§7. Загальна характеристика планет. Земля

До складу Сонячної системи входять 9 планет. Кожна з них — це особ­ливий, унікальний світ, вивчення якого є одним із завдань астрономії. Спо­стерігаючи за планетами із Землі, вдалося встановити їхні розміри та масу, періоди обертання навколо Сонця та наявність атмосфери, хімічний склад та умови на поверхні. Розвиток космонавтики дозволив вивчати планети та їхні супутники за допомогою безпілотних міжпланетних станцій, які обладнані телевізійною, радіолокаційною апаратурою та іншими пристроями. Отримана у такий спосіб інформація значно розширила, поповнила та уточнила наші знання про планети. Дослідження Сонячної системи тривають.

Доволі важливим є питання утворення Сонячної системи. Намагаючись пояснити її закономірності, вчені висувають гіпотези про її походження. Згі­дно з гіпотезою, що належить О.Ю. Шмідту (1891-1956), Сонячна система почала формуватися близько 5 млрд. років тому. Із газопилової хмари, що повільно оберталася, дуже швидко — за сотні років — утворилося Протосонце, яке внаслідок гравітаційного стискання нагрівалося. Протопланетна хмара оберталася все швидше, набуваючи форму диска, у центрі якого містилось Сонце. Молода зоря продовжувала розжарюватись, і під дією тиску її світла легкі хімічні елементи (Н, Не) розсіювались на периферію протопланетного диска, а важчі залишалися ближче до центра. Тим часом частинки газу та пи­лу об'єднувалися в невеликі холодні тверді тіла — планетезималі (від анг­лійського planetпланети, infinitesimalнескінченно мала величина). Ма­сивніші планетезималі збільшувались за рахунок налипання на них дрібні­ших. Таким чином речовина протопланетного диска зібралася у згустки, з яких і сформувалися планети, їхні супутники, астероїди, комети. Поблизу Сонця утворилися планети з важких хімічних елементів, а віддаленні планети складаються переважно з водню та гелію. Сильне гравітаційне поле Юпітера перешкодило утворенню великої планети між орбітами Марса та Юпітера — зараз там пояс астероїдів. Формування планет тривало 100 млн. років, стільки ж часу розігрівалося, стискуючись, Сонце до початку термоядерних реакцій у його надрах.

Дана гіпотеза сьогодні вважається найобґрунтованішою, бо пояснює те, що у Сонячній системі:

усі планети мають приблизно колові орбіти, що лежать майже в одній площині (виняток — Плутон);

планети обертаються навколо Сонця в одному напрямку;

маса Сонця становить 99,87% усієї маси системи;

за фізичними властивостями планети поділяють на дві групи;

переважна більшість супутників планет рухається у площинах їхніх ек­ваторів у тому ж напрямі, що й планети.

Перевірити достовірність даної гіпотези поки що важко. Крім Сонячної системи, астрономам лише нещодавно вдалося виявити планетні системи бі­ля інших зір. Дані спостережень допоможуть остаточно сформулювати теорію походження планетних систем, зокрема Сонячної.

За фізичними характеристиками планети, поділяють на дві групи:

планети земної групи (Меркурій, Венера, Земля, Марс);

планети-гіганти (Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун).

Плутон займає особливе місце, він має властивості, притаманні гігантам, хоча за розмірами є найменшою планетою Сонячної системи.

Усі планети земної групи мають тверду поверхню і велику середню гус­тину. Вони відносно повільно обертаються навколо своєї осі й мають мало (або не мають узагалі) супутників. Для планет-гігантів характерними є значні розміри та швидке осьове обертання. У них нема твердої поверхні, але є багато природних супутників та кільця. Планети земної групи складаються в основному з важких хімічних елементів (Fe, Si, O), а планети-гіганти — пере­важно з легких (H та He).

Усі великі планети Сонячної системи оточені атмосферою — шаром га­зів що утримується біля поверхні планет їх гравітацією. Розмірами, масою та розташуванням планети визначається густина та склад її атмосфери. У Мерку­рія, наприклад, вона надзвичайно розріджена, а в Юпітера дуже густа. У складі атмосфер планет-гігантів переважають водень, гелій, аміак, метан. Це зумовле­но тим, що при утворенні Сонячної системи з газопилової хмари важкі елементи залишилися біля Сонця, а водень і гелій перемістилися на периферію.

