Земля. Магнитное поле

12 3

Магнитное поле Земли достаточно велико (около 5•10⁵ Тл) и позволяет пользоваться компасом, что возможно не на всякой планете. С удалением от Земли индукция магнитного поля ослабевает.

Исследование околоземного пространства космическими аппаратами показало, что наша планета окружена мощным радиационным поясом , состоящим из быстро движущихся заряженных элементарных частиц — протонов и электронов. Его называют также поясом частиц высоких энергий (на рисунке 45 густота цвета показывает степень концентрации частиц).

Схема радиационного пояса Земли.

Внутренняя часть пояса простирается примерно на 500—5000 км от поверхности Земли.

Внешняя часть радиационного пояса находится между высотами в 1—5 радиусов Земли и состоит в основном из электронов с энергией в десятки тысяч электронвольт — в 10 раз меньшей чем энергия частиц внутреннего пояса. Частицы, образующие радиационный пояс, вероятно, захватываются земным магнитным полем из числа частиц, непрерывно выбрасываемых Солнцем. Особенно мощные потоки частиц рождаются при взрывных явлениях на Солнце — так называемых солнечных вспышках. Поток солнечных частиц движется со скоростью 400—1000 км/с и достигает Земли примерно через 1—2 дня после того, как на Солнце произошла породившая его вспышка горячих газов. Такой усиленный корпускулярный поток возмущает магнитное поле Земли. Быстро и сильно меняются характеристики магнитного поля, что называется магнитной бурей. Стрелка компаса колеблется. Возникает возмущение ионосферы, нарушающее радиосвязь, происходят полярные сияния. Полярные сияния разной формы и окраски возникают на высотах от 80 до 1000 км. Их образование связано с тем, что в полярных областях частицы, двигаясь вдоль линий индукций магнитного поля, проникают в атмосферу. Частицы бомбардируют молекулы воздуха, ионизируют их и возбуждают свечение, как поток электронов в вакуумной трубке. М. В. Ломоносов первым высказал догадку о том, что полярные сияния имеют электрическую природу. Цветовые оттенки полярного сияния обусловлены свечением различных газов атмосферы.

Итак, мы выяснили, что на Земле и в ее атмосфере происходят разнообразные процессы, многие из которых связаны с Солнцем отстоящим от нас на 150 млн. км, т. е. Земля не изолирована от космоса.

Физические условия на Луне Луна — самое близкое к Земле небесное тело и потому изучена лучше всего Ближайшие к нам планеты примерно в 100 раз дальше, чем Луна. Луна меньше Земли по диаметру вчетверо, а по массе в 81 раз. Средняя ее плотность 3,3•10 кг/м³, т. е. меньше, чем у Земли. Вероятно, у Луны нет такого плотного ядра, какое есть у Земли. Мы видим всегда только одно полушарие Луны, на котором никогда не заметно ни облаков, ни малейшей дымки, что служило одним из доказательств отсутствия на Луне водяных паров и атмосферы. Позднее это было подтверждено прямыми измерениями на поверхности Луны. Небо на Луне даже днем было бы черное, как в безвоздушном пространстве, но окружающая Луну разреженная пылевая оболочка немного рассеивает солнечный свет. На Луне нет атмосферы, смягчающей палящие солнечные лучи, не пропускающей к поверхности опасные для живых организмов рентгеновское и корпускулярное излучения Солнца, уменьшающей отдачу энергии ночью в мировое пространство и защищающей от космических лучей и потоков микрометеоров. Нет там ни облаков, ни воды, ни туманов, ни радуги, ни зари с рассветом. Тени резкие и черные. С помощью автоматических станций установлено, что непрерывные удары мелких метеоритов, дробя поверхность Луны, как бы обтачивают ее и сглаживают рельеф. Мелкие осколки не превращаются в пыль, а в условиях вакуума быстро спекаются в пористый шлако-подобный слой. Происходит молекулярное сцепление пыли в подобие пемзы. Такая структура лунной коры придает ей малую теплопроводность. В результате при сильных колебаниях температуры снаружи в недрах Луны даже на небольшой глубине температура сохраняется постоянной. Огромные перепады температуры лунной поверхности от дня к ночи объясняются не только отсутствием атмосферы, но и продолжительностью лунного дня и лунной ночи, которая соответствует двум нашим неделям. Температура в подсолнечной точке Луны равна +120°С, а в противоположной точке ночного полушария -170°С. Вот как изменяется температура в течение одного лунного дня!

