Гравитационное взаимодействие системы Земля – Луна. Система земля луна реферат

Курсовая работа - Гравитационное взаимодействие системы Земля – Луна

В. В. Орлёнок, доктор геолого-минералогических наук

Рассмотрим еще одно интересное явление, возникающее под действием взаимного притяжения планеты и обращающегося вокруг нее спутника. Внешним проявлением на Земле этого явления являются приливы и отливы в океане, в ходе которых уровень воды дважды в сутки поднимается и опускается до своих максимальных отметок. Это объясняется притяжением Луны между двумя последовательными одноименными кульминациями ее на меридиане данного места и обусловлено тем, что Земля вращается вокруг своей оси быстрей, чем Луна совершает свой полный оборот вокруг Земли. Поэтому интервал времени между двумя смежными циклами приливных явлений составляет 24 часа 50 мин.

Поясним это на примере (рис. 23). Представим Луну в виде материальной точки, расположенной на расстоянии r от центра Земли. Радиус планеты положим равным единице, т. е. R = 1, и рассмотрим, какое притяжение испытывают точки на поверхности Земли (А) на том же меридиане на противоположной стороне (В) и в центре – в точке (О). Пусть эти точки имеют единичную массу. Положив массу Луны m, для каждой точки в соответствии с законом тяготения можно написать выражения:

; ; . (IV.35)

Найдем разность ускорений силы тяжести материальных точек А и О:

.

Поскольку расстояние r и 2r много больше единицы, то последними можно пренебречь. В итоге получим:

. (IV.36)

Выражение (IV.36) характеризует приливообразующую силу внутри и на поверхности Земли, которая, как видим, обратно пропорциональна кубу расстояний между планетой и ее спутником.

Теперь вновь обратимся к рис. 23. Под действием силы dg точка А удаляется от точки О в направлении к Луне, образуя своеобразный горб на поверхности планеты – прилив. Но точка О в свою очередь также притягивается Луной на большую амплитуду, чем точка В, расположенная на обратной стороне Земли. Поэтому и на обратной стороне на поверхности планеты образуется приливное вздутие. Одновременно с двумя областями прилива, в точках квадратур, т. е. районах, отстоящих на 90° по меридиану от точек прилива, будет наблюдаться отлив. В ходе вращения Земли приливные волны дважды в сутки обходят ее поверхность. Высота прилива в океане не превышает 1 – 2 м. Однако, когда приливная волна подходит к шельфовому мелководью, она возрастает до нескольких метров. Волны прилива наблюдаются и в твердой коре и достигают 51 см при сложении поля тяготения Луны и Солнца. Приливное трение, возникающее при движении жидкой и в меньшей степени твердой волн, приводит к торможению осевого вращения Земли и ее спутника. По этой причине Луна уже давно прекратила свое вращение вокруг оси и постоянно обращена к планете одной стороной. Уменьшение скорости вращения Земли составляет 2 с за каждые 100 тыс. лет. За последние 450 млн. лет она уменьшилась с 21 часа 53 минут до 24 часов в настоящее время.

Поскольку масса Земли в 81 раз больше массы Луны, то величина приливного ускорения на поверхности спутника будет примерно в 20 раз больше, чем на Земле, и теоретическая высота твердого прилива может достигать нескольких метров.

В связи с этим возникает интересный вопрос о предельно допустимом расстоянии, на которое могут сблизиться спутник и планета в ходе своей эволюции. Для этого приравняем приливной потенциал Земли к ускорению свободного падения на поверхности Луны:

.

После преобразований получим:

= 1738»9400 км. (IV.37)

Здесь m, r0 – масса и радиус спутника; М – масса планеты; r – расстояние между планетой и спутником. Полученное выражение называется пределом Роша. Спутник, попавший внутрь предела Роша вследствие многокилометровой приливной волны, будет неизбежно разрушен и превращен в каменное кольцо вокруг планеты. Не менее катастрофичными станут последствия такого сближения и для планеты. Гигантский приливный горб высотой многие сотни метров, прокатившись многократно по мере сближения спутника по поверхности, перемелет в пыль горы и равнины, реки и моря планеты, а приливное трение раскалит поверхность разрушившихся пород. Резко затормозится скорость вращения планеты, что вызовет изменение ее фигуры и сопутствующие этому процессу землетрясения. Поверхность планеты претерпит катастрофические разрушения. В свете сказанного гипотеза об образовании Тихого океана путем отрыва Луны представляется просто наивной. При входе в зону Роша она была бы превращена в пыль, сквозь которую мы до сих пор не могли бы видеть солнечного света, не говоря уже о том, что в геологической истории Земли подобной катастрофы не запечатлено.

Приливы

Луна, находясь в поле тяготения Земли (и обе планеты – в поле солнечного притяжения), оказывает воздействие на массу самой Земли. Вследствие больших размеров и массы Земли относительно ее спутника (rл/rз = 0,27; mл/mз = 1,2×10-2) различные точки Земли под влиянием поля тяготения Луны будут испытывать неодинаковые возмущения по отношению к центру массы. Величина этих возмущений зависит от положения тел. В зените (z = 0) или в надире (z = 180°) притяжение максимальное: 0,166 см/с2 для Луны и 0,061 см/с2 – для Солнца; при положении тел в горизонте (z = 90°) притяжение тел минимальное: ‑0,083 см/с2 для Луны и -0,003 см/с2 для Солнца; нулевые значения достигаются при z = 54°44? и z = 125°16?.. Величина статического прилива составляет для Луны от 35,6 до -17,8 см, для Солнца – от 16,4 до ‑8,2 см. Следовательно, размах амплитуды лунных приливов равен 53,4 см, солнечных – 24,6 см; суммарное влияние составляет 78 см (Мельхиор, 1975). Полученные значения теоретической высоты статического прилива верны для жидкой модели Земли. В абсолютно твердой земле никаких деформаций поверхности не происходило бы. Данные непосредственных наблюдений показывают, что высота реального прилива составляет 65 %, или около 51 см от теоретического. Иными словами, земной шар отличается от жидкой модели и от абсолютно твердого тела. Это хорошо согласуется с предыдущими выводами относительно вязкости и жесткости.

В массовом отношении полученный гравитационный эффект равен Dg/g » 0,2/106, т.е. масса в 1 т (106 г) изменяется в результате лунно-солнечного притяжения на 0,2 г. На первый взгляд это незначительная величина, однако если сравнить ее с массой всей Земли, перисферы или гидросферы, наиболее подверженных приливным возмущениям, то получаются внушительные цифры: изменение массы Земли составит 11,948×1020 г (Мз = 5,974×1027 г), перисферы – 1018 г (Мп = 9×1025 г), гидросферы – 3,3×1017 г (Мг = 1,64×1024 г). Если учесть, что эти гигантские массы смещаются в теле Земли регулярно, периодически, на протяжении многих миллионов лет, то становится более понятной роль гравитационного взаимодействия Земли, Луны и Солнца в эволюции протовещества планеты. Представление величины приливного потенциала

(IV.38)

в сферической системе координат позволяет разложить его на три лапласовы составляющие, которые получили название зональных, секториальных и тессеральных волн (рис. 24).

Распределение секториальных волн прилива происходит в широтном направлении. Узловые линии, или фронт волны, имеют меридиональное простирание – от полюса до полюса. Максимальная амплитуда прилива достигается на экваторе в полосе шириной от 10° с.ш. до 10° ю.ш. с постепенным уменьшением к полюсам, где функция W принимает нулевое значение (рис. 25). Положительное значение W, соответствующее области прилива, функция принимает в зените и надире, отрицательное, соответствующее отливу, – в квадратурах. Доминирующая секториальная волна обозначается индексом M2. Она имеет полусуточный период (12 ч 25 мин). Этот прилив вызывает внутреннее трение за счет волн, обрушивающихся на протяженную линию побережий Тихого, Атлантического и Индийского океанов, и ответственен за некоторую часть векового замедления скорости вращения Земли. Одновременно с волной M2 появляются еще две лунные волны – N2 и L2 с периодами, близкими к периоду доминирующей волны.

K1, O1, Р1 – тессеральные суточные приливные волны; M2, S2, N2 – секториальные полусуточные волны

Тессеральный прилив имеет более сложный фронт: узловые линии располагаются по меридиану и экватору. При этом максимум волны

достигается на широтах 45° с.ш. и 45° ю.ш. На экваторе и полюсах функция W = 0. Тессеральному приливу соответствуют главная фаза М1 и две близкие по периоду волны К1 и О1. Их период равен звездным суткам. Несимметричность тессерального прилива относительно экватора и различная амплитуда его в северном и южном полушариях обусловливают прецессию и нутацию земной оси за счет изменения главного момента инерции Земли.

Зональный прилив (см. рис. 24) зависит только от широты. Его фронтом являются 35° с.ш. и 35°16? ю.ш. Максимальная амплитуда достигается на полюсах. Поскольку склонение Луны изменяется с периодом 27,321 средних звездных суток, период зонального прилива составляет 14 суток. Зональный прилив определяет сжатие Земли. Перераспределение масс на полюсах и экваторе (прилив на полюсах ведет к образованию отлива на экваторе) приводит к изменению экваториального и полярного моментов инерции, что вызывает изменение главного момента инерции и периодические колебания скорости вращения Земли (Мельхиор, 1975).

В результате вращения узлов лунной орбиты с периодом Т0 = = 18,613 года образуется дополнительная волна прилива, амплитуда которой сравнима с амплитудой месячного прилива. Сложение ее с главной волной зонального прилива приводит к настолько сильному перераспределению масс в теле Земли и перисфере, что это находит выражение в периодичности землетрясений и вулканизма Тихоокеанского подвижного пояса. В частности, прогноз 19-летних циклов составляет до 94 % для сильных землетрясений с магнитудой М ³ 7 и глубиной очагов 0 – 600 км, а также для мощного вулканизма.

Кроме перечисленных волн имеются аналогичные им солнечные приливные волны несколько меньшей амплитуды, которые, складываясь с лунными, усиливают их.

Гармонический анализ только месячной серии приливных наблюдений позволяет выделить еще целый ряд волн. В частности, по разложению Дудсона получается 115 секториальных полусуточных, 158 тессеральных суточных, 99 зональных долгопериодных и 14 секториальных третьесуточных волн. Взаимодействие всех этих фаз приводит к сложнейшим взаимным перемещениям возмущающих масс вещества в теле Земли и на поверхности. При этом наибольшей амплитуды перемещения достигнут, очевидно, в разуплотненных зонах астеносферы и внешнего ядра. Это должно способствовать ускорению термогравитационной дифференциации и самих химических реакций. В периоды сизигий в результате сложений лунно-солнечного потенциала тяготения процессы станут резко усиливаться. Перемещение вещества будет происходить из зоны квадратур. Таким образом, земное вещество в разуплотненных зонах благодаря приливному взаимодействию на протяжении всей истории Земли находилось в постоянном и сложном движении.

Как следует из выражения для приливного потенциала (IV.38), где величина определяет амплитуду, а – фазу, амплитуда возмущений уменьшается по мере удаления от поверхности Земли к ее центру, так как в числителе стоит квадрат земного радиуса, а в знаменателе – куб расстояния от спутника. Следовательно, приливное взаимодействие наибольшей амплитуды достигает в верхах перисферы Земли, а также в астеносфере и «жидком» ядре. Это и находит свое выражение в корреляции вулканизма и землетрясений с периодами лунно-суточных приливов.

