеров, в меньшем количестве они имеются и в морях. Размеры кратеров варьируются от 1 м до 250 км.
Многие кратеры названы именами учёных: Архимед, Гиппарх и др. У таких крупных кратеров, как Тихо, Коперник, Кеплер, наблюдаются расходящиеся светлые лучевые структуры.
По современным представлениям большинство кратеров образовалось при столкновении с лунной поверхностью крупных метеоритов, астероидов и комет.
Обширные ровные поверхности лунных морей учёные объясняют столкновениями в далёком прошлом крупных метеоритов или астероидов с только что сформировавшейся поверхностью Луны. Они пробивали кору лунной поверхности, и потоки лавы заливали огромные пространства вокруг, сглаживая все неровности. Огромные по массе остатки метеоритов и астероидов застряли на большой глубине под поверхностью. Подтверждения этой гипотезы были получены из анализа движения искусственных спутников Луны: они испытывали дополнительное притяжение со стороны масс, сконцентрированных под поверхностью и получивших название масконы.
ПРИЛИВЫ Уровень океанов испытывает постоянные правильные колебания. Во время приливов уровень воды плавно нарастает, достигая наибольшего значения, а затем постепенно снижается до наинизшего уровня.
Максимумы подъёмов воды чередуются через определённые промежутки времени, близкие к 12 ч 26 мин. Таким образом, в каждом месте океанского берега за 24 ч 52 мин бывают два прилива и два отлива.
Но мы уже упоминали, что из-за движения Луны вокруг Земли Луна проходит выше всего над горизонтом как раз через 24 ч 52 мин. Это указывает на зависимость между Луной и приливами.
Максимальные приливы бывают, когда Луна находится выше всего над горизонтом или ниже всего под горизонтом.
Под влиянием лунного притяжения Земля имеет некоторое ускорение в направлении Луны. При этом твёрдая часть Земли испытывает одинаковое ускорение; его вектор можно связать с центром Земли.
С водной оболочкой ситуация сложнее.
Предположим, что вся Земля покрыта океаном. Пусть точка Е — центр Земли, L — Луна.
Очевидно, вода в точке А, наиболее близкой к Луне, испытывает большее ускорение, направленное в сторону луны, чем центр Земли Е, а в точке D, в свою очередь, большее, чем в точке В. Поэтому в общем движении к Луне частицы воды близ точки А уйдут вперёд по отношению к твёрдой Земле, испытывая большее ускорение в сторону Луны, чем твёрдая поверхность Земли. На этой стороне Земли вода поднимется; здесь, таким образом, будет прилив.
Но такой же прилив будет в то же время и на противоположной стороне Земли, так как вода в точке в отстанет от центра Земли почти на столько же, на сколько вода в точке D уйдёт вперёд.
В точках С и D водная оболочка будет испытывать дополнительное смещение, направленное к центру Земли, прижимаясь к ней. В этих точках будет наблюдаться отлив.
Таким образом, под действием лунного притяжения водная оболочка Земли принимает слегка вытянутую в сторону Луны форму:
близ точек А, где Луна выше всего над горизонтом, и В, где Луна ниже всего под горизонтом, будет наблюдаться прилив;
близ точек С, где Луна заходит, и D, где Луна восходит, будет наблюдаться отлив.
Так как Земля вращается вокруг своей оси существенно быстрее, чем Луна обращается вокруг Земли, образующийся приливной горб в точке А будет, двигаясь по инерции, бежать чуть впереди линии, соединяющей центры Луны и Земли. Масса этого горба будет притягивать Луну с силой, проекция которой направлена в торону движения Луны будет незначительно ускорять это движение, и Луна будет удаляться от Земли. Точные измерения расстояния до Луны с помощью лазерной локации показали, что Луна действительно удаляется от Земли со скоростью 38 мм в год.
Интересно, что и Луна с такой же по модулю силой притягивает приливной горб. Благодаря этому появляется небольшая сила, которая действует против направления вращения Земли и тормозит её вращение. Это приводит к удлинению продолжительности земных суток. К замедлению вращения Земли приводит также мелководной зоне, в которой приливная волна может достигать высоты свыше 10 м. Наблюдения показали, что за счет приливов длительность суток увеличивается на 0,0014 с за 100 лет.
Земля также вызывает приливы на Луне, причём они существенно больше, чем приливы, вызываемые Луной на Земле. В прошлом, когда Луна ещё только формировалась и была расплавленной, приливное трение настолько затормозило вращение Луны, что она оказалась повёрнутой к нам постоянно одной стороной.
Вследствие вращения Земли приливные выступы образуются каждый следующий момент уже в новых точках земной поверхности. Поэтому в течение одного оборота Луны (24 ч 52 мин) они обойдут вокруг всего земного шара. За это время в каждом месте случается два
прилива и два отлива.
Солнце, как и Луна, также вызывает приливы. Несмотря на большую удалённость от Земли, благодаря большой массе Солнца приливы, которые оно вызывает, всего в 2,5 раза меньше лунных.
Во время полнолуний и новолуний лунные и солнечные приливы складываются и наблюдаются самые большие приливы.
Напротив, когда Луна в первой или последней четверти, во время лунного прилива будет солнечный отлив. Действие Солнца уменьшает действие Луны, и приливы делаются существенно меньшими.
ПРЕЦЕССИЯ — явление, при котором момент импульса тела меняет своё направление в пространстве под действием момента внешней силы.
Так как Земля из-за своей сплюснутости имеет избыток массы в экваториальной области, то Луна и Солнце своим притяжением этих выступов стремятся повернуть Землю таким образом, чтобы земной экватор совместился с плоскостью эклиптики.
Этот поворот складывается с осевым вращением Земли и приводит к медленному обращению оси вращения Земли вокруг направления на полюс эклиптики с периодом
примерно 26000 лет.
Задачи:
- Для целей связи нужны спутники, которые «висят» над одной и той же точкой Земли, так называемые геостационарные спутники. На какой высоте над поверхностью Земли они должны находиться?
- Космонавты облетают Луну по круговой орбите на высоте 50 км. На сколько им надо увеличить двигателями скорость своего космического корабля, чтобы вернуться на Землю? Радиус Луны 1738 км, а ее масса составляет 1/81 массы Земли.
Контрольные вопросы:
- Какую форму имеет Земля?
- Ось вращения Земли?
- Масса и плотность нашей планеты.
- Внутреннее строение.
- Причина парникового эффекта.
- Где проходят магнитные полюсы.
- Влияние Луны на Землю. Сколько приливов происходит за сутки.
- Прецессия.