В полнолуние в южном полушарии хорошо видны в сильный бинокль кратер Тихо диаметром 60 км в виде яркого кольца и расходящиеся от него радиально светлые лучи. Их длина сравнима с радиусом Луны, и они тянутся, пересекая много других кратеров и темных впадин. Выяснилось, что лучи образованы скоплением множества мелких кратеров со светлыми стенами.

Лунный рельеф лучше изучать тогда, когда соответствующая местность лежит вблизи терминатора, т. е. границы дня и ночи на Луне Тогда освещенные Солнцем сбоку малейшие неровности отбрасывают длинные тени и легко заметны. Очень интересно в течение часа проследить в телескоп за тем, как вблизи терминатора на ночной стороне загораются светлые точки – это вершины валов лунных кратеров. Постепенно из тьмы выплывает светлая подкова — часть кратерного вала, но дно кратера еще погружено в полный мрак. Лучи Солнца, скользя все ниже, постепенно обрисовывают и весь кратер. При этом хорошо видно, что, чем меньше кратеры, тем их больше. Они часто расположены цепочками и даже «сидят» друг на друге. Позднейшие кратеры образовались на валах более старых. В центре кратера часто видна горка, в действительности это группа гор. Кратерные стены обрываются террасами круто внутрь.

Вся поверхность Луны изрыта мелкими кратерами — пологими углублениями — это результат ударов мелких метеоритов.

С Земли видно только одно полушарие Луны. В формировании рельефа Луны, по-видимому, принимали участие и внутренние, и внешние силы. Роль тектонических и вулканических явлений несомненна, так как на Луне есть линии сброса, цепочки кратеров, огромная столовая гора со склонами такими же, как и у кратеров. Имеется сходство лунных кратеров с лавовыми озерами Гавайских островов. Менее крупные кратеры образовались от ударов больших метеоритов. На Земле есть также ряд кратеров, образованных при падении метеоритов. Что касается лунных «морей», то они, по-видимому, образованы проплавлениями лунной коры и излияниями лавы вулканов. Конечно, на Луне, как и на Земле, основные этапы горообразования происходили в далеком прошлом. Многочисленные кратеры, обнаруженные на некоторых других телах планетной системы, например на Марсе и Меркурии, должны иметь такое же происхождение, как и лунные.

Околосолнечные планеты

Близость Венеры и особенно Меркурия к ослепительному Солнцу, а также отсутствие возможности наблюдать их диски на небе целиком, когда планеты ближе всего к Земле, очень затрудняют изучение поверхности и атмосферы этих планет. Лишь в последние годы радиолокационные наблюдения Венеры и Меркурия, фотографирование их с близкого расстояния автоматическими станциями и другие методы впервые дали надежные сведения о вращении этих планет вокруг оси и о строении их поверхности.

Меркурий, ближайшая к Солнцу планета, немногим больше Луны, но средняя плотность ее почти такая же, как и у Земли. Радионаблюдения обнаружили крайне медленное вращение Меркурия. Звездные сутки его, т. е. период вращения вокруг оси относительно звезд, равны 58,65 наших суток. Солнечные сутки на этой планете (т. е. промежуток времени между последовательными полуднями) составляют около 176 земных суток. Они равны двум меркурианским годам, так как один оборот вокруг Солнца Меркурий делает за 88 земных суток.

Атмосфера на Меркурии практически отсутствует. Поэтому дневное полушарие его сильно накаляется. В подсолнечной точке на Меркурии была измерена температура более +300° С. При такой температуре плавится свинец.

