§ 13. Земля й Місяць

1. Земля - планета. Земля (мал. 13.1) бере участь у двох рухах у просторі: обертається навколо осі й обертається

н авколо Сонця із середньою швидкістю близько 30 км/з на середній відстані 149,6 млн км. Відображаючи цей рух, Сонце зміщається серед зірок з тим же періодом у напрямку, протилежному добовому обертанню неба, із заходу на схід.

У першому наближенні Землю можна вважати кулею. Але через обертання, що приводить до виникнення відцентрової сили, вона трохи сплюснена в полюсів й опукла в екватора. Тому ближче до справжньої форми Землі буде еліпсоїд обертання, отриманий обертанням еліпса навколо малої осі. При цьому більшу піввісь еліпсоїда приймають рівної а = 6 378 160 м, а малу b = 6 356 778 м.

Земля обертається навколо осі, причому швидкість руху точок земної поверхні на різних широтах неоднакова: вона максимальна на

екваторі — 465 м/с і дорівнює нулю на полюсах. Відповідно по-різному й прискорення сили земного тяжіння: на екваторі воно дорівнює 9,78 м/с², на полюсах - 9,83 м/с².

Вивчаючи нашу планету, учені вже давно виділили ряд властивих їй оболонок. Самою віддаленою й найбільш протяжною оболонкою Землі є магнітосфера — ділянка навколоземного простору, фізичні властивості якого визначаються магнітним полем Землі і його взаємодією з потоками заряджених часток. Магнітне поле Землі близько до поля магнітного диполя, і його напруженість становить близько 40 А/м.

Через дію потоку часток з боку Сонця (сонячного вітру) на денній стороні магнітні силові лінії трохи притиснуті до Землі. Із протилежної, нічної сторони вони захоплюються сонячним вітром, створюючи «шлейф» довжиною до 5 млн км. В області замкнутих ліній геомагнітного поля існує пастка для заряджених часток. Геомагнітне поле захоплює й утримує усередині магнітосфери величезна кількість протонів й електронів, які утворять радіаційні пояси {мал. 13.2). Виділяють внутрішні й зовнішній радіаційні пояси на середній відстані від поверхні Землі, відповідно, 1 000-1 100 км й 35 000-50 000 км.

Земля оточена повітряною оболонкою — атмосферою (мал. 13.3), що по своїх фізичних властивостях на різних висотах ділиться на тропосферу {висота 9-17 км від полюса до екватора, температура зменшується з висотою до -55^о), стратосферу (до 55 км, температура зростає до0^о, мезосферу (до 85 км, температура зменшується до -85^о) і термосферу {від 90 км і вище, температура знову збільшується). З урахуванням електричних властивостей атмосфери на висоті 70-400 км виділяють іоносферу, де повітря дуже іонізоване.

Головні складові повітря по масі: азот - 78%, кисень - 21% , аргон - 0,93%, вуглекислий газ -0,03%, озон і водяна пара. Інші гази присутні в кількостях менше 0,01%.

Окремо розглядають гідросферу й літосферу. Під гідросферою розуміють сукупність всієї води на Землі у твердому, рідкому й газоподібному стані. Найбільше води в рідкому стані. Вона утворить Світовий океан, що містить 97% всієї поверхневої води й покриваючий 71% земної поверхні, 2,5% води приходиться на лід,

а на озера, ріки й атмосферну вологу :- лише 0,5% .Літосфера - це верхня тверда оболонка Землі.

Літосфера повністю приховує від нас надра планети. Проте за допомогою сейсмічних хвиль, що поширюються в тілі планети під час землетрусів, внутрішня будова Землі була вивчена (мал. 13.4). Виходячи зі швидкості поширення сейсмічних хвиль, земні надра ділять на такі шари: кора (зона А) товщиною від 5 км під океанами до 70-80 км під найвищими горами; мантії — верхньої й нижня (зони С и D) загальною товщиною до 2 900 км; зовнішнє ядро (зона Е) до 2 100 км товщиною; внутрішнє ядро (зона F) радіусом до 1300 км.

Є припущення, що на відміну від кори й мантії, які в загальному перебувають у твердому стані, зовнішнє ядро рідке. З ним зв'язують наявність геомагнітного поля. Уважається, що в рідкому зовнішньому ядрі Землі можуть відбуватися досить складні інтенсивні рухи речовини, що має високу електропровідність. При цьому виникають сильні електричні струми, які й генерують магнітне поле в планетарному масштабі, тобто геомагнітне поле.