Результатом життєдіяльності земної флори є значний уміст кисню в атмосфері нашої планети. В газових оболонках інших планет кисню дуже мало.

Атмосфера відіграє важливу роль у тепловому балансі планети. Наприклад, водяна пара та вуглекислий газ земної атмосфери поглинають теплове проміння, захищаючи поверхню планети від охолодження. Іншими словами, атмосфера створює парниковий ефект, підвищуючи середню температуру на Землі на 30-40°С. Атмосфера Венери значно щільніша за Земну і складається переважно з вуглекислого газу (96%). Це дуже підсилює парниковий ефект на цій планеті.

Земля — третя від Сонця і п'ята за величиною планета Сонячної системи. За сучасними космогонічними уявленнями, її вік становить близько 4,6 млрд. років. Земля рухається навколо Сонця по еліптичній орбіті, середній радіус якої 149,6 млн. км. Планета також здійснює осьове обертання, результатом якого є її стиск (екваторіальний радіус Землі на 21,38 км більший за полярний). Тому форма Землі, хоч і дуже близька до кулястої, не є такою. Поверхня нашої планети має форму геоїда. Відомо, що прискорення вільного падіння на різних широтах різне — від 9,78 м/с2 на екваторі до 9,83 м/с2 на полюсах.

Земля — єдина планета Срняцної системи, яка має гідросферу (на якій вода існує в рідкому стані). 70,8% поверхні нашої планети (361 млн. км2) покриті водою. Середня глибина Світового океану дорівнює 3900 км. Величезна кількість води, питома теплоємкість якої висока, запобігає різким добовим та сезонним перепадам температури на планеті. Світовий океан є колискою життя на Землі.

149 млн. км (29,2% поверхні Землі) займає суходіл. На Землі є 6 материків і значна кількість островів. Євразія — найбільший материк (37% суходолу), Австралія — найменший. Домінуючим видом рельєфу материків є рівнини. Гори, а особливо високі, займають незначну частину поверхні планети. Материк Антарктида повністю вкритий льодовиком. У льодовику сконцентрована більша частина прісної води Землі. Якби лід повністю розтанув, рівень Світового океану піднявся б на 60 м.

Земна поверхня відносно молода. Протягом останніх 500 мли років (за астрономічними мірками — це мало) ерозія і тектонічні процеси зруйнували майже всі сліди ранньої геологічної поверхні (зокрема, метеоритні кратери).

Безпосереднє вивчення надр планети неможливе, бо навіть найглибші свердловини завглибшки близько 15 км, що в 425 разів менші за радіус Землі. Джерелом інформації про внутрішню будову планети є сейсмологія — наука про поширення пружних хвиль у Землі. Використовуючи сейсмічні методи, а також вивчаючи вулканічні викиди, вдалося зазирнути у глибини нашої планети. Встановлено, що Земля має шарувату будову і складається з ядра, мантії та літосфери.

Тверду оболонку Землі називають літосферою (від грецького літос — камінь), або корою (див. рис. 1). Товщина земної кори неоднакова: під материками вона становить 35-65 км, а під океанічним дном — 6-8 км. Верхній шар земної кори складається переважно з оксидів кремнію, алюмінію, заліза та лужних металів. Середній шар кори гранітний, а нижній сформований із базальтів. Під океанами гранітного прошарку у корі нема. Літосфера складається з 8 величезних літосферних плит, які дуже повільно переміщуються. Найбільша — Тихоокеанська плита — рухається найшвидше — 9,3 см/рік. Межі плит є областями підвищеної сейсмічної та вулканічної активності.

Під корою залягає мантія. Вона складається з базальтів і силікатів, які перебувають розплавленому, але дуже в'язкому стані. Межа між корою і мантією, на якій різко зростає густина називається поверхнею Мохоровичича (А. Мохоровичич (1857-1936) — югославський учений). На глибині 120-250 км під материками та 60-400 км під океанами розташований шар мантії, який називають астеносферою (від грецького астенес — слабкий). Речовина астеносфери, як і усієї мантії, близька до плавлення, але в'язкість її низька. Літосферні плити ніби плавають в астеносфері.

