13. Земля і Місяць

1. Земля- планета.

Земля (мал. 13.1) бере участь у двох ру­хах у просторі: обертається навколо осі та рухається навколо Сонця з се­редньою швидкістю 30 км/с на середній віддалі 149,6 млн км.

Завдяки рухові Землі по орбіті з періодом 365 діб 5 год 48 хв 46 с Сонце, відображаючи цей рух, переміщується небом серед зір з тим же періодом у на­прямку, протилежному добовому обер­танню неба, із заходу на схід.

У першому наближенні Землю мож­на вважати кулею. Але через обертання, яке спричиняє появу відцентрової сили, вона дещо сплюснута біля полюсів і опукла біля екватора. Тому ближчим до справжньої форми Землі буде еліпсоїд обертання, одержаний обертанням еліпса навколо малої осі. При цьому ве­лику піввісь еліпсоїда приймають рівною а = 6 378 160 м, а малу 6 = 6 376 778 м.

Земля обертається навколо осі, причому швидкість руху точок зем­ної поверхні різна у різних широтах: максимальна на екваторі - 465 м/с - і нульова на полюсах. Відповідно і прискорення сили земного тяжіння в різних широтах різне: мінімальне на екваторі - 9,78 м/с², максимальне на полюсах - 9,83 м/с².

Вивчаючи нашу планету, вчені вже давно виділили ряд притаман­них їй оболонок. Найвіддаленішою і найпротяжнішою оболонкою Землі є магнітосфера - ділянка навколоземного простору, фізичні власти­вості якої визначаються магнітним полем Землі та його взаємодією з по­токами заряджених частинок. Маг­нітне поле Землі близьке до поля магнітного диполя, і його напру­женість становить біля 40 А/м.

Через дію потоку частинок з боку Сонця (сонячного вітру) на денному боці Магнітні силові лінії дещо притис­нуті до Землі. З протилежного, нічного боку вони відхиляються сонячним вітром, утворюючи «шлейф» протяжністю до 5 млн км. В області замкну­тих ліній геомагнітного поля існує пастка для заряджених частинок. Гео­магнітне поле захоплює і утримує всередині магнітосфери величезну кількість протонів і електронів, які утворюють радіаційні пояси (мал. 13.2). Виділяють внутрішній і зовнішній радіаційні пояси на середній відстані від поверхні Землі відповідно 1 000-1 100 км і 35 000-50 000 км.

Земля оточена повітряною оболонкою - атмосферою (мал. 13.3) яка не має чітких меж і за своїми фізичними властивостями на різних висотах поділяється на тропосферу (висота 9-17 км від полюса до еквато­ра, температура зменшується з висо­тою до-55°), стратосферу (до 55 км, температура зростає до 0°), мезосферу (до 85 км, температура змен­шується до -85 ) і термосферу (від 90 км і вище, температура знову зро­стає). З урахуванням електричних властивостей атмосфери на висоті 70-400 км виділяють іоносферу, де повітря сильно іонізоване.

Головні складові (за масою) повітря: азот - 78 %, кисень - 21 %, аргон - 0,93 %, вуглекислий газ -0,03 %, озон і водяна пара. Інші гази наявні в кількості, меншій 0,01 %.

Під атмосферою лежать гідросфе­ра і літосфера - оболонки, на яких існує практично все живе на Землі.

Під гідросферою розуміють сукупність усієї води на Землі в твердому, рідкому і газоподібному стані. Найбільше води у рідкому стані. Вона утворює Світовий океан, що вміщує 97 % усієї поверхневої води і покриває 71 % земної поверхні. 2,5 % води припадає на лід, а на озера, річки і атмосферну вологу - лише 0,5 %.