Эволюция системы Земля – Луна

Уменьшение скорости вращения Земли на 2 с за 105 лет устанавливается астрономическими измерениями. Это замедление не является флуктуирующим или случайным. Анализ эфемеридного времени, в частности, по солнечным затмениям шумерских, вавилонских, египетских и других наблюдений, выполненных более 2000 лет назад и имевших внутреннюю согласованность, дает ту же величину – 2 с за 105 лет (Мельхиор, 1975). Палеонтологические наблюдения ископаемых кораллов палеозойского возраста обнаруживают заметные различия в количестве суточных поясков по сравнению с современными кораллами. Один такой поясок соответствует световому дню, в течение которого он наращивается. По количеству поясков удается установить продолжительность года в различные геологические эпохи. Эти результаты приведены в табл. IV.1

Таблица IV.1

Изменение продолжительности года и суток в фанерозое

(по П. Мельхиору, 1975)

Из табл. IV.1 видно, что, начиная с силура, т.е. за 440 млн. лет, продолжительность суток увеличилась на 2,47 ч и возрастание происходило линейно со средней скоростью, составляющей 1,9 с за 105 лет.

Таким образом, три независимых источника дают один порядок закономерного и прогрессивного уменьшения скорости вращения Земли вокруг своей оси. Линейный характер этого процесса на протяжении фанерозоя свидетельствует об его устойчивости и отсутствии каких-либо катаклизмов. Вследствие уменьшения скорости вращения Земли происходит обмен моментами количества движения с Луной. В результате уменьшалась скорость вращения Луны вокруг своей оси и одновременно возрастало расстояние между Землей и Луной. В итоге этой эволюции в будущем можно ожидать прекращения вращения Земли вокруг своей оси и система Земля – Луна, достигнув минимума энергии, будет вращаться вокруг центра масс подобно гантели: планеты будут всегда обращены друг к другу одной стороной. В ходе приливного торможения при достижении равенства моментов орбитального удаления Луны и скорости вращения Земли спутник может начать обратное вращение вокруг своей оси. Например, из 13 спутников Юпитера 9 вращаются в прямом направлении, а 4 – в обратном. Систему, видимо, близкую к гантели, имеют Меркурий и Солнце, ибо, находясь ближе всех планет к светилу, Меркурий испытывает наиболее мощное гравитационное торможение вращения со стороны солнечных приливов.

Если в первом приближении предположить, что скорость приливного замедления вращения Земли сохранялась на протяжении всей ее геологической истории, то, экстраполируя ее на время 4,5×109 лет, получим скорость вращения протопланеты, равную 1,77 ч. Современная скорость вращения Луны вокруг своей оси в 27 раз меньше скорости вращения Земли. Следовательно, можно предположить, что Луна в первый раз остановила свое вращение 4,5×109/27 = 1,66 ×108 лет назад. Ввиду малого момента инерции спутника относительно момента инерции Земли спутник после остановки должен был начать обратное вращение под влиянием поля тяготения Земли, продолжая при этом удаляться от нее.

Поскольку не вся энергия гравитационного взаимодействия расходуется на торможение (часть ее рассеивается на тепло), полученная цифра может быть несколько иной. Тем не менее период 170 млн. лет совпадает с циклами тектонической активности фанерозоя.

По расчетам П. Мельхиора (1975), замедление угловой скорости вращения Земли составляет около +4,8×10-22 с-2, а замедление скорости удаления спутника, согласно третьему закону Кеплера, – 3,6 см/год. Энергия современных приливов равна 8,1×1019 Дж/год. Среднее современное расстояние спутника от Земли равно 3,844×1010 см. Если удаление шло также равномерно, как и замедление вращения, что, очевидно, взаимосвязано, то при скорости 3,6 см/год за 4,5×109 лет имеем расстояние, равное 1,62×1010 см. Следовательно, сразу после образования планет спутник находился на расстоянии в 2,4 раза меньше современного. Однако этот расчет сделан без учета эволюции Мирового океана, дающего наибольший вклад в процесс замедления скорости вращения (приливное торможение).

Приливные силы разрушают спутник на расстоянии ближе 2,34 радиуса, т.е. 14908,14 км от Земли. Это так называемый предел Роша. Герстенкорн предположил, что 1400 – 1600 млн. лет назад Луна была захвачена Землей и находилась на расстоянии немного большем предела Роша (Ботт, 1974). Однако в докембрийской геологии это событие не нашло отражения, ибо оно соответствовало бы образованию катастрофических приливов как в теле Земли, так и ее спутника. Значит, есть основания предположить, что современная скорость приливного торможения не всегда была таковой, а на протяжении длительного времени имела много меньшее значение. Но, согласно полученным нами (Орлёнок, 1980, 1982) данным, крупные и глубокие океанские бассейны появились на Земле лишь в конце палеогена, т.е. 25 – 30 млн. лет назад. Существовавшие же на протяжении большей части докайнозойской истории небольшие мелководные бассейны типа современных шельфовых морей исключали возможность получения сильного приливного торможения.

С учетом сказанного оценим ближайшее расстояние, которое занимала Луна в прошлом по отношению к Земле. За 30 млн. лет Луна удалилась на расстояние 3,6 см/год´30×106 лет = 108×106 см, т.е. на 1080 км. В докайнозойскую эпоху вследствие слабого приливного торможения скорость удаления ее была по меньшей мере на порядок ниже современной 0,36 см/год´4,5×109 лет = 1,62×109 см, т.е. удаление составило 16200 км. Следовательно, Луна и Земля в момент своего образования находились всего на 17 – 20 тыс. км ближе, чем сейчас, что не могло существенно повлиять на величину тогдашних твердых и жидких приливов.

Таким образом, наибольшее приливное торможение Земля испытала в конце первой крупной фазы океанизации, т.е. в конце палеогена – начале неогена. Но при большей скорости вращения земной шар должен был иметь сжатие с полюсов и, следовательно, большее вздутие по экватору. Из наблюдений эволюции спутника Земли было установлено, что планета имеет избыток экваториального вздутия, равный 70 м. Этот избыток не соответствует современной скорости вращения. Он возник в доокеанскую эпоху (25 – 30 млн. лет назад) при большей, чем современная, скорости вращения планеты. Очевидно, Земля не находится в состоянии гидростатического равновесия. Подобное запаздывание в приобретении ею гидростатического равновесия при постепенном приливном уменьшении скорости вращения позволяет оценить вязкость нижней мантии в 1025 Па×с (Ботт, 1974), а это исключает возможность существования конвекции в мантии и оболочке Земли, что подтверждается к тому же и их существенной вертикальной и горизонтальной неоднородностью. Следовательно, конвекционный механизм плитовой тектоники построен на широких допущениях и предположениях, в природе реально неизвестных.

Рассмотрим теперь эффект быстрого вращения протопланеты. Согласно выводам Пуанкаре, существует некоторый предел между угловой скоростью вращения планеты и ее массой, при переходе которого центробежные силы вращения превзойдут силы внутреннего притяжения и планета рассыплется. Это условие имеет вид:

, (IV.39)

где rm – средняя плотность планеты.

Приведем оценку для Земли. Так как

,

то, подставляя это значение в неравенство (IV.39) и предположив , получим:

.

После подстановки численных значений a, g, r0, rm находим:

. (IV.40)

Таким образом, в неравенство (IV.40) входит только средняя плотность планеты, т.е. размеры не играют роли. Для современной Земли Т = = 24 ч, rm = 5,52 г/см3, следовательно, Т = 24>1,15 и условие Пуанкаре выполняется полностью и с большим запасом. Это значит, что современная Земля представляет собой консолидированное тело. Однако для периода вращения протопланеты имеем

.

Одинаковый порядок сил тяготения и центробежной силы ранней Земли указывает на весьма слабое сцепление масс протовещества, даже с поправкой на меньшую первоначальную среднюю плотность (rm = 3,34 г/см3). В этих условиях выполнение предположения Герстенкорна привело бы к краху планеты и спутника: сильный прилив вытянул бы протовещество, что могло привести к их слиянию. Если бы Луна обладала такой же скоростью первоначального вращения, как и Земля, то неравенство Пуанкаре имело бы в этом случае вид: Т = = 1,77>1,15. Величины тоже предельные.

В итоге мы должны признать, что они позволяют оценить характер и направленность эволюции системы Земля – Луна. Все имеющиеся данные указывают на то, что первоначальная скорость вращения протопланет была больше современной, а их гравитационное взаимодействие заметно сильнее вследствие более близкого расположения их на орбите.

В этих условиях становятся понятными причины быстрого разогрева планет, образование термореакционных зон внутри Земли и раннее образование коры на Луне. Приливные перемещения частиц протовещества планет способствовали быстрому выделению огромных количеств тепла и разогреву планет. Судя по тому количеству тепла, которое дают оставшиеся долгоживущие уран, торий, калий и другие элементы, нет основания ожидать, что этот разогрев мог иметь место только за счет распада короткоживущих изотопов (Орлёнок, 1980).

www.ronl.ru

Система Земля-Луна

Видимое движение Луны.

Луна — ближайшее к Земле небесное тело и ее естественный спутник. Луна делает один оборот вокруг Земли за 27,3 сут. и с таким же периодом вращается вокруг своей оси, поэтому с Земли видно только одно ее полушарие. Обратную сторону Луны впервые удалось увидеть только 7 октября 1959 г., когда советская автоматическая станция «Луна-3» облетела Луну и сфотографировала ее обратную сторону, передав снимки на Землю.

Видимое перемещение Луны происходит неравномерно, потому что Луна движется в пространстве по эллиптической орбите, в одном из фокусов которой находится центр Земли. Большая полуось лунной орбиты а = 384 400 км = = 60,ЗR⊕ (R⊕ — радиус Земли), эксцентриситет е = 0,055.

Луна, подобно Земле, представляет собой темный непрозрачный шар, светящий отраженным солнечным светом. Солнце всегда освещает примерно половину этого шара, другая половина остается темной. Но так как к Земле обыкновенно бывают обращены и часть светлого видимого полушария, и часть неосвещенного, то Луна большую часть времени кажется нам неполной. Различают четыре основные фазы Луны: новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть.

На рисунке показаны положения Луны относительно Земли и Солнца для различных фаз.

Интервал времени между двумя последовательными новолуниями, равный 29,5 сут., получил название синодический месяц (период). Синодический месяц лежит в основе лунного календаря.

Солнечные и лунные затмения.

Периодически Луна частично или полностью заслоняет Солнце — такое явление называется солнечным затмением, оно может произойти во время новолуний. Когда Луна попадает в тень Земли, наступает лунное затмение, которое может наступить во время полнолуний. Вследствие наклона лунной орбиты к эклиптике эти явления происходят не каждый месяц, а значительно реже. На протяжении календарного года происходят от 2 до 5 солнечных затмений и от 0 до 3 лунных затмений.

Еще древние вавилоняне заметили, что все затмения повторяются в том же порядке примерно через 18 лет и 11 дней. Этот период у древних вавилонян назывался циклом Сароса (в переводе с египетского арос — повторение), им пользовались для предсказаний затмений.

Приливные явления

Под действием лунного притяжения водная оболочка Земли принимает слегка вытянутую в сторону Луны (и противоположную сторону) форму. Там, где Луна выше всего над горизонтом и где ниже всего под горизонтом, будет прилив. На восходе и заходе Луны будут наблюдаться отливы. Действительно, ближайшая к Луне точка А будет испытывать большее притяжение к Луне, чем центр Земли Е и точка С (эти силы отмечены синим цветом).

Разница сил между точками А и Е называется приливной силой (отмечена черной стрелкой), и она направлена от центра Земли к Луне. В точке В приливная сила направлена в противоположную сторону от Луны, а в точках С и D приливная сила направлена к центру Земли. Таким образом, вода под действием приливной силы будет оттекать из С и D (отлив) и собираться в А и В (прилив).