Поверхность Меркурия усеяна кратерами настолько густо, что на фотографиях ее трудно отличить от поверхности Луны.

Венера лишь немногим меньше Земли по объему и массе. Еще Ломоносов и его современники обнаружили существование у Венеры атмосферы. Ломоносов правильно полагал, что она плотнее, чем земная. Позднее на основе спектральных наблюдений было установлено, а затем и подтверждено исследованиями, выполненными советскими автоматическими станциями, что атмосфера Венеры в основном состоит из углекислого газа. Венера окутана сплошным покровом белых облаков, прозрачным только для радиоволн.

Радионаблюдения выявили, что Венера вращается вокруг оси в сторону, противоположную той, в которую вращаются все планеты (кроме Урана) и в которую она сама обращается вокруг Солнца. Солнечные сутки на ней составляют 117 земных суток. Наклон оси Венеры к плоскости ее. орбиты близок к прямому углу, так что на ней нет смены времен года

С 1961 г. начались запуски к Венере советских автоматических станций. Некоторые станции имели аппараты, спускавшиеся на Венеру на парашюте, автоматические приборы которых измеряли характеристики ее атмосферы на различной высоте и у поверхности и передавали эти сведения по радио на Землю. Магнитного поля Венеры эти приборы не обнаружили. У поверхности они зарегистрировали температуру 470–480° С и давление 95–97 атмосфер. Выяснилось, что на 97% по массе атмосфера Венеры состоит из углекислого газа. Азот и инертные газы составляют лишь несколько процентов, кислород — около 0,1%, а водяной пар еще меньше.

Крайне высокая температура в нижних слоях атмосферы Венеры и на ее поверхности в большой мере обусловлена так называемым «парниковым эффектом». Солнечные световые лучи поглощаются в нижних слоях и, излучаясь обратно в виде инфракрасных лучей, задерживаются ее облачным слоем, как тепло в парниках. С высотой над поверхностью температура понижается, и в стратосфере Венеры царит мороз.

Скорость ветров, составляющая всего несколько метров в секунду в нижних слоях атмосферы, на высотах около 50 км достигает 60 м/с. Через облака Венеры (состоящие, по-видимому, из капелек серной кислоты с небольшой примесью других химических соединений) поверхность планеты не видна. Радиолокационные исследования проводимые как с Земли, так и с борта автоматических межпланетных станций, позволили составить карты рельефа поверхности Венеры. Оказалось, что поверхность планеты в основном гладкая, хотя на ней найдены горные хребты и кратеры.

Марс

По размеру планета занимает промежуточное положение между Землей и Луной. Марс вдвое меньше Земли по диаметру. Его орбита имеет значительный эксцентриситет, поэтому, когда Марс находится в противостоянии вблизи перигелия, он сияет на небе, уступая по яркости только Венере. Такие противостояния называются великими и повторяются через 15 и 17 лет.

В небольшой телескоп легче всего заметить белые полярные шапки на полюсах планеты, состоящие изо льда и замерзшего углекислого газа. Изредка на Марсе происходят мощные месяцами, поднимающие в воздух колоссальнейшие количества мельчайших пылинок. Таким образом, подтверждается существование там песчаных пустынь, определивших собой оранжевый цвет Марса в целом. Судя по пылевым бурям, на Марсе могут быть сильные ветры, дующие со скоростями в десятки метров в секунду.

Марс, подобно Луне и Меркурию, усеян кратерами. Как и на Луне, они в основном образуются от ударов метеоритов. Форма марсианских кратеров свидетельствует о явлениях выветривания и выравнивания его поверхности.

Существование на Марсе атмосферы было установлено уже давно. Однако эта атмосфера очень разрежена, и ее давление примерно в 100 раз меньше земного. В основном она состоит из углекислоты. Кислорода и водяного пара в ней крайне мало, но иногда можно наблюдать редкие белые облака и туман, чаще над полярными шапками.