Літосфера -це верхня тверда оболонка Землі. Вона повністю по­криває надра планети. Проте за допомогою сейсмічних хвиль, що поши­рюються в тілі планети під час землетрусів, було з'ясовано внутрішню бу­дову Землі (мал. 13.4). Виходячи зі швидкості поширення сейсмічних хвиль, земні надра поділяють на такі шари: кора (зона А) товщиною від 5 км під океанами до 70-80 км під найвищими горами; мантії верхня і нижня (зони С і D) загальною товщиною до 2 900 км; зовнішнє ядро (зона

Е) до 2 100 км завтовшки; внутрішнє ядро (зо­на F) радіусом до 1 300 км.

Є думка, що на відміну від кори і мантії, які загалом перебувають у твердому стані, зовнішнє ядро рідке. З ним пов'язують на­явність геомагнітного поля. Вважається, що у рідкому зовнішньому ядрі Землі можуть відбу­ватися досить складні інтенсивні рухи речови­ни, яка має високу електропровідність. При цьому виникають сильні електричні струми, які і генерують магнітне поле нашої планети.

Тверде внутрішнє ядро за температури до 7 000 К і тиску до 3,5 млн атмосфер перебу­ває у незвичайному стані. За таких фізичних умов електронні оболонки атомів руйную- Мал. 13.4. Внутрішня будова Землі

ться і утворюється щільна плазма, насичена вільними електронами. При цьому речовина, як і метал, починає добре проводити струм, отже, за аналогією, такий її стан називається металічною фазою.

Земля має багатий хімічний склад. 90 % її маси припадає на залізо, ки­сень, магній і кремній. Земна кора майже наполовину складається з кисню, що входить до складу різних окислів, і на чверть - з кремнію. Значний відсо­ток припадає також на алюміній. Кисень, кремній і алюміній утворюють найпоширеніші у природі сполуки - кремнезем (Si0₂) та глинозем (А1₂0₃).

Найпоширенішим компонентом мантії є кремнезем у складі силі­катів. Щодо ядра, то воно, імовірно, складається із заліза з домішками нікелю і сірки чи нікелю і кремнію.

2. Рухи та зміни в земних оболонках. Всі оболонки Землі-і зовнішні, і внутрішні - постійно рухаються і змінюються. Магнітосфе­ра Землі залежно від активності Сонця змінює форму, змінюється кількість частинок у радіаційних поясах і їхня висота над Землею.

Магнітне поле планети змінює свою напрямленість і напруженість, а магнітні полюси «сповзають» зі своїх місць. З'ясовано, що в давнину напрямленість геомагнітного поля була іншою, ніж тепер, що магнітні полюси дрейфують по поверхні, і північний магнітний полюс колись знаходився поблизу екватора. А час від часу взагалі відбувається пере­орієнтація (інверсія) геомагнітного поля: північний магнітний полюс стає південним і навпаки.

Атмосфера Землі постійно розсіюється у космічному просторі, але вона поповнюється за рахунок вулканічної діяльності та випаровуван­ня води з поверхні морів і океанів. Час від часу змінюється співвідно­шення кількості газів в атмосфері (передусім водяної пари, озону 0₃ та двоокису вуглецю С0₂).

Істотно змінює свій вигляд і тверда поверхня Землі через дію Сонця, вітру та води на гірські породи, а також через тектонічні процеси, що відбуваються в надрах.

Та зміни, пов'язані з планетою Земля, відбуваються не тільки в її оболонках. Змінюються в астрономічних масштабах геометричні зв'яз­ки між Землею і Сонцем. Через вплив притягання з боку планет, Міся­ця та Сонця відбувається збурення поступального руху Землі навколо Сонця та обертального руху наколо осі.

З,періодом у 100 тис. років, пересуваючись уздовж екліптики, але в тому ж напрямку, що і Земля по орбіті, повертається до попередньо­го положення серед зір точка перигелію земної орбіти. З періодом у 90-100 тис. років у межах 0,0163-0,066 змінюється ексцентриситет земної орбіти. З періодом у 41 тис. років у межах 22-24,5° змінюється кут нахилу площини екватора до площини екліптики.

