10. Земля. Луна.

ЗЕМЛЯ

1. Общие сведения. Земля – одна из 9 планет Солнечной системы, и, по-видимому, только на ней в нашей планетной системе есть жизнь. Атмосфера Земли насыщена кислородом. Земля имеет форму сплющенного у полюсов шара, среднее значение радиуса которого составляет 6370 км. Масса нашей планеты - 5.976-10²⁴ кг, период обращения вокруг своей оси - 23 часа 56 минут 4 секунды, а период обращения вокруг Солнца - 365 суток 6 часов 9 минут 9 секунд, возраст - около 4.6 млрд. лет. Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет 150 млн. км. Наша планета имеет единственный естественный спутник - Луну, вращающуюся вокруг Земли под действием силы гравитационного притяжения. Среднее расстояние от Земли до Луны равно 384400 км. Вращение Земли вокруг оси вызывает смену дня и ночи, а наклон земной оси к плоскости околосолнечной орбиты и обращение вокруг Солнца - смену времен года в отдаленных от экватора районах. Земля обладает магнитным и связанным с ним электрическим полями. По оценкам ученых, вероятность появления такой планеты в нашей галактике приблизительно равна 1/10000.

Сушу Земли, которая занимает приблизительно 1/3 ее поверхности, образуют 6 материков и острова. На горы приходится около 1/3 поверхности суши, пустыни покрывают около 20% ее поверхности, леса - 30%, саванны и редколесья - около 20%, ледники - свыше 10%. Средняя глубина океана - около 3.5 км, наибольшая глубина (Марианская впадина в Тихом океане) - 11 км. Самая высокая вершина Земли (Эверест или Джомолунгма в Азии) - 8848 м. Самая глубокая скважина находится на Кольском полуострове и равна приблизительно 15 км.

На Земле потепления не раз сменялись похолоданиями. Последнее оледенение закончилось около 10000 лет назад. В настоящее время среднегодовая температура на нашей планете составляет +15°С, максимальная температура поверхности суши — +60^QC (в тропических пустынях Африки и Америки), а минимальная - -90°С (в центре Антарктиды). Из всех планет Солнечной системы только Земля удалена от Солнца на такое расстояние, что температурные условия на ее поверхности оказались пригодными для жизни.

У Земли железоникелевое ядро, окруженное несколькими слоями горных пород. В составе Земли преобладают железо (34.6%), кислород (29.5%) и кремний (15.2%).

На Земле идет активная тектоническая деятельность, проявляющаяся в виде извержений вулканов, землетрясений, дрейфа континентальных плит, горообразования и других геологических процессов. Постоянное движение поверхности Земли обеспечивается ее внутренними запасами энергии. Наличие тектонической деятельности - признак эволюции планеты. Вулканическая активность и землетрясения вызваны движением плит земной коры. На Земле около 1000 действующих (регулярно извергающихся) вулканов. Ежегодно происходят примерно 100 сильных землетрясений. Континентальные плиты перемещаются в среднем на 2.5 см в год. Сущность тектонической деятельности - обмен веществом и энергией между недрами и поверхностью Земли. Она способствует формированию и сохранению атмосферы, гидросферы и рельефа поверхности, а также воздействует на земной климат и эволюцию биосферы. На рельеф планеты влияют тектонические, гидросферные, атмосферные и биологические процессы. Считается, что раньше тектоническая деятельность на Земле была более интенсивной. Геологическая история Земли не завершена. Земля является самоорганизующейся системой.

Сейчас природный баланс на Земле находится в состоянии относительного равновесия. Но загрязнение окружающей среды, быстрый рост населения (в настоящий момент на Земле проживают около 6 млрд. человек) и неразумное использование природных ресурсов могут нарушить его и сделать Землю непригодной для жизни.

2.Изучение Земли. Ключом к истории нашей планеты являются горные породы. Древнейшие из них имеют возраст 3.8 млрд. лет. Геологи составляют карту Земли, исследуют слагающие ее породы и пробираются в недра земной коры. Возраст, тип горной породы и обнаруженные в ней ископаемые остатки растений и животных помогают восстанавливать эпизоды истории Земли. Степень распада радиоактивных элементов в горной породе указывает время, когда она образовалась.

С глубин 200 км вещество недр Земли выносится на ее поверхность, и его можно исследовать. Вещество метеоритов рассматривается как реликтовый остаток прошлого, позволяющий делать вывод о типах вещества глубоких областей Земли. Также проводится зондирование земных недр сейсмическими волнами.