Во время приливов уровень воды плавно нарастает, достигая наибольшего значения, а затем постепенно снижается до низшего уровня. Вследствие вращения Земли приливные выступы образуются в каждый следующий момент уже в новых точках земной поверхности. Максимумы подъемов воды чередуются через определенные 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. Максимальные приливы бывают, когда Луна находится выше всего над горизонтом и ниже всего под горизонтом. Из-за движения Луны вокруг Земли Луна проходит выше всего над горизонтом как раз через 24 ч 52 мин. Это указывает на взаимосвязь между Луной и приливами. Действительно, явление приливов вызывается притяжением Луны.

Солнце, как и Луна, также вызывает приливы. Несмотря на большую удаленность от Земли, но 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 вычитается из действия Луны, и приливы бывают существенно меньшими.

Луна движется вокруг Земли по эллиптической орбите. Смена лунных фаз определяется изменением вида освещенной стороны Луны. Движением Луны вокруг Земли объясняются лунные и солнечные затмения. Явление приливов и отливов обусловлено притяжением Луны и большими размерами Земли.

Астрономия. 11 класс - Конспекты по учебнику «Физика-11» (Мякишев, Буховцев, Чаругин) - Класс!ная физика

Видимые движения небесных тел --- Законы движения планет --- Система Земля—Луна --- Физическая природа планет и малых тел солнечной системы --- Солнце --- Основные характеристики звезд --- Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности. Эволюция звезд --- Млечный Путь — наша Галактика --- Галактики --- Строение и эволюция Вселенной --- Кратко о солнечной системе и строении Вселенной

Устали? - Отдыхаем!

Вверх

class-fizika.ru

Реферат - Урок №8. Система «земля и луна»

УРОК №8. СИСТЕМА «ЗЕМЛЯ И ЛУНА».

Движение Земли вокруг Солнца. Годичный параллакс.

Орбита Луны и ее возмущения.

Видимое движение и фазы Луны.

Периоды обращения Луны.

Вращение и либрации Луны.

Покрытия светил Луной. Солнечные затмения.

Покрытие Луны Землей. Лунные затмения.

Условия наступления затмений. Сарос.

1. Движение Земли вокруг Солнца. Годичный параллакс.

Так как мы с вами вместе с Землей движемся в пространстве вокруг Солнца почти по окружности, то направление с Земли на близкие звезды должно меняться. Нам будет казаться, что звезда описывает эллипс в течение земного года. Это конечно видимое, а не действительное движение звезды. Этот эллипс называется параллактическим. Чем ближе звезда к полюсу мира, тем больше похож эллипс на окружность, чем ближе звезда к эклиптике, тем больше эллипс превращается в дугу эклиптики. Ну и, конечно, чем дальше звезда, тем меньшего размера эллипс. Угол, под которым со звезды был бы виден средний радиус земной орбиты при условии, что направление на звезду перпендикулярно радиусу, называется годичным параллаксом π звезды. Собственно говоря, годичный паралакс “π” проявляется в сдвиге близких звезд на фоне далеких в течение года из-за движения Земли вокруг Солнца. Расстояние, которое соответствует параллаксу в одну секунду, называется парсеком и равно 3.26 светового года. Ближайшая к нам звезда Проксима Центавра находится от нас на расстоянии 4,26 с.г. или 1.3 пк, т.е. ее годичный параллакс меньше одной секунды. Для сравнительно близких звезд, удаленных на расстояние, не превышающие нескольких десятков парсек, расстояние определяется по параллаксу способом, известным уже двести лет. При этом измеряют ничтожно малые угловые смещения звезд при их наблюдении с разных точек земной орбиты, то есть в разное время года. Расстояние до звезды в парсеках определяется по формуле:

R=а.е./sin π=206265 а.е./ π.=1/ π (пк) 1 пк = 3,26 св. года = 206 265 а.е. = 3∙1015 м.

^ 2.Орбита Луны и ее возмущения.

Орбита невозмущенного движения Луны вокруг Земли есть эллипс, большая полуось которого равна 384400 км. В перигее расстояние от Луны до Земли меньше на 21000 км, а в апогее – на столько же больше. Плоскость лунной орбиты наклонена к плоскости эклиптики в среднем под углом 5˚. Луна движется вокруг Земли в направлении с запада на восток, сдвигаясь за сутки примерно на 13˚. Полный оборот Луна совершает за 27,3 земных суток. Этот период обращения вокруг Земли в системе отсчета, связанной со звездами, называется сидерическим месяцем. А дальше все становиться сложнее. Так как Луна испытывает возмущения от Земли и Солнца, то та траектория, по которой движется наш спутник, начинает вытворять неприятные вещи. Во-первых, плоскость орбиты покачивается, и угол ее наклона к эклиптике меняется, во-вторых, сама орбита или можно сказать ее плоскость вращаются, совершая полный оборот за 18 лет 7 месяцев. Из-за этого точки пересечения лунной орбиты с эклиптикой (восходящий и нисходящий узлы) движутся навстречу Солнцу и Луне. Именно с вращением лунной орбиты связаны нутации земной оси, имеющие такой же период. За каждый оборот Луны вокруг Земли перемещение узлов составляет около 1,5˚, следовательно, по истечении звездного месяца Луна никогда не возвращается в точности к прежнему положению, и каждый следующий оборот совершает, строго говоря, по новому пути. И только через 18 лет после полного оборота узлов по эклиптике, плоскость лунной орбиты займет опять прежнее положение.

^ 3. Видимое движение и фазы Луны.

Наблюдаемое движение Луны сопровождается непрерывным изменением ее внешнего вида. В некоторые дни Луна совсем не видна на небе. В другие дни она имеет вид узкого серпа, полукруга или полного круга. Различные формы видимой освещенной Солнцем части Луны называются ее фазой. Величиной фазы называется освещенная доля диаметра, перпендикулярного линии, соединяющей концы серпа (ВС/АВ). Лунные фазы объясняются тем, что Луна подобно Земле является темным, непрозрачным телом и при движении вокруг Земли занимает различные положения относительно Солнца.

Из-за удаленности Солнца его лучи практически параллельно падают на лунную поверхность и освещают ровно половину шара. В зависимости от того, какую долю освещенной поверхности Луны мы в настоящую момент видим на Земле такова и фаза Луны. Линия, отделяющая темную часть диска от светлой называется терминатором. Угол ψ с вершиной в центре Луны между направлениями к Земле и к Солнцу называется фазовым углом. Различаются четыре основные фазы луны: новолуние, первая четверть, полнолуние, последняя четверть. Во время новолуния Луна проходит между Солнцем и Землей (соединение) ψ=180˚к Земле обращена темная часть Луны и она не видна на небе. Дня через два после новолуния Луна видна в виде узкого серпа на западе, в лучах вечерней зари, вскоре после захода Солнца. Через семь суток после новолуния наступит первая четверть, Луна примет форму полукруга. Луна находится в восточной квадратуре, ψ=90˚, к Земле обращена половина освещенного и половина неосвещенного полушария Луны. Во время полнолуния Луна находится в противостоянии с Солнцем ψ=0˚, и к Земле обращено все освещенное полушарие Луны. Луна видна в течение всей ночи. После полнолуния Луна начинает «убывать», с западной стороны ее диска появляется «ущерб». Через семь дней после полнолуния Луна опять видна в виде полукруга. Наступает последняя четверть, Луна находится в западной квадратуре, и видна во второй половине ночи, вплоть до восхода. Далее мы уже видим узкий серп на востоке, незадолго перед восходом Солнца. Через два три дня лунный серп исчезает, чтобы опять родится на западе. Соединение Луны с Солнцем во время новолуния и противостояние во время полнолуния называются сизигиями. В эти дни на Земле самые большие приливы.

^ 4. Периоды обращения Луны.

Промежуток времени между двумя последовательными одноименными фазами Луны называется синодическим месяцем. Математическая связь синодического и сидерического периода обращения Луны та же, что и для внутренних планет.

Таким образом, синодический месяц длиннее сидерического. Это легко понять и по рисунку, на котором положение 1 соответствует взаимному расположению Земли, луны и Солнца в момент полнолуния. Через 27,32 суток, Луна, сделав полный оборот по своей орбите, займет прежнее положение относительно звезд, но Земля за это время сместится в положение 2, и полнолуние еще не наступит. Оно наступит спустя некоторое время, когда Земля займет положение 3.

Кроме вышеуказанных существуют еще три периода обращения Луны - аномалистический, драконический и тропический, все они связаны с возмущениями орбиты Луны.

^ Вращение и либрации Луны.

Луна обращена к земле всегда одной стороной, одним и тем же полушарием, так как она вращается вокруг своей оси с тем же периодом и в том же направлении, с каким она обращается вокруг Земли, т.е. сутки на Луне составляют 27.3 земных суток. В результате мы видим только одно полушарие Луны. Правда, если бы ось вращения Луны бала наклонена значительно к плоскости эклиптики, мы могли бы видеть то южные, то северные области Луны. Природа поступила иначе. Ось вращения Луны наклонена к плоскости лунной орбиты под углом 83˚19΄, т.е. плоскость лунного экватора составляет с плоскостью лунной орбиты угол 6˚41΄, а с плоскостью эклиптики, по которой вращаемся мы 6˚41΄ - 5˚38΄=1˚3΄. При этом плоскость эклиптики лежит между плоскостями лунного экватора и орбиты Луны и все три плоскости пересекаются по одной линии. Последнее замечательное обстоятельство называется законом Кассини. Но, тем не менее, продолжительные наблюдения все-таки позволяют увидеть с Земли 60% поверхности Луны. Это возможно благодаря явлениям, носящим название либраций Луны.

Оптические, или видимые, либрации, при которых Луна в действительности никаких «колебаний» не совершает, бывают трех видов: по долготе, по широте и параллактические. Либрация по долготе связана с эллиптичностью орбиты Луны, в перигее она движется быстрее, а в апогее медленнее и это дает возможность как бы заглянуть за край диска Луны почти на 8˚. Либрации по широте возникают из-за наклона орбиты Луны к плоскости эклиптики. Величина этой либрации составляет почти 7˚. Параллактическая либрация возникает благодаря тому, что Луна недалеко от Земли, и с разных сторон нашей планеты мы видим немного разные части нашей спутницы. Параллактическая либрация составляет примерно 1˚. Физическая либрация, т.е. действительное «качание» Луны, связанное с влиянием Земли очень невелико и составляет всего 2΄΄.

^ Покрытия светил Луной. Солнечные затмения.

При своем движении вокруг Земли Луна может пройти перед более далеким светилом и своим диском заслонить его. Это явление носит название покрытия светила Луной. Наблюдения покрытий Луной звезд и планет помогают уточнить теорию движения Земли и Луны, в последнее время эти наблюдения стали привлекаться для прямых измерений размеров звезд. Покрытие нашей звезды Солнца Луной носит название солнечного затмения. Диск Солнца будет полностью закрыт только для наблюдателя, находящегося внутри конуса лунной тени, максимальный размер которого на поверхности Земли не превосходит 270 км. Это полное солнечное затмение. В областях, куда падает полутень, будет частичное солнечное затмение. Солнечный диск будет закрыт только частично. Так как расстояние от луны до Земли меняется, то вершина конуса тени иногда не доходит до поверхности, и мы можем наблюдать редкое явление кольцевого затмения. Тень от луны перемещается по Земле с запада на восток. Полная фаза солнечного затмения длится не более 7 минут. В этот момент яркая солнечная корона выступает во всем своем величии. На небе в момент затмения становится видны звезды и планеты. Очевидно, что солнечные затмения происходят только в период новолуния.

^ 7. Покрытие Луны Землей. Лунные затмения.

