Экзосфера (сфера рассеяния)
Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).
До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре ~1500 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.
На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.
На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000—3000 км.
В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера — это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.
Орбита и вращение Земли
Земле требуется в среднем 23 часа 56 минут и 4.091 секунд (звёздные сутки), чтобы совершить один оборот вокруг оси, соединяющей северный и южный полюса. Скорость вращения планеты с запада на восток составляет примерно 15 градусов в час (1 градус в 4 минуты, 15' в минуту). Это эквивалентно видимому диаметру Солнца или Луны каждые две минуты. (Видимые размеры Солнца и Луны примерно одинаковы).
Вращение Земли нестабильно, но в большом масштабе времени — замедляется. За одно столетие Земля поворачивается на 0s,0014 секунды медленнее, чем в предыдущее столетие.
Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите на расстоянии около 150 млн км со средней скоростью 29,765 км/сек. Скорость колеблется от 30,27 км/сек (в перигелии) до 29,27 км/сек (в афелии). Двигаясь по орбите, Земля совершает полный оборот за 365,2564 средних солнечных суток (один звёздный год). С Земли перемещение Солнца относительно звёзд составляет около 1° в день в восточном направлении. Скорость движения Земли по орбите непостоянна: в июле она начинает ускоряться (после прохождения афелия), а в январе — снова начинает замедляться (после прохождения перигелия). Солнце и вся солнечная система обращается вокруг центра галактики Млечного Пути по почти круговой орбите со скоростью около 220 км/c. В свою очередь, Солнечная система в составе Млечного Пути движется со скоростью примерно 20 км/с по направлению к точке (апексу), находящейся на границе созвездий Лиры и Геркулеса, ускоряясь по мере расширения Вселенной. Увлекаемая движением Солнца, Земля описывает в пространстве винтовую линию.
Из-за наклона оси Земли, высота Солнца над горизонтом в течение года изменяется. Для наблюдателя в северных широтах, когда северный полюс наклонён к Солнцу, светлое время суток длится дольше и Солнце в небе находится выше. Это приводит к более высоким средним температурам воздуха. Когда северный полюс отклоняется в противоположную от Солнца сторону, всё становится наоборот и климат делается холоднее. За северным полярным кругом в это время почти на полгода устанавливается ночь (полярная ночь).
Эти изменения климата (обусловленные наклоном земной оси) приводят к смене времён года. Четыре сезона определяются солнцестояниями — моменты, когда земная ось максимально наклонена по направлению к Солнцу либо от Солнца — и равноденствиями. Зимнее солнцестояние происходит примерно 21 декабря, летнее — примерно 21 июня, весеннее равноденствие — приблизительно 20 марта, а осеннее — 23 сентября. Наклон земной оси в южном полушарии противоположен наклону в северном. Таким образом, когда в северном полушарии лето, то в южном — зима, и наоборот (хотя месяцы называются одинаково, то есть, например, февраль в северном полушарии это последний месяц зимы и самый холодный месяц; в южном же — последний месяц лета, он же — самый тёплый).
Угол наклона земной оси относительно постоянен в течение длительного времени. Однако, этот наклон претерпевает незначительные, нерегулярные смещения (известные как нутация) с периодичностью 18,6 лет.
Луна
Вид Земли и Луны с Марса, фото с Mars Global Surveyor.
Вид Земли с орбиты Луны
Луна — относительно большой планетоподобный спутник с диаметром, равным четверти земного. Это самый большой, по отношению к размерам своей планеты, спутник солнечной системы. По названию земной Луны, естественные спутники других планет также называют «лунами».
Гравитационное притяжение между Землёй и Луной является причиной земных приливов и отливов. Аналогичный эффект на Луне проявляется в том, что она постоянно обращена к Земле одной и той же стороной (период оборота Луны вокруг своей оси равен периоду её оборота вокруг Земли; см. также приливное ускорение Луны). Это называется приливной синхронизацией. Во время обращения Луны вокруг Земли Солнце освещает различные участки поверхности спутника, что проявляется в явлении лунных фаз: тёмная часть поверхности отделяется от светлой терминатором.
Из-за приливной синхронизации Луна удаляется от Земли примерно на 38 мм в год. Через миллионы лет это крошечное изменение, а также увеличение земного дня на 23 мкс в год, приведут к значительным изменениям. Так, например, в Девонский период (примерно 410 млн лет назад) в году было 400 дней, а сутки длились 21,8 часа.
Луна может существенно повлиять на развитие жизни путём изменения климата на планете. Палеонтологические находки и компьютерные модели показывают, что наклон земной оси стабилизируется приливной синхронизацией Земли с Луной. Некоторые теоретики считают, что без этой стабилизации, действующей против вращающего момента со стороны Солнца и планет на экваториальную выпуклость Земли, ось вращения была бы хаотична и нестабильна, как, например, у Марса. Если бы ось вращения Земли приблизилась к плоскости эклиптики, то в результате климат на планете стал бы чрезвычайно суровым. Один из полюсов был бы направлен прямо на Солнце, а другой — в противоположную сторону, и по мере обращения Земли вокруг Солнца они менялись бы местами. Полюсы были бы направлены прямо на Солнце летом и зимой. Планетологи, изучавшие такую ситуацию, утверждают, что, в таком случае, на Земле вымерли бы все крупные животные и высшие растения. Однако, это спорная тема, и дальнейшие исследования Марса, у которого сходные с земными период обращения и наклон оси, но нет такой большой Луны и жидкого ядра, могут разрешить этот вопрос.
С Земли видимый размер Луны очень близок к видимому размеру Солнца. Угловые размеры (или телесный угол) этих двух небесных тел схожи постольку, поскольку хоть диаметр Солнца и больше лунного в 400 раз, оно находится в 400 раз дальше от Земли. Благодаря этому обстоятельству и наличию значительного эксцентриситета орбиты Луны, на Земле могут наблюдаться как полные, так и кольцеобразные затмения.
Наиболее распространённая теория происхождения Луны, Теория гигантского столкновения, утверждает, что Луна образовалась в результате столкновения протопланеты Теи (размером примерно с Марс) с ранней Землёй. Эта гипотеза, среди прочего, объясняет причины сходства и различия состава лунного грунта и земного.