Тверде внутрішнє ядро з температурою до 7 000 К и тиском до 3,5 млн атмосфер перебуває в незвичайному стані. При таких фізичних умовах електронні оболонки атомів руйнуються й утвориться щільна плазма, насичена вільними електронами. При цьому речовина, як і метал, починає добре проводити струм, отже, за аналогією, такий його стан називається металевою фазою.

Земля має різноманітний хімічний склад. 90% її маси доводиться на залізо, кисень, магній і кремній. Земна кора майже наполовину складається з кисню, що входить до складу різних окислів, і на чверть — із кремнію. Значний відсоток доводиться також на алюміній. Кисень, кремній й алюміній утворять найпоширеніші в природі сполуки — кремнезем і глинозем .

Найбільш розповсюдженим компонентом мантії є кремнезем у складі силікатів. Що стосується ядра, то воно, імовірно, складається із заліза з домішками нікелю й сірки або нікелю й кремнію.

2. Рухи й зміни в земних оболонках. Всі оболонки Землі - і зовнішні, і внутрішні - перебувають у постійному русі й зміні. Магнітосфера Землі залежно від активності Сонця змінює форму, змінюється кількість часток у радіаційних поясах й їхній висоті над Землею.

Магнітне поле планети досить повільно змінює свою спрямованість і напруженість, а магнітні полюси «сповзають» зі своїх місць. Установлено, що в минулому спрямованість геомагнітного поля була інший, що магнітні полюси дрейфують по поверхні, що північний магнітний полюс колись перебував поблизу екватора. А часом взагалі відбувається переорієнтація (інверсія) геомагнітного поля; північний магнітний полюс стає південним і навпаки.

Атмосфера Землі постійно розсіюється в космічному просторі, але поповнюється за рахунок вулканічної діяльності й випару води з поверхні морів й океанів. Час від часу змінюється співвідношення кількості газів в атмосфері.

Істотним образом змінює свій вигляд і тверду поверхню Землі внаслідок дії на гірські породи Сонця, вітри й води, а також тектонічних процесів, що відбуваються в надрах.

Але зміни, пов'язані із планетою Земля, відбуваються не тільки в її оболонках. Через вплив притягання з боку планет, Місяця й Сонця відбувається збурювання поступального руху Землі навколо Сонця і її обертового руху навколо осі.

З періодом в 100 тис. років, переміщаючись уздовж екліптики, але в тім же напрямку, що й Земля по орбіті, повертається до попереднього положення серед зірок крапка перигелію земної орбіти. З періодом в 90-100 тис. років у межах 0,0163-0,066 змінюється ексцентриситет земної орбіти. З періодом в 41 тис. років у границях 22-24,5° змінюється кут нахилу площини екватора до площини екліптики.

3. Вплив рухів і змін в оболонках Землі на

її клімат. Установлено, що протягом геологічної історії Землі її клімат неодноразово мінявся (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 суходолу покривалися льодовиками, а рівень Світового океану знижувався, з періодами значного потепління, коли за північним полярним колом буяла рослинність. Це зв'язують із певними змінами й рухами в земних оболонках, а також з астрономічними факторами, які визначають кількість сонячної енергії, що надходить на Землю.

Зараз вірогідно встановлено, що різкі зміни орієнтації геомагнітного поля взаємозалежні з істотними коливаннями клімату - появою великих льодових масивів (зледенінь) і їхнім наступним таненням, а також похолоданнями й потепліннями, які охоплювали Землю в цілому. Проте, механізм цього взаємозв'язку поки не розкритий.

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

Великий вплив на клімат має стан атмосфери, зокрема, кількість водяної пари й вуглекислого газу, наявних у ній. Підвищення концентрації водяної пари викликає збільшення хмарності й отже — зменшення кількості сонячного тепла, що надходить на поверхню. А зміна концентрації вуглекислого газу З₂ в атмосфері є причиною ослаблення або посилення парникового ефекту, при якому вуглекислий газ частково поглинає тепло, випромінюване Землею в інфрачервоному діапазоні спектра з наступним його перевипромінюванням убік земної поверхні. У підсумку температура поверхні й нижніх шарів атмосфери підвищується. Таким чином, явище парникового ефекту істотно впливає на зм'якшення клімату Землі. При його відсутності середня температура планети

була б на 30-40 нижче, ніж є насправді, і становила б не +15 С, а -15 С, а то й -25 С. При таких середніх значеннях температури океани дуже швидко покрилися б льодом, перетворившись у величезні морозильники, і життя на планеті стало б неможливим. На кількість вуглекислого газу впливає багато факторів, серед яких головні - вулканічна діяльність і життєдіяльність земних організмів.