Земля, освещаемая Солнцем отбрасывает от себя тень в сторону противоположную Солнцу. Так как диаметр Солнца больше диаметра Земли, то ее тень тоже будет иметь конусную форму, подобно лунной тени. Диаметр земной тени на расстоянии Луны превышает диаметр нашего спутника в 2,5 раза. При своем движении вокруг Земли Луна может попасть в конус земной тени и тогда произойдет лунное затмение. Так как Луна движется с запада на восток, то первым входит в земную тень восточный край Луны. На нем появляется ущерб, который постепенно увеличивается, и видимый диск Луны принимает форму серпа, отличающегося от серпа лунных фаз тем, что линия, отделяющая светлую и темную часть, представляет собой дугу окружности с радиусом, приблизительно в 2,5 раза больше радиуса лунного диска, т.е. проекция тени Земли, а не полуэллипс, как у терминатора.

Если Луна полностью войдет в тень Земли, то произойдет полное затмение, в противном случае затмение будет частным. Так как диаметр земной тени может превышать диаметр Луны до 2,8 раза, то полное затмение может продолжаться до двух часов. Во время полного затмения Луна продолжает быть видимой, она светится буро-красным светом, который обусловлен солнечным светом, преломившимся и рассеявшимся в атмосфере Земли. И, наконец, понятно, что затмения Луны могут происходить только во время полнолуний.

^ 8. Условия наступления затмений. Сарос.

Если бы плоскость лунной орбиты совпадала с плоскостью эклиптики, то солнечные и лунные затмения происходили бы каждый синодический месяц, но плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости эклиптики на 5˚09΄, поэтому Луна во время новолуния или полнолуния может находиться далеко над или под прямой Земля – Солнце, и тень от Луны не попадет на Землю или тень от Земли не попадет на Луну, и никакого затмения не произойдет. Чтобы произошло солнечное затмение, необходимо чтобы Луна находилась во время новолуния вблизи узла своей орбиты, т. е. недалеко от эклиптики, а точнее на расстоянии ±16,5˚. Дугу эклиптики в 33˚ Солнце пройдет за 34 дня, а за это время обязательно наступит хоть одно новолуние, а может быть и два. Следовательно, каждый год бывает минимум два солнечных затмения, но может быть и четыре. Редчайшая возможность это пять солнечных затмений в год.

Лунное затмение, хотя бы непродолжительное возможно, если центр земной тени отстоит от лунного узла на ±10,6˚. Тень Земли движется по эклиптике с такой же скоростью, что и Солнце, т.е. 56΄ в сутки и проходит расстояние в 21,2˚ за 21,6 суток. Синодический период Луны 29,5 суток, поэтому вполне возможно, что в этом месяце лунного затмения не будет. Более того, следующее лунное затмение может произойти только через полгода вблизи другого узла орбиты, но по тем же причинам его тоже может не быть.

Таким образом, на протяжении года может не произойти ни одного лунного затмения, обычно два, а самое большее их может быть три.

Последовательность затмений повторяется почти точно в прежнем порядке через промежуток времени, который называется саросом. Сарос, известный еще в древности, составляет 18 лет 11 суток 7 часов. В течение каждого сароса происходит 70 затмений, из них 41 солнечное и 29 лунных. Солнечные затмения происходят чаще лунных, но в любой конкретной точке Земли мы чаще наблюдаем лунные затмения, так как они видны на целом полушарии, а солнечные только в узкой полосе. Особенно редко удается увидеть полные солнечные затмения, хотя в течение сароса их бывает 10 штук. Чаще, чем одно в два года. Но в конкретной точке поверхности полное солнечное затмение можно видеть примерно один раз в 200-300 лет. Для России полное затмение 1 августа 2008 года было особенным. Последующие полвека (!!) будут беззатменными. Иначе говоря, с густонаселенной территории нашей страны нельзя будет наблюдать ни одного полного солнечного затмения до 20 апреля 2061 года!

Д.з. §12. Задачи.

1. Годичный параллакс Веги равен 0,12". Каково расстояние до нее в парсеках и световых годах?

2. Расстояние до звезды равно 56 световых лет. Каков параллакс этой звезды?

Вопросы для экспресс-опроса

1. Какие затмения происходят чаще солнечные или лунные?

2. Почему затмения не происходят при каждом полнолунии или новолунии?

3. Во время какой конфигурации системы Солнце- Земля –Луна происходит лунное затмение? Солнечное затмение? Фаза Луны последняя четверть?

4. Чем объясняются долготные либрации Луны?

5. Что является причиной кольцевого солнечного затмения?

6. Что такое годичный параллакс?

7. Какие конфигурации Луны называются сизигиями?

8. Что является причиной нутаций земной оси?

9. Что такое сарос?

www.ronl.ru

2. Планеты земной группы. Система Земля - Луна. Земля - планета Солнечной системы

Похожие главы из других работ:

Влияние Луны как естественного спутника на планету Земля

1.ЛУНА

...

Влияние Луны как естественного спутника на планету Земля

2.2 Землетрясения и Луна

луна фаза прилив Луна может вызывать на Земле не только приливы, но и является причиной землетрясений. Приближение спутника Земли каждый день поднимает поверхность нашей планеты на 30 см. Большие землетрясения не столь зависимы от влияния Луны...

Земля - планета Солнечной системы

8. Единственный спутник Земли - Луна

Давно минули те времена, когда люди считали, что таинственные силы Луны оказывают влияние на их повседневную жизнь. Но Луна действительно оказывает разнообразное влияние на Землю, которое обусловлено простыми законами физики и...

Земля - планета Солнечной системы

1. Строение и состав Солнечной системы. Две группы планет

Наша Земля входит в число 8 больших планет, обращающихся вокруг Солнца. Именно в Солнце сосредоточена основная часть вещества Солнечной системы. Масса Солнца в 750 раз превосходит массу всех планет и в 330 000 раз - массу Земли...

Знаки зодиака

2.5 Группы знаков

В астрологии знаки группируют по четырём тригонам (Огонь, Земля, Воздух и Вода), по трём крестам (кардинальный, фиксированный, мутабельный), по четырём временам года (весенние, летние, осенние, зимние), по двум парам полусфер (северная и южная...

Космическая съемка и картографирование Марса

3.2.1 Атлас «Планеты земной группы»

В коллекции нашей кафедры находится атлас «Планеты земной группы», в котором представлены различные карты: · карта поверхности Марса (Поперечная равновеликая азимутальная проекция Ламберта) Так как на Марсе отсутствует гидрография...

Месяц ясный

1.4 Оказывает ли Луна влияние на Землю?

Земля и Луна имеют взаимное притяжение, и если принять во внимание их близость то это притяжение настолько сильно, что его легко можно наблюдать. Сила притяжения Луны проявляется в изменении уровня морей и океанов...

Наша Солнечная система

2.1 Планеты земной группы

К планетам земной группы относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс (в порядке удаленности от Солнца). При исследовании этих планет выяснилось, что все они обладают малыми размерами и, главное, массами...

Наша Солнечная система

2.2 Планеты-гиганты или планеты юпитерианской группы

Планеты-гиганты расположились за орбитой Марса. Это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Уже давно астрономы знают, что планеты-гиганты гораздо больше и массивнее планет земной группы. Самый лёгкий гигант -- Уран -- в 14,5 раза массивнее Земли...

Почему Луна не падает на Землю ?

Есть ли центробежная сила в сис-теме Земля -- Луна, на что она дейст-вует?

В системе Земля -- Луна силы взаимного притяже-ния Земли и Луны равны и противоположно направлены, а именно к центру масс. Обе эти силы центрост-ремительные. Центробежной силы здесь нет. Расстояние от Земли до Луны равно примерно 384 000 км...

Почему Луна не падает на Землю ?

Вокруг чего обращается Луна?

Если рассмат-ривать движение относительно Земли, то Луна обращается во-круг Земли. Если же за тело от-счета принять Солнце, то - вокруг Солнца...

Почему Луна не падает на Землю ?

Могут Земля и Луна столкнуться? Их ор-биты вокруг Солнца пересека-ются, и даже не один раз.

Конечно, нет. Столк-новение возможно только в том слу-чае, если бы орбита Луны относитель-но Земли пересекала Землю...

Происхождение солнечной системы

4. Планеты земной группы

Объединенные в одну группу планеты: Меркурий, Венера, Земля, Марс, -- хотя и близки по некоторым характеристикам, но все же каждая из них имеет свои неповторимые особенности...

Строение Солнечной системы

1.2 Планеты и их спутники

Солнечная система образовалась около 4,6 млрд. лет назад. Группа планет, Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон, вместе с Солнцем составляют Солнечную систему. Солнце -- центральное тело Солнечной системы -- это звезда...

Характеристика планет земной группы

2. Особенности планет земной группы

Пояс астероидов делит Солнечную систему на две части, в которых обитают совсем разные на первый взгляд планеты. Ближе к Солнцу расположены Меркурий, Венера, Земля и Марс. Их называют планетами земной группы. Это сравнительно небольшие шары...

kosmos.bobrodobro.ru

Реферат - Земля, как планета солнечной системы

Реферат на тему

«Земля – планета Солнечной системы»

Содержание

1. Строение и состав Солнечной системы. Две группы планет

2. Планеты земной группы. Система Земля – Луна

3. Земля

4. Античные и современные исследования Земли

5. Изучение Земли из космоса

6. Возникновение жизни на Земле

7. Единственный спутник Земли – Луна

Заключение

1. Строение и состав Солнечной системы. Две группы планет.

Наша Земля входит в число 8 больших планет, обращающихся вокруг Солнца. Именно в Солнце сосредоточена основная часть вещества Солнечной системы. Масса Солнца в 750 раз превосходит массу всех планет и в 330 000 раз – массу Земли. Под действием силы его притяжения происходит движение планет и всех других тел Солнечной системы вокруг Солнца.

Расстояния между Солнцем и планетами во много раз превосходят их размеры, и нарисовать такую схему, на которой соблюдался бы единый масштаб для Солнца, планет и расстояний между ними, практически невозможно. Диаметр Солнца в 109 раз больше, чем Земли, а расстояние между ними примерно во столько же раз больше диаметра Солнца. К тому же расстояние от Солнца до последней планеты Солнечной системы (Нептуна) в 30 раз больше, чем расстояние до Земли. Если изобразить нашу планету в виде кружочка диаметром 1 мм, то Солнце окажется на расстоянии около 11 м от Земли, а его диаметр будет примерно 11 см. Орбита Нептуна будет показана окружностью радиусом 330 м. Поэтому обычно приводят не современную схему Солнечной системы, а лишь рисунок из книги Коперника «Об обращении небесных кругов» с иными, весьма приблизительными пропорциями.

По физическим характеристикам большие планеты разделяются на две группы. Одну из них – планеты земной группы – составляют Земля и сходные с ней Меркурий, Венера и Марс. Во вторую входят планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. До 2006 г. самой далекой от Солнца большой планетой считался Плутон. Теперь он вместе с другими объектами подобного размера – давно известными крупными астероидами (см. § 4) и объектами, обнаруженными на окраинах Солнечной системы, – относится к числу планет-карликов.

Разделение планет на группы прослеживается по трем характеристикам (масса, давление, вращение), но наиболее четко – по плотности. Планеты, принадлежащие к одной и той же группе, по плотности различаются между собой незначительно, в то время как средняя плотность планет земной группы примерно в 5 раз больше средней плотности планет-гигантов (см. табл. 1).

Большая часть массы планет земной группы приходится на долю твердых веществ. Земля и другие планеты земной группы состоят из оксидов и других соединений тяжелых химических элементов: железа, магния, алюминия и других металлов, а также кремния и других неметаллов. На долю четырех наиболее обильных в твердой оболочке нашей планеты (литосфере) элементов – железа, кислорода, кремния и магния – приходится свыше 90 % ее массы.