З.История представлений о Земле. Долгое время люди думали, что Земля плоская, хотя уже в VI в. до н.э, древнегреческие мыслители высказывали предположение о том, что она имеет форму шара. Великий математик Пифагор (ок. 580-500 гг. до н.э.) одним из первых предположил, что Земля имеет форму шара. В III в. до н.э. Эратосфен из Древней Греции, измерив дугу земного меридиана, обосновал шарообразную форму нашей планеты, заложив основы математической географии. Другой древнегреческий мыслитель Аристарх Самосский (320-250 гг. до н.э.) в том же веке высказал гипотезу о том, что Земля вращается вокруг Солнца, занимающего центральное положение во Вселенной. К сожалению, эта гениальная идея была отвергнута и забыта, и долгое время господствовало представление о центральном и неподвижном положении нашей планеты в космосе (геоцентризм), сформированное Аристотелем (384-322 гг. до н.э.) в IV в, до н.э. и развитое К. Птолемеем (ок.90-160) из Александрии Египетской. И только в XVI в. польский астроном Н.Коперник (1473-1543) доказал своими расчетами вращение Земли вокруг Солнца. А в XVII а. итальянский ученый Г.Галилей (1564-1642), впервые применив телескоп для изучения небесных явлений, подтвердил это экспериментально, Н.Коперник также высказал идею о вращении Земли вокруг своей оси, объяснив тем самым смену дня и ночи.

В соответствии с законами, установленными немецким астрономом И.Кеплером (1571-1630), Земля движется вокруг Солнца:

- по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце;

- быстрее, когда она ближе к Солнцу, и медленнее - когда она дальше от него.

Английский ученый И.Ньютон (1643-1727) объяснил движение Земли вокруг Солнца действием силы всемирного тяготения и показал, что ее форма несколько отличается от шарообразной.

Первые гипотезы о возникновении Земли начали появляться в XVIII в. Французский ученый Ж.Бюффон (1707-1788) полагал, что наша планета возникла в результате столкновения Солнца и кометы. При этом в окружающее пространство, по его мнению, было выброшено множество «брызг», и одна из них стала Землей.

Немецкий философ И.Кант (1724-1804) считал, что Солнечная система возникла из огромного холодного облака пыли. Частицы такого облака беспорядочно двигались, притягивали друг друга, сталкивались и соединялись, образуя сгущения, которые впоследствии стали Солнцем и планетами.

Французский астроном и математик П.Лаплас (1749-1827) предложил гипотезу, согласно которой наша планетная система образовалась из вращающегося раскаленного газового облака. Остывая, оно сжималось, формируя кольца, которые затем превратились в планеты и Солнце.

Английский ученый Дж.Джинс (1877-1946) предположил, что когда-то вблизи Солнца пролетала другая звезда, вырвавшая из него своим притяжением часть вещества, из которого и возникли планеты.

Согласно гипотезе российского ученого О.Ю.Шмидта (1891-1956) миллиарды лет назад Солнце было окружено облаком, состоящим из частиц холодной пыли и замерзшего газа, двигающихся вокруг него. Из-за взаимного притяжения они слипались, и со временем из таких сгустков образовались планеты.

По современным естественнонаучным представлениям Солнце, Земля и другие планеты возникли одновременно из холодных межзвездных пыли и газа. Такое вещество постепенно уплотнялось, сжималось, а затем распалось на несколько неравных частей. Самый большой сгусток впоследствии стал Солнцем, а из плотных сгустков образовавшегося вокруг него газопылевого облака, имевшего форму диска и вращающегося вокруг Солнца, образовались планеты. Однако до сих пор остается много неясного и спорного в вопросе о происхождении Солнечной системы и ее составной части - Земли.

4. Эволюция Земли.

В конце XVIII в. шотландский ученый Дж.Гаттон утверждал, что облик Земли постоянно меняется и что ее возраст равен нескольким миллионам лет.

Сейчас установлено, что Земля возникла примерно 4.6 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылевого облака. Такой же возраст у многих лунных пород и метеоритов (каменных и металлических обломков пород, периодически падающих на Землю из космоса), что подтверждает гипотезу об одновременном возникновении Солнца и планет.

Земле потребовалось около 100 млн. лет, чтобы она сформировалась в твердый шар. Столкновения частиц космического вещества раскалили планету, ее поверхность расплавилась, и Земля засветилась красным светом.