3. Вплив рухів і змін в оболонках Землі на її клімат. Відомо, що впродовж геологічної історії Землі її клімат неодноразово змінювався (хоча в цілому ці зміни не виходили за межі умов, при яких можливе існу­вання життя). Геологічні дані вказують на чергування холодних періодів, коли великі ділянки суші вкривалися льодовиками, а рівень Світового оке­ану знижувався, з періодами значного потепління, коли за північним полярним колом буяла рослинність. Такі зміни пов'язують з певними змінами та рухами в земних оболонках, а також з астрономічними факто­рами, які визначають кількість сонячної енергії, що надходить на Землю.

Зараз достовірно встановлено, що різкі зміни орієнтації гео­магнітного поля пов'язані з різкими коливаннями клімату - появою ве­ликих льодових масивів (заледенінь) і їхнього наступного танення, та по­холоданнями і потепліннями, які охоплювали Землю в цілому. Проте механізм цього взаємозв'язку поки що не розкрито.

Активне горотворення і переміщення земної кори внаслідок глоба­льних тектонічних процесів, які відбувалися впродовж геологічної історії Землі, впливають на перерозподіл морських течій та на загальну атмосферну циркуляцію, що, у свою чергу, також призводить до кліма­тичних змін на планеті.

Великий вплив на клімат має стан атмосфери, зокрема кількість во­дяної пари та вуглекислого газу, які в ній містяться. Значне підвищення вмісту водяної пари викликає збільшення хмарності, а отже зменшен­ня кількості сонячного тепла, що надходить на поверхню. А зміна вмісту вуглекислого газу С0₂ спричиняє послаблення чи посилення пар­никового ефекту, при якому вуглекислий газ частково поглинає тепло, випромінюване Землею в космос, затримує його в атмосфері й підвищує тим самим температуру поверхні та нижніх шарів атмосфери. Відомо, що явище парникового ефекту відіграє вирішальну роль у пом'якшенні клімату Землі. За його відсутності середня температура планети була б на 30-40 нижчою, ніж є насправді, і становила б не +15 С, а -15°С, а то і -25С. За таких середніх значень температури океани дуже швидко вкри­лися б льодом, перетворившись у величезні морозильники, і життя на планеті стало б неможливим. Отже, зменшення у повітрі вмісту С0₂ по­слаблює парниковий ефект і сприяє похолоданню. Впливають на кількість вуглекислого газу багато причин, серед них найголовнішими є вулканічна діяльність і життєдіяльність земних організмів.

Та найбільший вплив на стан атмосфери, а отже і на клімат Землі у всепланетному масштабі, мають зовнішні, астрономічні фактори, такі як зміна потоків сонячної радіації внаслідок непостійності сонячної діяльності та зміни параметрів земної орбіти. Астрономічну теорію коливань кліма­ту було створено ще у 20-ті роки XX ст. В цій теорії показано, що зміна ек­сцентриситету орбіти Землі від можливого мінімального 0,0163 до мож­ливого максимального 0,066 може призвести до різниці кількості соняч­ної енергії, що падає на поверхню Землі в афелії і перигелії, на 25% за рік. Залежно від того, влітку чи взимку (для північної півкулі) Земля проходить свій перигелій, така величина зміни потоку сонячної радіації може призвести до загального похолодання чи потепління на планеті.

Теорія дала змогу обчислити час льодовикових періодів у минуло­му. З точністю до похибок визначення геологічних дат, вік десятка по­передніх заледенінь збігся з передбаченнями теорії. Вона ж дозволяє відповісти на питання, коли повинне настати наступне найближче зале­деніння: сьогодні ми живемо у міжльодовикову епоху, і в найближчі 5 000-10 000 років воно нам не загрожує.

4. Супутник Землі — Місяць. Місяць - найближче до Землі небес­не тіло (мал. 13.6), яке знаходиться від неї на середній віддалі 384 400 км і має радіус 1 738 км. Маса Місяця значно поступається масі

Землі, а сила тяжіння на його поверхні приблизно у 6 разів менша, ніж на Землі.