Малая плотность планет-гигантов (у Сатурна она меньше плотности воды) объясняется тем, что они состоят в основном из водорода и гелия, которые находятся преимущественно в газообразном и жидком состояниях. Атмосферы этих планет содержат также соединения водорода – метан и аммиак. Различия между планетами двух групп возникли уже на стадии их формирования (см. § 5).

Из планет-гигантов лучше всего изучен Юпитер, на котором даже в небольшой школьный телескоп видны многочисленные темные и светлые полосы, тянущиеся параллельно экватору планеты. Так выглядят облачные образования в его атмосфере, температура которых всего -140 °C, а давление примерно такое же, как у поверхности Земли. Красновато-коричневый цвет полос объясняется, видимо, тем, что, помимо кристаллов аммиака, составляющих основу облаков, в них содержатся различные примеси. На снимках, полученных космическими аппаратами, видны следы интенсивных и иногда устойчивых атмосферных процессов. Так, уже свыше 350 лет на Юпитере наблюдают атмосферный вихрь, получивший название Большое Красное Пятно. В земной атмосфере циклоны и антициклоны существуют в среднем около недели. Атмосферные течения и облака зафиксированы космическими аппаратами и на других планетах-гигантах, хотя развиты они в меньшей степени, чем на Юпитере.

Строение. Предполагают, что по мере приближения к центру планет-гигантов водород вследствие возрастания давления должен переходить из газообразного в газожидкое состояние, при котором сосуществуют его газообразная и жидкая фазы. В центре Юпитера давление в миллионы раз превышает атмосферное давление, существующее на Земле, и водород приобретает свойства, характерные для металлов. В недрах Юпитера металлический водород вместе с силикатами и металлами образует ядро, которое по размерам примерно в 1,5 раза, а по массе в 10–15 раз превосходит Землю.

Масса. Любая из планет-гигантов превосходит по массе все планеты земной группы, вместе взятые. Самая крупная планета Солнечной системы – Юпитер больше самой крупной планеты земной группы – Земли по диаметру в 11 раз и по массе в 300 с лишним раз.

Вращение. Отличия между планетами двух групп проявляются и в том, что планеты-гиганты быстрее вращаются вокруг оси, и в числе спутников: на 4 планеты земной группы приходится всего 3 спутника, на 4 планеты-гиганта – более 120. Все эти спутники состоят из тех же веществ, что и планеты земной группы, – силикатов, оксидов и сульфидов металлов и т. д., а также водяного (или водно-аммиачного) льда. Помимо многочисленных кратеров метеоритного происхождения, на поверхности многих спутников обнаружены тектонические разломы и трещины их коры или ледяного покрова. Самым удивительным оказалось открытие на ближайшем к Юпитеру спутнике Ио около десятка действующих вулканов. Это первое достоверное наблюдение вулканической деятельности земного типа за пределами нашей планеты.

Кроме спутников, планеты-гиганты имеют еще и кольца, которые представляют собой скопления небольших по размеру тел. Они так малы, что в отдельности не видны. Благодаря их обращению вокруг планеты кольца кажутся сплошными, хотя сквозь кольца Сатурна, например, просвечивают и поверхность планеты, и звезды. Кольца располагаются в непосредственной близости от планеты, где не могут существовать крупные спутники.

2. Планеты земной группы. Система Земля – Луна

Благодаря наличию спутника, Луны, Землю нередко называют двойной планетой. Этим подчеркивается как общность их происхождения, так и редкостное соотношение масс планеты и ее спутника: Луна всего в 81 раз меньше Земли.

О природе Земли будут даны достаточно подробные сведения в последующих главах учебника. Поэтому здесь мы расскажем об остальных планетах земной группы, сравнивая их с нашей, и о Луне, которая хотя и является лишь спутником Земли, но по своей природе относится к телам планетного типа.

Несмотря на общность происхождения, природа Луны существенно отличается от земной, что определяется ее массой и размерами. Из-за того что сила тяжести на поверхности Луны в 6 раз меньше, чем на поверхности Земли, молекулам газа гораздо легче покинуть Луну. Поэтому наш естественный спутник лишен заметной атмосферы и гидросферы.

Отсутствие атмосферы и медленное вращение вокруг оси (сутки на Луне равны земному месяцу) приводят к тому, что в течение дня поверхность Луны нагревается до 120 °C, а ночью остывает до -170 °C. Из-за отсутствия атмосферы лунная поверхность подвержена постоянной «бомбардировке» метеоритами и более мелкими микрометеоритами, которые падают на нее с космическими скоростями (десятки километров в секунду). В результате вся Луна покрыта слоем мелкораздробленного вещества – реголита. Как описывают американские астронавты, побывавшие на Луне, и как показывают снимки следов луноходов, по своим физико-механическим свойствам (размеры частиц, прочность и т. п.) реголит похож на мокрый песок.

При падении на поверхность Луны крупных тел образуются кратеры размером до 200 км в диаметре. Кратеры метрового и даже сантиметрового диаметра хорошо видны на панорамах лунной поверхности, полученных с космических аппаратов.

В лабораторных условиях детально исследованы образцы пород, доставленных нашими автоматическими станциями «Луна» и американскими астронавтами, побывавшими на Луне на космическом корабле «Аполлон». Это позволило получить более полные сведения, чем при анализе пород Марса и Венеры, который проводился непосредственно на поверхности этих планет. Лунные породы похожи по своему составу на земные породы типа базальтов, норитов и анортозитов. Набор минералов в лунных породах беднее, чем в земных, но богаче, чем в метеоритах. На нашем спутнике нет и не было ни гидросферы, ни атмосферы такого состава, как на Земле. Поэтому там отсутствуют минералы, которые могут образовываться в водной среде и при наличии свободного кислорода. Лунные породы по сравнению с земными обеднены летучими элементами, но отличаются повышенным содержанием оксидов железа и алюминия, а в некоторых случаях титана, калия, редкоземельных элементов и фосфора. Никаких признаков жизни даже в виде микроорганизмов или органических соединений на Луне не обнаружено.

Светлые области Луны – «материки» и более темные – «моря» отличаются не только по внешнему виду, но также по рельефу, геологической истории и химическому составу покрывающего их вещества. На более молодой поверхности «морей», покрытой застывшей лавой, кратеров меньше, чем на более древней поверхности «материков». В различных частях Луны заметны такие формы рельефа, как трещины, по которым происходит смещение коры по вертикали и горизонтали. При этом образуются только горы сбросового типа, а складчатых гор, столь типичных для нашей планеты, на Луне нет.

Отсутствие на Луне процессов размывания и выветривания позволяет считать ее своеобразным геологическим заповедником, где на протяжении миллионов и миллиардов лет сохраняются все возникавшие за это время формы рельефа. Таким образом, изучение Луны дает возможность понять геологические процессы, происходившие на Земле в далеком прошлом, от которого на нашей планете не осталось никаких следов.

3.Земля.

Земля — это третья от Солнца планета Солнечной системы. Она обращается вокруг звезды на среднем расстоянии 149.6 млн. км за период равный 365.24 суток.

Земля имеет спутник — Луну, обращающуюся вокруг Солнца на среднем расстоянии 384400 км. Наклон земной оси к плоскости эклиптике составляет 66033`22``. Период вращения планеты вокруг своей оси 23 ч 56 мин 4,1 сек. Вращение вокруг своей оси вызывает смену дня и ночи, а наклон оси и обращение вокруг Солнца — смену времен года. Форма Земли — геоид, приближенно — трехосный эллипсоид, сфероид. Средний радиус Земли составляет 6371.032 км, экваториальный — 6378.16 км, полярный — 6356.777 км. Площадь поверхности земного шара 510 млн. км², объем — 1.083 * 1012 км², средняя плотность 5518 кг/м³. Масса Земли составляет 5976 * 1021 кг.

Земля обладает магнитным и электрическим полями. Гравитационное поле Земли обуславливает её сферическую форму и существование атмосферы. По современным космогоническим представлениям, Земля образовалась примерно 4.7 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газового вещества. В результате дифференциации вещества, Земля, под действием своего гравитационного поля, в условиях разогрева земных недр возникли и развились различные по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам оболочки — геосферы: ядро (в центре), мантия, земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера. В составе Земли преобладает железо (34.6%), кислород (29.5%), кремний (15.2%), магний (12.7%). Земная кора, мантия и внутренняя чаять ядра твердые (внешняя часть ядра считается жидкой). От поверхности Земли к центру возрастают давление, плотность и температура.

Давление в центре планеты 3.6 * 1011 Па, плотность около 12.5 * 103 кг/м³, температура колеблется от 50000ºС до 60000ºС.

Основные типы земной коры — материковый и океанический, в переходной зоне от материка к океану развита кора промежуточного строения.

Большая часть Земли занята Мировым океаном (361.1 млн. км²;70.8%), суша составляет 149.1 млн. км² (29.2%), и образует шесть материков и острова. Она поднимается над уровнем мирового океана в среднем на 875 м (наибольшая высота 8848 м — гора Джомолунгма), горы занимают свыше 1/3 поверхности суши. Пустыни покрывают примерно 20% поверхности суши, леса — около 30%, ледники — свыше 10%. Средняя глубина мирового океана около 3800 м (наибольшая глубина 11020 м — Марианский желоб (впадина) в Тихом океане). Объем воды на планете составляет 1370 млн. км³, средняя соленость 35 г/л. Атмосфера Земли, общая масса которой 5.15 * 1015 т, состоит из воздуха — смеси в основном азота (78.08%) и кислорода (20.95%), остальное — это водяные пары, углекислый газ, а также инертный и другие газы. Максимальная температура поверхности суши 570º-580º C (в тропических пустынях Африки и Северной Америки), минимальная — около -900º C (в центральных районах Антарктиды). Образование Земли и начальный этап ее развития относятся к догеологической истории. Абсолютный возраст наиболее древних горных пород составляет свыше 3.5 млрд. лет. Геологическая история Земли делится на два неравных этапа: докембрий, занимающий примерно 5/6 всего геологического летоисчисления (около 3 млрд. лет) и фанерозой, охватывающей последние 570 млн. лет.

Около 3-3.5 млрд. лет назад в результате закономерной эволюции материи на Земле возникла жизнь, началось развитие биосферы. Совокупность всех населяющих ее живых организмов, так называемое живое вещество Земли, оказала значительное влияние на развитие атмосферы, гидросферы и осадочной оболочки. Новый фактор, оказывающий мощное влияние на биосферу — производственная деятельность человека, который появился на Земле менее 3 млн. лет назад. Высокий темп роста населения Земли (275 млн. чел в 1000 году, 1.6 млрд. чел в 1900 году и примерно 6.3 млрд. чел в 1995 году) и усиление влияния человеческого общества на природную среду выдвинули проблемы рационального использования всех природных ресурсов и охраны природы.

4. Античные и современные исследования Земли.

Впервые получить довольно точные размеры нашей планеты удалось древнегреческому математику и астроному Эратосфену в I веке до нашей эры (точность около 1,3%). Эратосфен обнаружил, что в полдень самого длинного дня лета, когда Солнце в небе города Асуана находится в наивысшем положении и его лучи падают вертикально, в Александрии в это же время зенитное расстояние Солнца составляет 1/50 часть окружности. Зная расстояние от Асуана до Александрии, он смог вычислить радиус Земли, который по его подсчетам составил 6290 км. Не менее существенный вклад в астрономию внес мусульманский астроном и математик Бируни, живший в X-XI веке н. э. Несмотря на то, что он пользовался геоцентрической системой, ему удалось довольно точно определить размеры Земли и наклон экватора к эклиптике. Размеры планет им хоть и были определены, но с большой ошибкой; единственный размер, определенный им относительно точно — размер Луны.