Але найбільший вплив на стан атмосфери, а отже й на клімат Землі в планетарному масштабі, мають зовнішні, астрономічні фактори, такі як зміна потоків сонячної радіації внаслідок мінливості сонячної діяльності й зміни параметрів земної орбіти. Астрономічна теорія коливань клімату була створена ще в 20-і роки XX в. Установлений, що зміна ексцентриситету орбіти Землі від можливого мінімального 0,0163 до можливого максимального 0,066 може привести до різниці кількості сонячної енергії, що падає на поверхню Землі в афелії й перигелії, на 25% за рік. Залежно від того, улітку або взимку (для північної півкулі) Земля проходить свій перигелій, така величина зміни потоку сонячної радіації може привести до загального потепління або похолодання на планеті.

Теорія дала можливість обчислити час льодовикових періодів у минулому. З точністю до погрішностей визначення геологічних дат, століття десятка попередніх зледенінь збігся із пророкуваннями теорії. Вона ж дозволяє відповістити на запитання, коли повинне настати наступне найближче зледеніння: сьогодні ми живемо в міжльодовикову епоху й у найближчі 5 000-10 000 років воно нам не загрожує.

4. Супутник Землі - Місяць. Місяць - найближче до Землі небесне тіло (мал. 13.5), що перебуває від неї на середній відстані 384 400 км і має радіус 1 738 км. Маса Місяця значно поступаєтьсямасі Землі, а сила тяжіння на її поверхні приблизно в шість разів менше, ніж на Землі.

Відношення маси Місяця до маси Землі в порівнянні з подібною величиною для супутників інших планет дуже велике й становить 1:81. Друге місце (якщо не враховувати систему Плутон - Харон, 7:1) займає супутник Нептуна Тритон, але його маса вже в 700 разів менше маси планети. Тому є всі підстави вважати систему Земля - Місяць подвійною планетою.

П еріод обертання Місяця навколо осі дорівнює періоду її обігу навколо Землі. Тому Місяць

завжди повернена до Землі однією стороною. Обертання такого типу називається синхронним. Однак, незважаючи на те, що в кожен даний момент спостерігач із Землі бачить рівно половину поверхні Місяця, через особливість її руху по орбіті насправді можна бачити не 50, а 60% поверхні.

Найбільші деталі поверхні Місяця можна бачити із Землі навіть неозброєним оком. До них відносяться світлі й темні ділянки.

Першим спостерігав Місяць у телескоп Галілей, він і назвав темні ділянки морями. Ця назва за традицією збереглося, хоча відомо, що в місячних морях води немає. Світлі ділянки — материки — займають близько 60% видимої із Землі місячної поверхні. Це нерівні, гористі райони, пересічені гірськими хребтами. Більшість із них має земні назви: Карпати, Кавказ, Альпи й т.п. Моря являють собою рівнинні ділянки місячної поверхні. Ще в XVII в. деяким з них були привласнені екзотичні назви: Море Вологості, Море Достатку, Море Криз й інших. Сама більша різниця у висотах на Місяці 11 км, а по регіонах вона коливається в межах 4-6 км. На окремих ділянках місячної поверхні є також тріщини й рови, довгі й круті прірви, загадкові форми яких нагадують русла висохлих рік.

Проте, найефектнішими деталями місячної поверхні є кратери (мал. 13.6), що носять імена видатних вчених. Серед них одинадцять імен належать українцям. Кратерів на видимій із Землі стороні налічується близько 30 000. Самі більші серед них — кратер Клавій з діаметром 235 км і Грімальди - 200 км. Кратерів з діаметром від 60 див на фотографіях, виконаних з космічних апаратів, налічується більше 200 000. Біля деяких кратерів добре видно яскраві промені, де речовина відбиває до 20% падаючого на нього світла. Найвідоміші серед них — Тихо й Коперник. У деяких великих кратерах перебувають центральні гірки. Більшість кратерів на Місяці має метеоритне походження.

Виміри показали, що опівдні на екваторі температура поверхні Місяця досягає 390 К, а вночі - 120 К.

Близько 40% невидимої із Землі місячної поверхні залишалися недосяжними для досліджень доти, поки радянська міжпланетна станція «Місяць-3» (1959 р.) не здійснила обліт навколо Місяця. З'ясувалося, що на її зворотній стороні є такі ж деталі рельєфу, як і на видимій, але в меншій кількості. Найбільший кратер — Ціолковський (діаметр 789 км).