Затем в результате внутреннего радиоактивного распада планета раскалилась еще больше и расплавилась целиком. В центре ее сконцентрировалось железо, а из более легких веществ стали формироваться оболочки. Потом поверхность остыла, и образовалась земная кора. Газы, выходящие из вулканов, сформировали атмосферу, а водяные пары - гидросферу. Произошло это более 3.8 млрд. лет назад. Вода заполнила впадины в земной коре, образовав океаны. Вода могла попасть на нашу планету и из космоса.

Первые живые организмы появились на Земле более 3.5 млрд. лет назад. Более 2-х млрд. лет назад простейшие сине-зеленые водоросли в процессе фотосинтеза начали выделять кислород, который стал накапливаться в атмосфере. Кора раскололась на континенты более 1 млрд. лет назад. Постепенно соединяясь и удаляясь, они заняли современное положение, Материковый дрейф продолжается и в настоящее время.

5. Оболочки Земли.

Земля имеет следующие оболочки, или геосферы: ядро (внешнее и внутреннее), мантию, земную кору, гидросферу и атмосферу.

В центре Земли находится твердый железоникелевый шар (80% железа и 20% никеля) радиусом 1270 км - внутреннее ядро. Температура в нем колеблется от 3200 до 4500 градусов по Цельсию.

Его окружает внешнее ядро толщиной около 2200 км, состоящее из расплавленного железа, серы и никеля. С жидким ядром связана природа земного магнетизма.

Далее следует мантия - слой твердых горных пород, образованных в основном соединениями кремния. Толщина мантии в среднем составляет около 2800 км. Температура в нижней мантии приблизительно равна 3700° С, но из-за высокого давления горные породы не плавятся, и мантия остается твердой. Однако в верхней части мантии имеется слой частично размягченных и пластичных пород.

Земная кора - это верхний слой твердых горных пород, выходящий на поверхность Земли. Толщина земной коры на континентах достигает 75 км, а в

океанах в среднем равна 5 км. Температура на ее нижней границе примерно 1000° С. Половину массы земной коры составляет кислород, который находится в ней в основном в соединениях. Земная кора - источник разнообразных полезных ископаемых. Кора и самый верхний слой мантии составлены из отдельных частей -плит, скользящих по более глубокому размягченному слою мантии. Из-за этого движутся материки, а в местах стыка плит растут горы, возникают землетрясения и вулканы.

Гидросфера - это прерывистая водная оболочка Земли, расположенная между атмосферой и земной корой. Она представляет собой совокупность океанов и морей, вод суши, подземных вод, льда, снега, воды атмосферы и воды живых организмов. Основная масса гидросферы приходится на моря и океаны. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Это были бактерии и сине-зеленые водоросли. Воды гидросферы находятся в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой, что обеспечивает сложный круговорот воды на Земле.

Атмосфера - это газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферу удерживает около Земли сила гравитационного притяжения. Толщина ее около 2000 км, и состоит она в основном из азота и кислорода. Атмосфера обеспечивает живые организмы кислородом и углекислым газом; защищает их от вредного ультрафиолетового излучения Солнца; регулирует температурный режим на поверхности Земли, предотвращая ее сильное охлаждение в ночное время; предохраняет нашу планету от метеоритов, большинство из которых сгорают в ней. Биосфера - это оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь. Она включает верхний слой земной коры, гидросферу и нижний слой атмосферы. Этот термин был впервые введен в 1875 г. австрийским геологом Э.Зюссом (1831-1914). В настоящее время на биосферу оказывает сильное влияние антропогенная деятельность.

ЛУНА

Луна - это естественный спутник Земли, т.е. небесный объект, вращающийся вокруг нее под действием гравитационного поля. Естественные спутники других планет Солнечной системы также называют лунами.

Среднее расстояние от Земли до Луны равно 384400 км, наибольшее расстояние (в апогее) - 405500 км, а наименьшее (в перигее) - 363300 км. Радиус Луны - 1738 км. Период обращения вокруг Земли - 27 суток 7 часов 43 минуты (27.32 дней). Ускорение свободного падения на лунной поверхности составляет 1.63 м/с². Масса Луны - 7.35-10²² кг.