Відношення маси Місяця до маси Землі у порівнянні з подібною величи­ною для супутників інших планет ду­же велике і становить 1:81. Друге місце (якщо не враховувати систему Плутон-Харон, 7:1) посідає супутник Нептуна Тритон, але його маса вже у 700 разів менша за масу планети. Тому є всі підстави вважати систему Зем-ля-Місяць подвійною планетою.

Період обертання Місяця навколо осі дорівнює періоду його обертання навколо Землі. І через це Місяць завжди повернутий до Землі одним боком. Обертання такого типу нази­вається синхронним. Однак, хоча в кожний даний момент спостерігач на Землі бачить рівно половину поверхні Місяця, через особливості йо­го руху по орбіті насправді можна бачити не 50 %, а 60 % поверхні.

Найкрупніші деталі поверхні Місяця можна бачити з Землі навіть не­озброєним оком. До них належать світлі й темні ділянки. Першим спос­терігав Місяць у телескоп Галілей, він і назвав темні ділянки морями. Ця назва за традицією збереглася, хоча відомо, що у місячних морях немає води. Світлі ділянки - материки - займають близько 60% видимої з Землі місячної поверхні. Це нерівні, гористі райони, пересічені гірськи­ми хребтами. Більшість із них мають земні назви: Карпати, Кавказ, Альпи тощо. Моря являють собою рівнинні ділянки місячної поверхні. Ще у XVII сторіччі деяким з них було присвоєно екзотичні назви: Море Вологості, Море Достатку, Море Криз тощо. Найбільша різниця у висо-

тах на Місяці 11 км, а по регіонах вона коливається в межах 4-6 км. На окремих ділянках місячної поверхні є також тріщини та рови, довгі й круті урвища, загадкові форми, що нагадують русла висохлих річок.

Проте найефектнішими деталями місячної поверхні є кратери (мал. 13.6), які носять імена видатних учених. Серед них одинадцять імен належать українцям. Кратерів на видимому із Землі боці налічується близько ЗО 000. Найбільші серед них - кратер Клавій з діаметром 235 км і Гримальді - 200 км. На фотографіях з космічних апаратів кратерів з діаметром від 60 см налічується більше 200 000. Біля деяких кратерів добре видно яскраві промені, де речовина відбиває до 20 % падаючого на неї світла. Найвідоміші серед таких кратерів - Тіхо і Коперник. У деяких кратерах є центральні гірки. Більшість кра­терів на Місяці мають метеоритне походження.

Відповідні вимірювання показали, що в полудень на екваторі темпе­ратура поверхні Місяця сягає 390 К, а вночі 120 К.

Близько 40 % невидимої з Землі місячної поверхні залишалися недо­сяжними для досліджень доти, доки радянська міжпланетна станція «Луна-3» (1959 р.) не здійснила обліт навколо Місяця. З'ясувалося, що на зворотному боці Місяця є такі ж деталі рельєфа, що й на видимому, але в меншій кількості. Найбільший кратер - Ціолковський (діаметр 789 км).

Від початку космічної ери досліджень в астрономії до Місяця було відправлено понад 60 космічних апаратів. Два з них доставили на Місяць самоходи «Луноход-1» і «Луноход-2», а дев'ять були пілотовані амери­канськими астронавтами (з них шість апаратів здійснили м'яку посадку).

Першою людиною, яка 20 липня 1969 р. ступила на Місяць, був американський астронавт Нейл Армстронг (мал. 13.7). Разом з Едвіном Олдріном вони здійснили м'яку посадку у місячному модулі корабля «Аполлон-11» на західній околиці Моря Спокою, тоді як третій астронавт, Майкл Коллінз, залишався на орбіті Місяця. Відтоді і до грудня 1972 р. 12 дослідників СІЛА провели на поверхні Місяця зага­лом близько 300 годин, встановили там різноманітні наукові прилади, зібрали і доставили на Землю 400 кг зразків місячного грунту.

Зразки місячних порід мають магматичне походження, їхній хімічний склад загалом такий же, як і склад земних порід, але з неста­чею нікелю і кобальту і перевагою заліза, титану, цирконію та ітрію.