В XV веке Коперник выдвинул гелиоцентрическую теорию о строении мира. Теория, как известно, довольно длительное время не имела развития, так как была преследуема церковью. Окончательно система была уточнена И. Кеплером в конце XVI века. Так же Кеплер открыл законы движения планет и рассчитал эксцентриситеты их орбит, теоретически создал модель телескопа. Галилей, живший несколько позднее Кеплера, сконструировал телескоп с увеличением в 34,6 раз, что позволило ему оценить даже высоту гор на Луне. Также он обнаружил характерное различие при наблюдении в телескоп звезд и планет: четкость вида и формы у планет была значительно больше, а также обнаружил несколько новых звезд. На протяжении почти 2000 лет астрономы считали, что расстояние от Земли до Солнца равно 1200 расстояниям Земли, т.е. допуская ошибку примерно в 20 раз! Впервые эти данные были уточнены только в конце XVII века как 140 млн. км, т.е. с ошибкой на 6,3% астрономами Кассини и Рише. Они же определили скорость света как 215 км/c, что было существенным прорывом в астрономии, так как раньше считали, что скорость света бесконечна. Примерно в это же время Ньютоном был открыт закон всемирного тяготения, и разложения света на спектр, что положило начало спектральному анализу через несколько веков.

Земля кажется нам такой огромной, такой надёжной и так много значит для нас, что мы не замечаем её второстепенного положения в семье планет. Слабое единственное утешение состоит в том, что Земля — наибольшая из планет земной группы. К тому же она обладает атмосферой средней мощности, значительная часть земной поверхности покрыта тонким неоднородным слоем воды. А вокруг неё вращается величественный спутник, диаметр которого равен четверти земного диаметра. Однако этих аргументов вряд ли достаточно для того, чтобы поддерживать наше космическое самомнение. Крошечная по астрономическим масштабам, Земля – это наша родная планета, и поэтому она заслуживает самого тщательного изучения. После кропотливой и упорной работы десятков поколений учёных было неопровержимо доказано, что Земля вовсе не «центр мироздания», а самая обыкновенная планета, т.е. холодный шар, движущийся вкруг Солнца. В соответствии с законами Кеплера Земля обращается вокруг Солнца с переменной скоростью по слегка вытянутому эллипсу. Ближе всего к солнцу она подходит в начале января, когда в Северном полушарии царит зима, дальше всего отходит в начале июля, когда у нас лето. Разница в удалении Земли от Солнца между январём и июлем составляет около 5 млн. км. Поэтому зима в северном полушарии чуть-чуть теплее, чем в Южном, а лето, наоборот, чуть-чуть прохладнее. Это явственнее всего даёт себя знать в Арктике и в Антарктиде. Эллиптичность орбиты Земли оказывает на характер времён года лишь косвенное и очень незначительное влияние. Причина смены времён года кроется в наклоне земной оси. Ось вращения Земли расположена под углом в 66,5º к плоскости её движения вокруг Солнца. Для большинства практических задач можно принимать, что ось вращения Земли перемещается в пространстве всегда параллельно самой себе. На самом же деле ось вращения Земли описывает на небесной сфере малый круг, совершая один полный оборот за 26 тыс. лет. В ближайшие сотни лет северный полюс мира будет находиться недалеко от Полярной звезды, затем начнёт удаляться от неё, и название последней звезды в ручке ковша Малой Медведицы – Полярная – утратит свой смысл. Через 12 тыс. лет полюс мира приблизится к самой яркой звезде северного неба – Веге из созвездия Лиры. Описанное явление носит название прецессии оси вращения Земли. Обнаружил явление прецессии уже Гиппарх, который сравнил положения звёзд в каталоге с составленным задолго до него звёздным каталогом Аристилла и Тимохариса. Сравнение каталогов и указало Гиппарху на медленное перемещение оси мира.

Различают три наружных оболочки Земли: литосферу, гидросферу и атмосферу. Под литосферой понимают верхний твердый покров планеты, который служит ложем океана, а на материках совпадает с сушей. Гидросфера – это подземные воды, воды рек, озер, морей и, наконец, Мирового океана. Вода покрывает 71% всей поверхности Земли. Средняя глубина Мирового океана 3900 м.

5. Изучение Земли из космоса

Человек впервые оценил роль спутников для контроля над состоянием сельскохозяйственных угодий, лесов и других природных ресурсов Земли лишь спустя несколько лет после наступления космической эры. Начало было положено в 1960г., когда с помощью метеорологических спутников «Тирос» были получены подобные карте очертания земного шара, лежащего под облаками. Эти первые черно-белые ТВ изображения давали весьма слабое представление о деятельности человека и, тем не менее, это было первым шагом. Вскоре были разработаны новые технические средства, позволившие повысить качество наблюдений. Информация извлекалась из многоспектральных изображений в видимом и инфракрасном (ИК) областях спектра. Первыми спутниками, предназначенными для максимального использования этих возможностей, были аппараты типа «Лэндсат». Например, спутник «Лэндсат-D», четвертый из серии, осуществлял наблюдение Земли с высоты более 640 км с помощью усовершенствованных чувствительных приборов, что позволило потребителям получать значительно более детальную и своевременную информацию. Одной из первых областей применения изображений земной поверхности, была картография. В доспутниковую эпоху карты многих областей, даже в развитых районах мира были составлены неточно. Изображения, полученные с помощью спутника «Лэндсат», позволили скорректировать и обновить некоторые существующие карты США. В середине 70-х годов НАСА, министерство сельского хозяйства США приняли решение продемонстрировать возможности спутниковой системы в прогнозировании важнейшей сельскохозяйственной культуры пшеницы. Спутниковые наблюдения, оказавшиеся на редкость точными, в дальнейшем были распространены на другие сельскохозяйственные культуры. Использование информации со спутников выявило ее неоспоримые преимущества при оценке объема строевого леса на обширных территориях любой страны. Стало возможным управлять процессом вырубки леса и при необходимости давать рекомендации по изменению контуров района вырубки с точки зрения наилучшей сохранности леса. Благодаря изображениям со спутников стало также возможным быстро оценивать границы лесных пожаров, особенно «коронообразных», характерных для западных областей Северной Америки, а также районов Приморья и южных районов Восточной Сибири в России.

Огромное значение для человечества в целом имеет возможность наблюдения практически непрерывно за просторами Мирового Океана. Именно над толщами океанской воды зарождаются чудовищной силы ураганы и тайфуны, несущие многочисленные жертвы и разрушения для жителей побережья. Раннее оповещение населения часто имеет решающее значение для спасения жизней десятков тысяч людей. Определение запасов рыбы и других морепродуктов также имеет огромное практическое значение. Океанские течения часто искривляются, меняют курс и размеры. Например, Эль Нино, теплое течение в южном направлении у берегов Эквадора в отдельные годы может распространяться вдоль берегов Перу до 12º ю.ш. Когда это происходит, планктон и рыба гибнут в огромных количествах, нанося непоправимый ущерб рыбным промыслам многих стран, в том числе России. Большие концентрации одноклеточных морских организмов повышают смертность рыбы, возможно из-за содержащихся в них токсинов. Наблюдение со спутников помогает выявить «капризы» таких течений и дать полезную информацию тем, кто в ней нуждается. По некоторым оценкам российских и американских ученых экономия топлива в сочетании с «дополнительным уловом» за счет использования информации со спутников, полученной в инфракрасном диапазоне, дает ежегодную прибыль в 2,44 млн. долл. Использование спутников для целей обзора облегчило задачу прокладывания курса морских судов.

6.Возникновение жизни на Земле

Возникновению живого вещества на Земле предшествовала довольно длительная и сложная эволюция химического состава атмосферы, в конечном итоге приведшая к образованию ряда органических молекул. Эти молекулы впоследствии послужили как бы “кирпичиками” для образования живого вещества. По современным данным планеты образуются из первичного газово-пылевого облака, химический состав которого аналогичен химическому составу Солнца и звёзд, первоначальная их атмосфера состояла в основном из простейших соединений водорода — наиболее распространённого элемента в космосе. Больше всего было молекул водорода, аммиака, воды и метана. Кроме того, первичная атмосфера должна была быть богата инертными газами — прежде всего гелием и неоном. В настоящее время благородных газов на Земле мало, так как они в своё время диссипировали (улетучились) в межпланетное пространство, как и многие водородсодержащие соединения. Однако решающую роль в установлении состава земной атмосферы сыграл фотосинтез растений, при котором выделяется кислород. Не исключено, что некоторое, а может быть даже существенное, количество органических веществ было принесено на Землю при падениях метеоритов и, возможно, даже комет. Некоторые метеориты довольно богаты органическими соединениями. Подсчитано, что за 2 млрд. лет метеориты могли принести на Землю от 108 до 1012 тонн таких веществ. Также органические соединения могут в небольших количествах возникать в результате вулканической деятельности, ударов метеоритов, молний, из-за радиоактивного распада некоторых элементов. Имеются довольно надёжные геологические данные, указывающие на то, что уже 3.5 млрд. лет назад земная атмосфера была богата кислородом. С другой стороны возраст земной коры оценивается геологами в 4.5 млрд. лет. Жизнь должна была возникнуть на Земле до того, как атмосфера стала богата кислородом, так как последний, в основном, является продуктом жизнедеятельности растений. Согласно недавней оценке американского специалиста по планетной астрономии Сагана, жизнь на Земле возникла 4.0-4.4 млрд. лет назад. Механизм усложнения строения органических веществ и появление у них свойств, присущих живому веществу, в настоящее время ещё недостаточно изучен. Но уже сейчас ясно, что подобные процессы длятся в течение миллиардов лет.

Любая сложная комбинация аминокислот и других органических соединений — это ещё не живой организм. Можно, конечно, предположить, что при каких-то исключительных обстоятельствах где-то на Земле возникла некая “праДНК”, которая и послужила началом всему живому. Вряд ли это так, если гипотетическая “праДНК” была подобна современной. Дело в том, что современная ДНК сама по себе совершенно беспомощна. Она может функционировать только при наличии белков-ферментов. Думать, что чисто случайно, путём “перетряхивания” отдельных белков — многоатомных молекул, могла возникнуть такая сложнейшая машина, как “праДНК” и нужный для её функционирования комплекс белков-ферментов – это значит верить в чудеса. Однако можно предположить, что молекулы ДНК и РНК произошли от более примитивной молекулы. Для образовавшихся на планете первых примитивных живых организмов высокие дозы радиации могут представлять смертельную опасность, так как мутации будут происходить так быстро, что естественный отбор не поспеет за ними.

Заслуживает внимания ещё такой вопрос: почему жизнь на Земле не возникает из неживого вещества в наше время? Объяснить это можно только тем, что ранее возникшая жизнь не даст возможность новому зарождению жизни. Микроорганизмы и вирусы буквально съедят уже первые ростки новой жизни. Нельзя полностью исключать и возможность того, что жизнь на Земле возникла случайно. Существует ещё одно обстоятельство, на которое, может быть, стоит обратить внимание. Хорошо известно, что все “живые” белки состоят из 22 аминокислот, между тем, как всего аминокислот известно свыше 100. Не совсем понятно, чем эти кислоты отличаются от остальных своих “собратьев”. Нет ли какой-нибудь глубокой связи между происхождением жизни и этим удивительным явлением? Если жизнь на Земле возникла случайно, значит, жизнь во Вселенной редчайшее явление. Для данной планеты (как, например, наша Земля) возникновение особой формы высокоорганизованной материи, которую мы называем “жизнью”, является случайностью. Но в огромных просторах Вселенной возникающая таким образом жизнь должна представлять собой закономерное явление. Надо ещё раз отметить, что центральная проблема возникновения жизни на Земле — объяснение качественного скачка от “неживого” к “живому” — всё ещё далека от ясности. Недаром один из основоположников современной молекулярной биологии профессор Крик на Бюраканском симпозиуме по проблеме внеземных цивилизаций в сентябре 1971 года сказал: “Мы не видим пути от первичного бульона до естественного отбора. Можно прийти к выводу, что происхождение жизни — чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании”.