Атмосферы на Луне нет (имеются лишь небольшие количества водорода, гелия, неона и аргона в сильно ионизованном состоянии) из-за слабого гравитационного поля, которое не может удерживать массивную газовую оболочку. Из-за отсутствия атмосферы температура на поверхности Луны изменяется от +127° С в дневное время до -173° С к концу лунной ночи. Однако на глубине 1 м температура почти всегда постоянная. Небо над Луной черное, т.к. для образования голубого цвета необходима атмосфера, рассеивающая преимущественно голубую часть солнечного спектра. Из-за резких перепадов температуры во время лунных суток вода в жидком состоянии на ней находиться не может, поэтому на Луне не могут жить ни растения, ни животные. На Луне царит полная тишина.

Луна не испускает свет, а только отражает солнечные лучи. Гравитационное притяжение Луны вызывает приливы и отливы океанов на Земле. Обращаясь вокруг Земли, Луна предстает перед нами в различных формах или фазах в зависимости от того, какая часть освещенной поверхности Луны видна с Земли.

Луна вращается вокруг Земли так, что всегда повернута к нам одним полушарием, т.к. время одного оборота Луны вокруг Земли равно времени одного ее оборота вокруг собственной оси. Предполагают, что в ранние периоды своей истории Луна вращалась вокруг оси быстрее и, следовательно, поворачивалась к Земле разными частями своей поверхности. Но из-за близости массивной Земли в твердом теле Луны возникали значительные изменения, которые привели к замедлению ее скорости вращения. Процесс торможения Луны продолжался до тех пор, пока она не оказалась постоянно повернутой к нам только одной стороной. Ученые предполагают, что Луна медленно удаляется от нас.

Луна обращается вокруг Земли по эллипсу. В соответствии с законами И.Кеплера (1571-1630) Луна движется быстрее, когда находится ближе к Земле, и медленнее, когда она расположена дальше от Земли. Но вокруг оси Луна вращается равномерно. Когда Луна находится между Землей и Солнцем, наступает солнечное затмение, а когда Земля оказывается между Солнцем и Луной, происходит лунное затмение. Это бывает в полнолуние. Интервал между двумя лунными затмениями -29 суток 12 часов 43 минуты (29.53 суток). Лунные затмения убедили древних философов, что Земля круглая, т.к. тень Земли, падающая на Луну, всегда имела округлую форму. Впервые научился предсказывать лунные и солнечные затмения древнегреческий астроном Гиппарх (ок. 180-125 до н.э.), который также определил продолжительность земного года и расстояние от Земли до Луны.

Неровности на Луне обнаружил Г.Галилей (1564-1642) с помощью сконструированного им телескопа, дающего увеличение в 30 раз. Огромные равнины, покрытые лавой, вытекшей много лет назад из недр Луны, Галилей назвал морями. На поверхности Луны простираются огромные низменности и горные хребты. Высота гор может достигать нескольких километров.

Основной формой лунного рельефа являются кратеры. На видимой стороне Луны количество кратеров, диаметр которых больше 1 км, около 300000. Размеры кратеров колеблются от сотен километров до нескольких сантиметров. Возле самых молодых из них располагаются светлые полосы, которые расходятся во все стороны. Эти полосы могут быть вторичными кратерами, порожденными осколками метеорита, который образовал во время взрыва основной кратер, находящийся в центре. Согласно современным представлениям большинство кратеров Луны возникло при столкновении крупных метеоритов и небольших астероидов с ее поверхностью. Энергия, выделяемая при взрыве, испаряла не только вещество метеорита, но и часть пород в месте удара. Столкновения с очень крупными астероидами вызвали гигантские разломы в лунной поверхности, через которые вытекала жидкая расплавленная лава.

На Луне происходят от 600 до 3000 лунотрясений в год (на Земле ежегодно фиксируется в среднем около 100 тысяч землетрясений). Строение Луны изучено по сейсмическим данным, переданным на Землю приборами космических экспедиций «Аполлон». Согласно этим данным внутренняя структура Луны делится на несколько оболочек. Верхняя зона толщиной от 60 до 100 км называется лунной корой. Следующая оболочка толщиной от 250 до 400 км является верхней мантией. Толщина средней мантии от 500 до 600 км. В ней содержатся частично расплавленные породы. На глубине 600-800 км располагаются очаги лунотрясений. Твердая оболочка Луны (литосфера) кончается на глубине около 800 км. Мощная литосфера не позволяет лаве выходить на поверхность. Но раньше, миллиарды лет назад, на Луне были извержения вулканов. Нижняя мантия расположена глубже 1100 км. Ядро Луны, начинающееся на глубине 1500 км, возможно, состоит из сульфида железа. Луна имеет очень слабое магнитное поле, не превышающее одной десятитысячной доли земного магнитного поля. Зарегистрированы местные магнитные аномалии.