Мал. 13.7. Перша висадка людини на Місяці

В місячних породах особливо багато кремнезему, глинозему, окисів заліза та кальцію. Вік місячних порід стано­вить 3-4,6 млрд років.

Місяць являє собою спокійне в тек­тонічному відношенні небесне тіло. Найбурхливіша епоха у його форму­ванні закінчилася ще 3,16 млрд років тому. У наш час повна енергія місяцетрусів, зареєстрована сейсмометрами, менша, ніж енергія землетрусів, у 1 млрд разів. В основному це місяцетруси, викликані падінням метеоритів. Але у 1958 р. співробітники Кримської астрофізичної обсерваторії М. Козирєв та В. Єзерський спостерігали в телескоп виверження газів з кратера Альфонс. А в листопаді 1971 р. група американських дослідників вия­вила в районі Океану Бур діючий гейзер.

Стале магнітне поле Місяця принаймні у 1 000 разів менше, ніж гео­магнітне. Це свідчить про відсутність у Місяця рідкого ядра. Місяць ото­чений надзвичайно розрідженою газовою оболонкою з водню, гелію, не­ону та аргону, а також протяжною пиловою хмарою.

5. Припливи і відпливи. Знаходячись на невеликій відстані від Землі, Місяць спричиняє на її поверхні явища припливів і відпливів. Припливи і відпливи виникають через те, що розміри Землі порівняно з відстанню до Місяця не безмежно малі, тому дія сили місячного тяжіння на різні її точки неоднакова (мал. 13.8). Уявимо собі, що вся поверхня Землі вкрита океаном. Тоді частинки води, найближчі до Місяця у пев­ний момент (у т. А), притягаються сильніше, а частинки найвіддаленіші від нього (у т. В) - слабкіше, ніж частинки в центрі Землі. Як наслідок, водна оболонка, створюючи припливний горб, набирає форми еліпсоїда, витягнутого в напрямку до Місяця. На відверненому від Місяця боці Землі також спостерігається припливний горб, але менших розмірів.

Земля обертається навколо осі, а тому припливні виступи пересува­ються вздовж поверхні морів та океанів услід за Місяцем зі сходу на захід зі швидкістю 1 800 км/год. Над кожним пунктом припливна хвиля проходить двічі на добу. У відкритому морі рівень води піднімається на 1-2 м, а біля узбережжя, особливо у вузьких затоках чи бухтах, рівень води піднімається значно вище - на 4-5 м. Найбільші припливи - близько 18 м - спостерігаються на узбережжі Канади, де берег поріза­ний вузькими глибокими фіордами.

Тяжіння Місяця створює при­пливні деформації не тільки у гідро­сфері, але і в атмосфері, викликаючи двічі на добу зміну тиску повітря на кілька мм рт. ст., і в літосфері, вик­ликаючи підйом поверхні Землі у середньому на 40 см.

Сонячне тяжіння також спричиняє припливи і відпливи, але через значно більшу віддаленість Землі від Сонця вони у 2,2 рази менші, ніж місячні. Через систематичну дію припливного тертя Земля поступово сповільнює своє обертання на 0,001 секунди за 100 років. Вивчення річних кілець у коралів дозволило встановити, що близько 500 млн років тому тривалість земної доби становила приблизно 21 год.

1. Які оболонки Землі вам відомі? 2. Що ви знаєте про внутрішню будову Землі? 3. Що таке парниковий ефект і як він проявляється у встановленні температури поверхні нашої планети? 4. Які ефекти, пов'язані з особливостями руху Землі навколо Сонця, можуть обумовлювати коливання клімату на ній? 5. З яких причин поверхня Місяця густо вкрита кратерами і не схожа на поверхню Землі?

13.1. За даними курсу біології порівняйте вміст хімічних елементів в організмі людини з їхньою середньою поширеністю в речовині Землі. 13.2. Поясніть з допомогою малюнка схему виникнення припливів і відпливів.