Вода на Марсе из-за низкого атмосферного давления в основном может существовать только в виде льда.

Год Марса почти вдвое длиннее земного, есть там и смена времен года, так как ось суточного вращения Марса наклонена к плоскости его орбиты, почти как земная.

Суточные температурные изменения на Марсе достигают 80–100°С

На экваторе температура редко поднимается даже летом до 0°С, а к ночи она падает до жестокого мороза (–70–100°С), особенно холодно на полюсах (до –130°С).

Суровые условия на Марсе являются следствием того, что Марс в 1,5 раза дальше от Солнца, чем Земля, и получает энергии от него в два с лишним раза меньше, а ночью грунт из-за разреженности атмосферы остывает очень быстро.

Несмотря на крайне суровые физические условия, Марс является единственной планетой нашей Солнечной системы, на которой можно было ожидать существование примитивных форм жизни.

Планеты-гиганты Из четырех гигантских планет лучше всего изучен Юпитер – самая большая планета этой группы и ближайшая из планет-гигантов к нам и Солнцу. Период его обращения вокруг Солнца около 12 лет. Ось вращения Юпитера почти перпендикулярна к плоскости его орбиты, поэтому смены времен года на нем нет. У всех планет-гигантов вращение вокруг оси довольно быстрое, а плотность мала. Вследствие этого они значительно сжаты. Все планеты-гиганты окружены мощными протяженными атмосферами, и мы видим лишь плавающие в них облака, вытянутые полосами, параллельными экватору. Юпитер вращается зонами – чем ближе к полюсам, тем медленнее. На экваторе период вращения 9 ч 50 мин, а на средних широтах на несколько минут больше. Аналогичным образом вращаются и другие планеты-гиганты. Поскольку планеты-гиганты находятся далеко от Солнца, их температура (по крайней мере над их облаками) очень низка: на Юпитере –145°С, на Сатурне –180°С, на Уране и Нептуне еще ниже. Атмосферы планет-гигантов содержат в основном молекулярный водород, есть там метан СН₄ и, по-видимому, много гелия, а в атмосфере Юпитера и Сатурна обнаружен еще и аммиак NH₃. Отсутствие полос NH₃ в спектрах более далеких планет объясняется тем, что он там вымерз. При низкой температуре аммиак конденсируется, и из него, вероятно, состоят видимые облака Юпитера. Теоретически построены модели массивных планет, состоящих из водорода и гелия. В центре планеты температура может достигать нескольких тысяч градусов. Плотность газовой атмосферы у основания около 100 кг/м³. Малая средняя плотность планет-гигантов может объясняться тем, что она получается делением массы на видимый объем, а объем мы оцениваем по непрозрачному слою обширной атмосферы. Малая плотность и обилие водорода отличают планеты-гиганты от остальных планет. Система колец Сатурна либо возникла при разрушении некогда существовавшего спутника планеты (например, при его столкновении с другим спутником или астероидом), либо же представляет остаток того вещества, из которого в далеком прошлом образовались спутники Сатурна и которое из-за приливного воздействия планеты не смогло «собраться» в отдельные спутники. Недавно были обнаружены очень слабые и тонкие кольца вокруг Урана и Юпитера. Эти кольца значительно уступают по яркости кольцам Сатурна. Из остальных данных о планетах заслуживает упоминания факт осевого вращения Урана в направлении, противоположном тому, в котором вращаются почти все планеты. Ось его образует с плоскостью орбиты угол всего лишь 8°, так что он вращается как бы лежа на боку. Вследствие этого на планете происходит крайне резкая смена времен года. Год на Уране продолжается 84 земных года. Только Уран и Венера вращаются вокруг своей оси не в ту сторону, в которую вращаются все остальные планеты.