На глибині 2900 км виявлений різкий стрибок густини речовини від 5560 кг/м3 до 10100 кг/м3 . Тут починається зовнішнє ядро. Його речовина електропровідна, дуже розжарена і перебуває під величезним тиском у стані дуже в'язкої рідини. Всередині зовнішнього ядра розташоване тверде внутрішнє ядро. Його радіус приблизно 1250 км. Ядро, імовірно, складається в основному із заліза та нікелю.

Буруючи свердловини, вчені виявили що в корі на глибині 10 км темпера­тура сягає 180°С. Із глибиною температура, тиск та густина речовини зростають. У центрі ядра температура досягає 9000°С (вища, ніж на поверхні Сонця), густи­на понад 15 000 кг/м3, а тиск у 3,5 млн. разу більший за нормальний атмосферний.

Переважна частина маси Землі зосереджена в мантії та ядрі. На літосфе­ру, гідросферу та атмосферу разом припадає менше ніж 0,5% земної маси.

Основними хімічними елементами, з яких складається наша планета, є Fe, O, So і Mg. Усі вони важкі, тому Земля має найбільшу серед­ню густину в Сонячній системі — 5517 кг/м3, що приблизно дорівнює густині мантії. Середня густина земної кори удвічі менша — 2700 кг/м3, а ядро, відповідно, більш щільне.

Земля оточена атмосферою, 78% маси якої складає азот, 21% кисень, а вміст решти газів малий. Вуглекислого газу в атмосфері зараз 0,03%, але він відіграє дуже важливу роль, підтримуючи парниковий ефект. Досліджуючи газ, ізольований у порожнинах древніх гірських порід, учені дійшли висновку, що земна атмосфера зазнала значних змін у процесі еволюції. Зокрема, 3,5 млрд. років тому в атмосфері було близько 60% вуглекислого газу, близько 40% сполук сірки і зовсім мало аміаку, азоту та інертних газів.

Протягом перших 4 млрд. років існування Землі вільного кисню в її атмосфері не було. В геологічних пластах знайдені речовини відповідного віку, які легко окиснюються, але не окиснені. Значна кількість кисню в атмосфері нашої планети зараз зумовлена життєдіяльністю рослинного світу протягом останніх 400 млн. років.

Розрізняють кілька шарів атмосфери Землі. Найнижчий шар називають тропосферою. Тут зосереджено понад 80% усієї маси повітряної оболонки Землі. На висоті 12-15 км тропосфера межує зі стратосферою. Температура газу там -55°С, а тиск усього 0,026 атм. У стратосфері на висоті 20-30 км над поверхнею планети є шар озону (О3). Озон поглинає шкідливе короткохвильове (λ < 3-10-7 м ) випромінювання Сонця. Результатом недбайливої діяль­ності людини є інтенсивне руйнування озонового шару. Верхні шари атмос­фери, іонізовані сонячним промінням, називаються іоносферою. Сліди атмо­сфери простежуються до висоти майже 2000 км.

Навколо Землі існує магнітне поле. Електропровідна речовина зовніш­нього ядра безперервно рухається. Потоки плазми у надрах планети і є тими струмами, навколо яких виникає земне магнітне поле. Його полюси з часом зміщуються. Простір навколо планети, у якому проявляється дія її магнітного поля, називають магнітосферою. З космічного простору у магнітосферу по­трапляє значна кількість заряджених частинок (протонів, електронів, а-частинок). Рухаючись по спіралях уздовж магнітних ліній поля, частинки утворюють радіаційний пояс. Залежно від енергії, частинки проникають на різну глибину магнітосфери, утворюючи в радіаційному поясі три зони (три максимуми). Біля магнітних полюсів Землі частинки радіаційного поясу по­трапляють в іоносферу і бомбардують молекули повітря, унаслідок чого ті випромінюють світло. Так виникає полярне сяйво. Це мальовниче оптичне явище відбувається на висотах від 80-100 до 400 км, а іноді до 1000-1100 км. Потік частинок із Сонця (сонячний вітер) дуже впливає на форму магніто­сфери, значно викривляючи її. Під час сонячної активності у простір викида­ється значна кількість заряджених частинок із високими енергіями. Раптове посилення сонячного вітру спричиняє збурення магнітного поля Землі. Ви­никають так звані магнітні бурі, під час яких погіршується радіозв'язок.




© 2008-2012 Лекції по астрономії | Povered by Nano-CMS | Бесплатный хостинг