З початку космічної ери досліджень в астрономії на Місяць було відправлено понад 60 космічні апарати. Два з них доставили на

Місяць самоходи «Місяцехід-1» й «Місяцехід-2», а дев'ять минулого пілотовані американськими астронавтами (з них шість апаратів здійснили м'яку посадку).

П ершою людиною, що 20 липня 1969 р. ступив на Місяць, був американський астронавт Нейл Армстронг (мал. 13.7). Разом з Едвіном Олдріном вони здійснили м'яку посадку в місячному модулі корабля «Аполлон-11» на західній окраїні Моря Спокою, у той час як третій астронавт Майкл Коллінз залишався в кораблі, обертаючись навколо Місяця. Відтоді і до грудня 1972 р. 12 дослідників США провели на поверхні Місяця в цілому 300 годин, установили там різноманітні наукові прилади, зібрали й доставили на Землю 400 кг зразків місячного ґрунту.

Зразки місячних порід мають магматичне походження, їхній хімічний склад загалом такої ж, як і сполуки земних порід, але з недоліком нікелю й кобальту й деяким надлишком заліза, титану, цирконію, ітрія. У місячних породах особливо багато кремнезему, глинозему, окислів заліза й кальцію. Вік місячних порід становить 3-4,6 млрд років.

Місяць — спокійне в тектонічному відношенні небесне тіло. Сама бурхлива епоха в його формуванні закінчилася ще 3,16 млрд років тому. У наш час повна енергія місяцетрусів, зареєстрована сейсмометрами, менше, ніж енергія землетрусів в 1 млрд раз. В основному це місяцетруси, викликані падінням метеоритів. Але в 1958 р. співробітники Кримської астрофізичної обсерваторії Н. Козирєв і В. Єзерський спостерігали в телескоп виверження газів із кратера Альфонс. А в листопаді 1971 р. група американських дослідників, очолювана Д. Фішером, виявила в районі Океану Бур діючий гейзер.

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

5. Припливи й відливи. Перебуваючи на невеликій відстані від Землі, Місяць викликає на її поверхні явища припливів і відливів. Ці явища виникають через те, що розміри Землі в порівнянні з відстанню до Місяця не нескінченно мала, тому дія сили місячного притяжіння на різні її точки неоднакова (мал. 13.8). Уявимо собі, що вся поверхня Землі покрита океаном. Тоді частки води, найближчі до Місяця в цей момент (у т. А), притягаються сильніше,

а частки, найбільш вилучені від неї (у т. В) - слабкіше, ніж частки в центрі Землі. У підсумку водяна оболонка, створюючи приливний горб, здобуває форму еліпсоїда, витягнутого в напрямку до Місяця. На зворотній

від Місяця стороні Землі також спостерігається приливний горб, але менших розмірів.

Земля обертається навколо осі, а тому приливні виступи пересуваються уздовж поверхні морів й океанів слідом за Місяцем зі сходу на захід зі швидкістю 1 800 км/ч. Над кожним пунктом приливна хвиля проходить двічі в добу. У відкритому морі рівень води піднімається на 1-2 м, а біля узбережжя, особливо у вузьких затоках або бухтах, рівень води піднімається значно вище - на 4-5 м. Найвищі припливи - близько 18 м - спостерігаються в затоці Фанді на узбережжі Канади, де берег прорізаний вузькими глибокими фіордами.

Тяжіння Місяця створює приливні деформації не тільки в гідросфері, але й в атмосфері, двічі в добу змінюючи тиск повітря на трохи мм рт. ст., і в літосфері, викликаючи підйом поверхні Землі в середньому на 40 див.

Сонячне тяжіння також є причиною припливів і відливів, але через значно більшу далекість Землі від Сонця вони в 2,2 рази менше, ніж місячні. Внаслідок систематичного впливу приливного тертя Земля поступово сповільнює своє обертання на 0,001 із за 100 років. Вивчення річних кілець у коралів дозволило встановити, що приблизно 500 млн років тому тривалість земної доби становила приблизно 21 г.

1. Які оболонки Землі вам відомі?

2. Що ви знаєте про внутрішню будову Землі?

3. Що таке парниковий ефект і як він впливає на зміну температури поверхні нашої планети?

4. Які ефекти, пов’язані з особливостями руху Землі навколо Сонця, можуть визначати коливання клімату на ній?

5. Чому поверхня Місяця щільно вкрита кратерами і не схожа на поверхню Землі?

13.1. За даними курсу біології порівняйте вміст хімічних елементів в організмі людини з їх середньою поширеністю у речовинах Землі?

13.2. Поясніть за допомогою малюнка схему виникнення припливів та відливів.