8. Единственный спутник Земли – Луна.

Давно минули те времена, когда люди считали, что таинственные силы Луны оказывают влияние на их повседневную жизнь. Но Луна действительно оказывает разнообразное влияние на Землю, которое обусловлено простыми законами физики и, прежде всего динамики. Самая удивительная особенность движения Луны состоит в том, что скорость её вращения вокруг оси совпадает со средней угловой скоростью обращения вокруг Земли. Поэтому Луна всегда обращена к Земле одним и тем же полушарием. Поскольку Луна — ближайшее небесное тело, её расстояние от Земли известно с наибольшей точностью, до нескольких сантиметров по измерениям при помощи лазеров и лазерных дальномеров. Наименьшее расстояние между центрами Земли и Луны равно 356 410 км. Наибольшее расстояние Луны от Земли достигает 406 700 км, а среднее расстояние составляет 384 401 км. Земная атмосфера искривляет лучи света до такой степени, что всю Луну (или Солнце) можно видеть ещё до восхода или после заката. Дело в том, что преломление лучей света, входящих в атмосферу из безвоздушного пространства, составляет около 0,

5º, т.е. равно видимому угловому диаметру Луны.

Таким образом, когда верхний край истинной Луны находится чуть ниже горизонта, вся Луна видна над горизонтом. Из приливных экспериментов был получен другой удивительный результат. Оказывается Земля – упругий шар. До проведения этих экспериментов обычно считали, что Земля вязкая, подобно патоке или расплавленному стеклу; при небольших искажениях она должна была бы, вероятно, сохранять их или же медленно возвращаться к своей исходной форме под действием слабых восстанавливающих сил. Эксперименты показали, что Земля в целом придаётся приливообразующим силам и сразу же возвращается к первоначальной форме после прекращения их действия. Таким образом, Земля не только твёрже стали, но и более упругая.

Заключение

Мы познакомились с современным состоянием нашей планеты. Будущее нашей планеты, да и всей планетной системы, если не произойдёт ничего непредвиденного, кажется ясным. Вероятность того, что установившийся порядок движения планет будет нарушен какой-нибудь странствующей звездой, невелика, даже в течение нескольких миллиардов лет.

В ближайшем будущем не приходится ожидать сильных изменений в потоке энергии Солнца. Вероятно, могут повториться ледниковые периоды. Человек способен изменить климат, но при этом может совершить ошибку. Континенты в последующие эпохи будут подниматься и опускаться, но мы надеемся, что процессы будут происходить медленно. Время от времени возможны падения массивных метеоритов. Но в основном планета Земля будет сохранять свой современный вид.

www.ronl.ru

Гравитационное взаимодействие системы Земля – Луна - Реферат

В. В. Орлёнок, доктор геолого-минералогических наук

Рассмотрим еще одно интересное явление, возникающее под действием взаимного притяжения планеты и обращающегося вокруг нее спутника. Внешним проявлением на Земле этого явления являются приливы и отливы в океане, в ходе которых уровень воды дважды в сутки поднимается и опускается до своих максимальных отметок. Это объясняется притяжением Луны между двумя последовательными одноименными кульминациями ее на меридиане данного места и обусловлено тем, что Земля вращается вокруг своей оси быстрей, чем Луна совершает свой полный оборот вокруг Земли. Поэтому интервал времени между двумя смежными циклами приливных явлений составляет 24 часа 50 мин.

Поясним это на примере (рис. 23). Представим Луну в виде материальной точки, расположенной на расстоянии r от центра Земли. Радиус планеты положим равным единице, т. е. R = 1, и рассмотрим, какое притяжение испытывают точки на поверхности Земли (А) на том же меридиане на противоположной стороне (В) и в центре – в точке (О). Пусть эти точки имеют единичную массу. Положив массу Луны m, для каждой точки в соответствии с законом тяготения можно написать выражения:

; ; . (IV.35)

Найдем разность ускорений силы тяжести материальных точек А и О:

.

Поскольку расстояние r и 2r много больше единицы, то последними можно пренебречь. В итоге получим:

. (IV.36)

Выражение (IV.36) характеризует приливообразующую силу внутри и на поверхности Земли, которая, как видим, обратно пропорциональна кубу расстояний между планетой и ее спутником.

Теперь вновь обратимся к рис. 23. Под действием силы dg точка А удаляется от точки О в направлении к Луне, образуя своеобразный горб на поверхности планеты – прилив. Но точка О в свою очередь также притягивается Луной на большую амплитуду, чем точка В, расположенная на обратной стороне Земли. Поэтому и на обратной стороне на поверхности планеты образуется приливное вздутие. Одновременно с двумя областями прилива, в точках квадратур, т. е. районах, отстоящих на 90° по меридиану от точек прилива, будет наблюдаться отлив. В ходе вращения Земли приливные волны дважды в сутки обходят ее поверхность. Высота прилива в океане не превышает 1 – 2 м. Однако, когда приливная волна подходит к шельфовому мелководью, она возрастает до нескольких метров. Волны прилива наблюдаются и в твердой коре и достигают 51 см при сложении поля тяготения Луны и Солнца. Приливное трение, возникающее при движении жидкой и в меньшей степени твердой волн, приводит к торможению осевого вращения Земли и ее спутника. По этой причине Луна уже давно прекратила свое вращение вокруг оси и постоянно обращена к планете одной стороной. Уменьшение скорости вращения Земли составляет 2 с за каждые 100 тыс. лет. За последние 450 млн. лет она уменьшилась с 21 часа 53 минут до 24 часов в настоящее время.

Поскольку масса Земли в 81 раз больше массы Луны, то величина приливного ускорения на поверхности спутника будет примерно в 20 раз больше, чем на Земле, и теоретическая высота твердого прилива может достигать нескольких метров.

В связи с этим возникает интересный вопрос о предельно допустимом расстоянии, на которое могут сблизиться спутник и планета в ходе своей эволюции. Для этого приравняем приливной потенциал Земли к ускорению свободного падения на поверхности Луны:

.

После преобразований получим:

= 1738»9400 км. (IV.37)

Здесь m, r0 – масса и радиус спутника; М – масса планеты; r – расстояние между планетой и спутником. Полученное выражение называется пределом Роша. Спутник, попавший внутрь предела Роша вследствие многокилометровой приливной волны, будет неизбежно разрушен и превращен в каменное кольцо вокруг планеты. Не менее катастрофичными станут последствия такого сближения и для планеты. Гигантский приливный горб высотой многие сотни метров, прокатившись многократно по мере сближения спутника по поверхности, перемелет в пыль горы и равнины, реки и моря планеты, а приливное трение раскалит поверхность разрушившихся пород. Резко затормозится скорость вращения планеты, что вызовет изменение ее фигуры и сопутствующие этому процессу землетрясения. Поверхность планеты претерпит катастрофические разрушения. В свете сказанного гипотеза об образовании Тихого океана путем отрыва Луны представляется просто наивной. При входе в зону Роша она была бы превращена в пыль, сквозь которую мы до сих пор не могли бы видеть солнечного света, не говоря уже о том, что в геологической истории Земли подобной катастрофы не запечатлено.

Приливы

Луна, находясь в поле тяготения Земли (и обе планеты – в поле солнечного притяжения), оказывает воздействие на массу самой Земли. Вследствие больших размеров и массы Земли относительно ее спутника (rл/rз = 0,27; mл/mз = 1,2×10-2) различные точки Земли под влиянием поля тяготения Луны будут испытывать неодинаковые возмущения по отношению к центру массы. Величина этих возмущений зависит от положения тел. В зените (z = 0) или в надире (z = 180°) притяжение максимальное: 0,166 см/с2 для Луны и 0,061 см/с2 – для Солнца; при положении тел в горизонте (z = 90°) притяжение тел минимальное: ‑0,083 см/с2 для Луны и -0,003 см/с2 для Солнца; нулевые значения достигаются при z = 54°44? и z = 125°16?. Величина статического прилива составляет для Луны от 35,6 до -17,8 см, для Солнца – от 16,4 до ‑8,2 см. Следовательно, размах амплитуды лунных приливов равен 53,4 см, солнечных – 24,6 см; суммарное влияние составляет 78 см (Мельхиор, 1975). Полученные значения теоретической высоты статического прилива верны для жидкой модели Земли. В абсолютно твердой земле никаких деформаций поверхности не происходило бы. Данные непосредственных наблюдений показывают, что высота реального прилива составляет 65 %, или около 51 см от теоретического. Иными словами, земной шар отличается от жидкой модели и от абсолютно твердого тела. Это хорошо согласуется с предыдущими выводами относительно вязкости и жесткости.

В массовом отношении полученный гравитационный эффект равен Dg/g » 0,2/106, т.е. масса в 1 т (106 г) изменяется в результате лунно-солнечного притяжения на 0,2 г. На первый взгляд это незначительная величина, однако если сравнить ее с массой всей Земли, перисферы или гидросферы, наиболее подверженных приливным возмущениям, то получаются внушительные цифры: изменение массы Земли составит 11,948×1020 г (Мз = 5,974×1027 г), перисферы – 1018 г (Мп = 9×1025 г), гидросферы – 3,3×1017 г (Мг = 1,64×1024 г). Если учесть, что эти гигантские массы смещаются в теле Земли регулярно, периодически, на протяжении многих миллионов лет, то становится более понятной роль гравитационного взаимодействия Земли, Луны и Солнца в эволюции протовещества планеты. Представление величины приливного потенциала

(IV.38)

в сферической системе координат позволяет разложить его на три лапласовы составляющие, которые получили название зональных, секториальных и тессеральных волн (рис. 24).

Распределение секториальных волн прилива происходит в широтном направлении. Узловые линии, или фронт волны, имеют меридиональное простирание – от полюса до полюса. Максимальная амплитуда прилива достигается на экваторе в полосе шириной от 10° с.ш. до 10° ю.ш. с постепенным уменьшением к полюсам, где функция W принимает нулевое значение (рис. 25). Положительное значение W, соответствующее области прилива, функция принимает в зените и надире, отрицательное, соответствующее отливу, – в квадратурах. Доминирующая секториальная волна обозначается индексом M2. Она имеет полусуточный период (12 ч 25 мин). Этот прилив вызывает внутреннее трение за счет волн, обрушивающихся на протяженную линию побережий Тихого, Атлантического и Индийского океанов, и ответственен за некоторую часть векового замедления скорости вращения Земли. Одновременно с волной M2 появляются еще две лунные волны – N2 и L2 с периодами, близкими к периоду доминирующей волны.

K1, O1, Р1 – тессеральные суточные приливные волны; M2, S2, N2 – секториальные полусуточные волны

Тессеральный прилив имеет более сложный фронт: узловые линии располагаются по меридиану и экватору. При этом максимум волны

достигается на широтах 45° с.ш. и 45° ю.ш. На экваторе и полюсах функция W = 0. Тессеральному приливу соответствуют главная фаза М1 и две близкие по периоду волны К1 и О1. Их период равен звездным суткам. Несимметричность тессерального прилива относительно экватора и различная амплитуда его в северном и южном полушариях обусловливают прецессию и нутацию земной оси за счет изменения главного момента инерции Земли.

Зональный прилив (см. рис. 24) зависит только от широты. Его фронтом являются 35° с.ш. и 35°16? ю.ш. Максимальная амплитуда достигается на полюсах. Поскольку склонение Луны изменяется с периодом 27,321 средних звездных суток, период зонального прилива составляет 14 суток. Зональный прилив определяет сжатие Земли. Перераспределение масс на полюсах и экваторе (прилив на полюсах ведет к образованию отлива на экваторе) приводит к изменению экваториального и полярного моментов инерции, что вызывает изменение главного момента инерции и периодические колебания скорости вращения Земли (Мельхиор, 1975).