Затмения. Малые тела Солнечной системы (астероиды, кометы)

Лунные и солнечные затмения Земля и Луна, освещенные Солнцем, отбрасывают конусы тени (сходящиеся) и конусы полутени (расходящиеся). Они изображены на рисунке. Когда Луна попадает в тень Земли полностью или частично, происходит полное или частное затмение Луны. С Земли оно видно одновременно отовсюду, где Луна над горизонтом. Фаза полного затмения Луны продолжается пока Луна не начнет выходить из земной тени, и может длиться до 1 ч 40 мин. Солнечные лучи, преломляясь в атмосфере Земли, попадают в конус земной тени. При этом атмосфера сильно поглощает голубые и соседние с ними лучи (вспомните спектр), а пропускает внутрь конуса преимущественно красные лучи, которые она поглощает слабее. Вот почему Луна при большой фазе затмения окрашивается в красноватый цвет, а не пропадает совсем. В старину затмения Луны боялись как страшного предзнаменования, считали, что «месяц обливается кровью». Лунные затмения бывают до трех раз в году, разделенные почти полугодовыми промежутками, и, конечно, лишь в полнолуние.

Схема затмений Луны и Солнца (масштаб рисунка не соблюдается). Солнечное затмение как полное видно только там, где на Землю падает пятно лунной тени. Диаметр пятна не превышает 250 км, и поэтому одновременно полное затмение Солнца видно лишь на малом участке Земли. Когда Луна перемещается по своей орбите, ее тень движется по Земле с запада на восток, вычерчивая последовательно узкую полосу полного затмения.

Там, где на Землю падает полутень Луны, наблюдается частное затмение Солнца.

Вследствие небольшого изменения расстояний Земли от Луны и Солнца видимый угловой диаметр Луны бывает то больше, то меньше солнечного, то равен ему. В первом случае полное затмение Солнца длится до 7 мин 40 с, в третьем — только одно мгновение, а во втором случае Луна вообще не закрывает Солнца целиком, наблюдается кольцеобразное затмение! Тогда вокруг темного диска Луны виден сияющий ободок солнечного диска. На основе точного знания законов движения Земли и Луны вычислены на сотни лет вперед моменты затмений и то, где и как они будут видны. Составлены карты, на которых показаны полоса полного затмения, линии, где затмение будет видно в одинаковой фазе (изофазы), и линии, относительно которых для каждой местности можно отсчитать моменты начала, конца и середины затмения. Солнечных затмений в году для Земли может быть от двух до пяти, в последнем случае непременно частных. В среднем в одном и том же месте полное солнечное затмение бывает видно чрезвычайно редко — лишь однажды в течение 200—300 лет. Особый интерес для науки представляют полные затмения Солнца, наводившие ранее суеверный ужас на невежественных людей. Их считали предзнаменованием войны, конца света. Астрономы предпринимают экспедиции в полосу полного затмения, чтобы в течение секунд, редко минут полной фазы изучать внешние разреженные оболочки Солнца, невидимые непосредственно вне затмения. Во время полного солнечного затмения небо темнеет по горизонту горит заревое кольцо — свечение атмосферы, освещенной лучами Солнца в местностях, где затмение неполное, вокруг черного солнечного диска простираются жемчужные лучи так называемой солнечной короны. Если бы плоскость лунной орбиты совпадала с плоскостью эклиптики, каждое новолуние происходило бы солнечное, а каждое полнолуние — лунное затмение. Но плоскость лунной орбиты пересекает плоскость эклиптики под углом 5°9'. Поэтому Луна обычно проходит севернее или южнее плоскости эклиптики, и затмений не происходит. Лишь в течение двух периодов в году, разделенных почти полугодом, когда в полнолунии и новолунии Луна находится вблизи эклиптики, возможно наступление затмения. Дело осложняется тем, что плоскость лунной орбиты вращается в пространстве (это один из видов возмущений в движении Луны относительно Земли, производимых притяжением Солнца). За 18 лет плоскость лунной орбиты делает полный поворот и периоды возможных затмений смещаются по датам года. Ученые древности подметили периодичность в затмениях, связанную с этим 18-летним периодом, и могли поэтому приближенно предсказывать наступление затмений. Сейчас ошибки предвычисления моментов затмений составляют менее 1 с.