Происхождение Луны объясняют по-разному. Существует гипотеза, что Луна -это осколок Земли, оторвавшийся от нее миллионы лет назад в результате удара крупного метеорита. Согласно другой гипотезе Луна и Земля образовались около 4.6 млрд. лет назад из одного и того же газопылевого облака. Также существует предположение о захвате земным притяжением случайно пролетавшей мимо нее Луны.

В октябре 1959 года советский космический зонд «Луна-3», облетев вокруг Луны, передал на Землю первые снимки ее обратной стороны. В 1966 г. советский космический аппарат «Луна-9» совершил первую управляемую с Земли посадку на Луну. Следующая советская космическая автоматическая станция собрала образцы лунного грунта. Крупнейшим нашим достижением в освоении и изучении Луны являются луноходы, каждый из которых прошел по ее поверхности не менее 10 км и передал на Землю уникальные фотографии и научные данные. В июле 1969 года

американские астронавты Н.Армстронг и Э.Олдрин, выйдя из модуля космического корабля «Аполлон-11», ступили на Луну. Третий астронавт, принимавший участие в этом полете, М.Коллинз ждал их на борту командного модуля, находившегося на окололунной орбите. Впоследствии американцы совершили целый ряд лунных экспедиций. В 1971-1972 гг. американские астронавты передвигались по Луне на небольших, развивавших скорость 15 км/ч, вездеходах с электрическим двигателем. В конце 1972 г. на лунную поверхность опустился последний земной аппарат.

Схему полетов на Луну разработал один из основоположников ракетной техники в СССР Ю.В.Кондратюк (1897-1942) в 20-х годах XX века. Именно этой схемой воспользовались американцы для высадки своих астронавтов на лунную поверхность.

В СССР в 1964 г. была официально поставлена задача о полете на Луну советских космонавтов. В Центре подготовки космонавтов был сформирован лунный отряд, и три экипажа приступили к тренировкам. Однако после сообщения об удачном полете на Луну американских астронавтов программа подготовки наших космонавтов к лунной экспедиции была приостановлена.

Поверхностный грунт Луны изучен с помощью аппаратов «Луна», а также по образцам лунных камней, привезенных американскими астронавтами. Было установлено, что ни один камень, доставленный на Землю, никогда не подвергался воздействию воды и не содержал органических останков. Постоянная бомбардировка Луны крошечными метеоритами является причиной того, что вся ее поверхность покрыта слоем мелкого раздробленного спекшегося вещества. Этот тонкий слой лунной поверхности называют реголитом. Реголит является хорошим термоизоляционным материалом, поэтому уже на глубине несколько сантиметров сохраняется постоянная температура.

Изучение лунных пород, доставленных на Землю, позволило оценить возраст Луны на основе данных о радиоактивном распаде ядер. Было установлено, что камни на Луне стали твердыми около 4,4 млрд. лет назад.

В 1999 г. космический аппарат «Lunar Prospector» по команде с Земли сошел с окололунной орбиты и врезался в кратер в районе южного лунного полюса. До этого спутник кружил по орбите около Луны почти 18 месяцев и выявил некоторые свидетельства присутствия над кратером водорода - одной из составляющей воды. Были высказаны предположения, что на Луне может оказаться до 300 млн. т льда. Считалось, что от удара часть воды испарится и вместе с пылью будет выброшена вверх. Ученые надеялись, что затем водяные пары удастся обнаружить с помощью наземных и космических телескопов, Но, к сожалению, никаких следов воды выявить не удалось.

Обратная сторона Луны является идеальным местом для астрономических наблюдений: она защищает приборы от излучения с Земли. Отсутствие атмосферы на Луне делает возможным наблюдения в любом диапазоне, а также позволяет видеть даже слабые звезды круглые сутки. Когда-нибудь на Луне будут построены астрономические обсерватории, а с ее поверхности, вероятно, будут стартовать огромные космические станции, ведь сила тяготения на Луне в 6 раз меньше земной. Запасы железа, алюминия и кремния явились бы неплохим источником строительных материалов, а содержащиеся в горных породах водород и кислород -сырьем для получения воздуха и воды.