В результате вращения узлов лунной орбиты с периодом Т0 = = 18,613 года образуется дополнительная волна прилива, амплитуда которой сравнима с амплитудой месячного прилива. Сложение ее с главной волной зонального прилива приводит к настолько сильному перераспределению масс в теле Земли и перисфере, что это находит выражение в периодичности землетрясений и вулканизма Тихоокеанского подвижного пояса. В частности, прогноз 19-летних циклов составляет до 94 % для сильных землетрясений с магнитудой М ³ 7 и глубиной очагов 0 – 600 км, а также для мощного вулканизма.

Кроме перечисленных волн имеются аналогичные им солнечные приливные волны несколько меньшей амплитуды, которые, складываясь с лунными, усиливают их.

Гармонический анализ только месячной серии приливных наблюдений позволяет выделить еще целый ряд волн. В частности, по разложению Дудсона получается 115 секториальных полусуточных, 158 тессеральных суточных, 99 зональных долгопериодных и 14 секториальных третьесуточных волн. Взаимодействие всех этих фаз приводит к сложнейшим взаимным перемещениям возмущающих масс вещества в теле Земли и на поверхности. При этом наибольшей амплитуды перемещения достигнут, очевидно, в разуплотненных зонах астеносферы и внешнего ядра. Это должно способствовать ускорению термогравитационной дифференциации и самих химических реакций. В периоды сизигий в результате сложений лунно-солнечного потенциала тяготения процессы станут резко усиливаться. Перемещение вещества будет происходить из зоны квадратур. Таким образ

Как следует из выражения для приливного потенциала (IV.38), где величина определяет амплитуду, а – фазу, амплитуда возмущений уменьшается по мере удаления от поверхности Земли к ее центру, так как в числителе стоит квадрат земного радиуса, а в знаменателе – куб расстояния от спутника. Следовательно, приливное взаимодействие наибольшей амплитуды достигает в верхах перисферы Земли, а также в астеносфере и «жидком» ядре. Это и находит свое выражение в корреляции вулканизма и землетрясений с периодами лунно-суточных приливов.

Эволюция системы Земля – Луна

Уменьшение скорости вращения Земли на 2 с за 105 лет устанавливается астрономическими измерениями. Это замедление не является флуктуирующим или случайным. Анализ эфемеридного времени, в частности, по солнечным затмениям шумерских, вавилонских, египетских и других наблюдений, выполненных более 2000 лет назад и имевших внутреннюю согласованность, дает ту же величину – 2 с за 105 лет (Мельхиор, 1975). Палеонтологические наблюдения ископаемых кораллов палеозойского возраста обнаруживают заметные различия в количестве суточных поясков по сравнению с современными кораллами. Один такой поясок соответствует световому дню, в течение которого он наращивается. По количеству поясков удается установить продолжительность года в различные геологические эпохи. Эти результаты приведены в табл. IV.1

Таблица IV.1

Изменение продолжительности года и суток в фанерозое

(по П. Мельхиору, 1975)

Из табл. IV.1 видно, что, начиная с силура, т.е. за 440 млн. лет, продолжительность суток увеличилась на 2,47 ч и возрастание происходило линейно со средней скоростью, составляющей 1,9 с за 105 лет.

Таким образом, три независимых источника дают один порядок закономерного и прогрессивного уменьшения скорости вращения Земли вокруг своей оси. Линейный характер этого процесса на протяжении фанерозоя свидетельствует об его устойчивости и отсутствии каких-либо катаклизмов. Вследствие уменьшения скорости вращения Земли происходит обмен моментами количества движения с Луной. В результате уменьшалась скорость вращения Луны вокруг своей оси и одновременно возрастало расстояние между Землей и Луной. В итоге этой эволюции в будущем можно ожидать прекращения вращения Земли вокруг своей оси и система Земля – Луна, достигнув минимума энергии, будет вращаться вокруг центра масс подобно гантели: планеты будут всегда обращены друг к другу одной стороной. В ходе приливного торможения при достижении равенства моментов орбитального удаления Луны и скорости вращения Земли спутник может начать обратное вращение вокруг своей оси. Например, из 13 спутников Юпитера 9 вращаются в прямом направлении, а 4 – в обратном. Систему, видимо, близкую к гантели, имеют Меркурий и Солнце, ибо, находясь ближе всех планет к светилу, Меркурий испытывает наиболее мощное гравитационное торможение вращения со стороны солнечных приливов.

Если в первом приближении предположить, что скорость приливного замедления вращения Земли сохранялась на протяжении всей ее геологической истории, то, экстраполируя ее на время 4,5×109 лет, получим скорость вращения протопланеты, равную 1,77 ч. Современная скорость вращения Луны вокруг своей оси в 27 раз меньше скорости вращения Земли. Следовательно, можно предположить, что Луна в первый раз остановила свое вращение 4,5×109/27 = 1,66 ×108 лет назад. Ввиду малого момента инерции спутника относительно момента инерции Земли спутник после остановки должен был начать обратное вращение под влиянием поля тяготения Земли, продолжая при этом удаляться от нее.

Поскольку не вся энергия гравитационного взаимодействия расходуется на торможение (часть ее рассеивается на тепло), полученная цифра может быть несколько иной. Тем не менее период 170 млн. лет совпадает с циклами тектонической активности фанерозоя.

По расчетам П. Мельхиора (1975), замедление угловой скорости вращения Земли составляет около +4,8×10-22 с-2, а замедление скорости удаления спутника, согласно третьему закону Кеплера, – 3,6 см/год. Энергия современных приливов равна 8,1×1019 Дж/год. Среднее современное расстояние спутника от Земли равно 3,844×1010 см. Если удаление шло также равномерно, как и замедление вращения, что, очевидно, взаимосвязано, то при скорости 3,6 см/год за 4,5×109 лет имеем расстояние, равное 1,62×1010 см. Следовательно, сразу после образования планет спутник находился на расстоянии в 2,4 раза меньше современного. Однако этот расчет сделан без учета эволюции Мирового океана, дающего наибольший вклад в процесс замедления скорости вращения (приливное торможение).

Приливные силы разрушают спутник на расстоянии ближе 2,34 радиуса, т.е. 14908,14 км от Земли. Это так называемый предел Роша. Герстенкорн предположил, что 1400 – 1600 млн. лет назад Луна была захвачена Землей и находилась на расстоянии немного большем предела Роша (Ботт, 1974). Однако в докембрийской геологии это событие не нашло отражения, ибо оно соответствовало бы образованию катастрофических приливов как в теле Земли, так и ее спутника. Значит, есть основания предположить, что современная скорость приливного торможения не всегда была таковой, а на протяжении длительного времени имела много меньшее значение. Но, согласно полученным нами (Орлёнок, 1980, 1982) данным, крупные и глубокие океанские бассейны появились на Земле лишь в конце палеогена, т.е. 25 – 30 млн. лет назад. Существовавшие же на протяжении большей части докайнозойской истории небольшие мелководные бассейны типа современных шельфовых морей исключали возможность получения сильного приливного торможения.

С учетом сказанного оценим ближайшее расстояние, которое занимала Луна в прошлом по отношению к Земле. За 30 млн. лет Луна удалилась на расстояние 3,6 см/год´30×106 лет = 108×106 см, т.е. на 1080 км. В докайнозойскую эпоху вследствие слабого приливного торможения скорость удаления ее была по меньшей мере на порядок ниже современной 0,36 см/год´4,5×109 лет = 1,62×109 см, т.е. удаление составило 16200 км. Следовательно, Луна и Земля в момент своего образования находились всего на 17 – 20 тыс. км ближе, чем сейчас, что не могло существенно повлиять на величину тогдашних твердых и жидких приливов.

Таким образом, наибольшее приливное торможение Земля испытала в конце первой крупной фазы океанизации, т.е. в конце палеогена – начале неогена. Но при большей скорости вращения земной шар должен был иметь сжатие с полюсов и, следовательно, большее вздутие по экватору. Из наблюдений эволюции спутника Земли было установлено, что планета имеет избыток экваториального вздутия, равный 70 м. Этот избыток не соответствует современной скорости вращения. Он возник в доокеанскую эпоху (25 – 30 млн. лет назад) при большей, чем современная, скорости вращения планеты. Очевидно, Земля не находится в состоянии гидростатического равновесия. Подобное запаздывание в приобретении ею гидростатического равновесия при постепенном приливном уменьшении скорости вращения позволяет оценить вязкость нижней мантии в 1025 Па×с (Ботт, 1974), а это исключает возможность существования конвекции в мантии и оболочке Земли, что подтверждается к тому же и их существенной вертикальной и горизонтальной неоднородностью. Следовательно, конвекционный механизм плитовой тектоники построен на широких допущениях и предположениях, в природе реально неизвестных.

Рассмотрим теперь эффект быстрого вращения протопланеты. Согласно выводам Пуанкаре, существует некоторый предел между угловой скоростью вращения планеты и ее массой, при переходе которого центробежные силы вращения превзойдут силы внутреннего притяжения и планета рассыплется. Это условие имеет вид:

, (IV.39)

где rm – средняя плотность планеты.

Приведем оценку для Земли. Так как

,

то, подставляя это значение в неравенство (IV.39) и предположив , получим:

.

После подстановки численных значений a, g, r0, rm находим:

. (IV.40)

Таким образом, в неравенство (IV.40) входит только средняя плотность планеты, т.е. размеры не играют роли. Для современной Земли Т = = 24 ч, rm = 5,52 г/см3, следовательно, Т = 24>1,15 и условие Пуанкаре выполняется полностью и с большим запасом. Это значит, что современная Земля представляет собой консолидированное тело. Однако для периода вращения протопланеты имеем

.

Одинаковый порядок сил тяготения и центробежной силы ранней Земли указывает на весьма слабое сцепление масс протовещества, даже с поправкой на меньшую первоначальную среднюю плотность (rm = 3,34 г/см3). В этих условиях выполнение предположения Герстенкорна привело бы к краху планеты и спутника: сильный прилив вытянул бы протовещество, что могло привести к их слиянию. Если бы Луна обладала такой же скоростью первоначального вращения, как и Земля, то неравенство Пуанкаре имело бы в этом случае вид: Т = = 1,77>1,15. Величины тоже предельные.

В итоге мы должны признать, что они позволяют оценить характер и направленность эволюции системы Земля – Луна. Все имеющиеся данные указывают на то, что первоначальная скорость вращения протопланет была больше современной, а их гравитационное взаимодействие заметно сильнее вследствие более близкого расположения их на орбите.

В этих условиях становятся понятными причины быстрого разогрева планет, образование термореакционных зон внутри Земли и раннее образование коры на Луне. Приливные перемещения частиц протовещества планет способствовали быстрому выделению огромных количеств тепла и разогреву планет. Судя по тому количеству тепла, которое дают оставшиеся долгоживущие уран, торий, калий и другие элементы, нет основания ожидать, что этот разогрев мог иметь место только за счет распада короткоживущих изотопов (Орлёнок, 1980).

www.litsoch.ru

Смотрите также

• 
  Семья глазами ребенка реферат
• 
  Русская эпическая опера реферат
• 
  Реферат этика в рекламе
• 
  Реферат эволюция теории управления
• 
  Реферат шкала электромагнитных волн
• 
  Реферат шифраторы и дешифраторы
• 
  Реферат формы внешнеэкономических связей
• 
  Реферат система земля луна
• 
  Реферат семья глазами ребенка
• 
  Реферат про домашних кошек
• 
  Реферат о габдулле тукае