АСТРОНОМІЯ - М. В. Головко 2018

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІ. Елементи астрофізики

ТЕМА 2.1. ФІЗИКА ТІЛ СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ

§ 10. ЗЕМЛЯ І МІСЯЦЬ

Земля — космічна домівка людства. Про будову Землі ми детально дізнаємося з географії, про її розмаїтий біологічний світ — з біології. Проте варто пам'ятати, що Земля — це планета Сонячної системи така, як, наприклад, Венера чи Марс. І хоча, як порівняти з іншими небесними тілами, її досліджено найкраще, таємниць залишилося ще багато. А надто — в частині еволюції Землі як космічного об'єкта, її взаємодії з іншими тілами Сонячної системи.

Місяць — супутник нашої планети. Хоча астрономічні спостереження Місяця почалися ще до появи перших телескопів, автоматичні космічні апарати вивчають його понад півстоліття, 40 років тому на його поверхні побували люди, астрономи ще й досі не мають остаточної теорії його виникнення.

1. Земля як небесне тіло. За багатьма ознаками Земля — звичайна планета Сонячної системи. Як й інші планети, вона обертається навколо своєї осі й рухається навколо Сонця. Її розміри не найбільші, але й не найменші серед великих планет Сонячної системи.

І все-таки Земля особлива планета. І не лише тому, що її поверхня на 2/3 вкрита водою, а в її атмосфері є кисень. На Землі є життя! І не просто життя, а життя розумне. Сподіваємось, що в нашій Галактиці Земля — не єдина така оаза.

Земля найважливіша для людини планета, бо це наш космічний дім, наш прихисток у безмежному Всесвіті. Жодна інша планета Сонячної системи не має таких сприятливих умов для життя, як Земля. Немає атмосфери, склад якої забезпечує наше дихання й водночас, як щит, захищає все живе від згубних космічних променів. Немає таких сприятливих температур і величезних водних просторів, яких потребує життя. І це ще більше підвищує нашу відповідальність за збереження тих умов, якими природа наділила Землю.

Рис. 10.1. Земля з відстані 11, 6 млн км. Фото космічного апарата «Вояджер-1» (1977).

Земля — третя числом планета в околі Сонця. Її орбіта має форму еліпса з малим ексцентриситетом (е = 0,0167), тому мало відмінна від кола. Земля рухається по орбіті навколо Сонця зі швидкістю майже 30 км/с на середній відстані 149,6 млн км. Разом з тим вона обертається навколо своєї осі. Вісь Землі нахилена до площини орбіти під кутом 66,5° і під час руху Землі у просторі цей нахил не змінюється. Саме тому у різних точках орбіти одні й ті самі ділянки поверхні планети освітлюються по-різному, що спричиняє періодичну зміну пір року.

У першому наближенні Земля має форму кулі. Але насправді через обертання вона дещо сплюснута біля полюсів й опукла біля екватора. Її полярний радіус на 21,5 км менший за екваторіальний. Тому зазвичай форму Землі подають як еліпсоїд обертання — еліпс, що обертається навколо малої осі.

Ще точніше форму Землі описує геоїд — поверхня геоїда повторює вільну незбуджену поверхню води у Світовому океані, яка уявно продовжена під материками так, що вона скрізь перпендикулярна до напрямку сили тяжіння.

Маса Землі відносно невелика — приблизно у 318 разів менша за масу Юпітера, найбільшої планети в Сонячній системі.

Земля оточена повітряною оболонкою — атмосферою. Атмосфера не має чітких меж, і відповідно до зміни температури з висотою, її поділяють на кілька шарів — тропосферу, стратосферу, мезосферу й термосферу. Згідно з електричними властивостями газів, в атмосфері на висоті 80 км і вище виділяють іоносферу, де повітря сильно іонізоване. Наявність в іоносфері прошарків, що добре відбивають радіохвилі, дозволяє використовувати радіозв'язок. Окрім цього, в атмосфері виділяють ще один шар — озоновий, де є багато триатомних молекул кисню. Локалізований на висоті 18 — 70 км над поверхнею, він повністю поглинає жорстке ультрафіолетове випромінювання Сонця, захищаючи все живе від його смертоносної дії.

Повітря розсіює сині й блакитні промені Сонця, що зумовлює блакитний колір неба. До того ж повітряна оболонка, залежно від величини хмарового покрову, відбиває в космос до 50% сонячного світла. Тому з космосу Земля має вигляд яскравої блакитної планети. Розсіяне атмосферою Землі сонячне світло є причиною того, що ми не можемо спостерігати зорі вдень — вони «губляться» на тлі значно яскравішого світла Сонця.

З космосу планета мало нагадає звичний шкільний глобус: замість чітких обрисів материків і океанів ми бачимо мінливий візерунок білих хмар, що огортають більше половини диска Землі. Проте у проміжках між ними можна розгледіти контури берегових ліній, пустелі, лісові масиви, гірські райони, великі міста. З місячної поверхні нашу планету видно як диск, учетверо більший, ніж диск повного Місяця із Землі. На марсіанському небі Земля сяє як зоря -2,5 видимої зоряної величини.

Водяна пара й почасти вуглекислий газ затримують у нижніх шарах атмосфери значну кількість тепла, яке випромінює Земля. Тоді як до поверхні Землі відносно вільно проходять світлові сонячні промені. Отак, діючи як скло в парниках та оранжереях, атмосфера пропускає сонячні промені всередину, але затримує тепло, що йде назовні. Це явище, назване парниковим ефектом, має винятково велике значення для існування життя на Землі. Завдяки йому поверхня не надто вихолоджується в холодну пору року.

Зникнення водяної пари й вуглекислого газу з атмосфери призвело б до катастрофічного зниження температури на планеті майже на 40°. Замість середньої температури +15°С стовпчик термометра опустився б до -25°, що вкрай негативно відбилося б на існуванні живих істот. Та не лише цей чинник впливає на зміну клімату Землі (їх є декілька, серед яких і астрономічний).

Земля має стале магнітне поле, що простягається від поверхні в космос на кілька її радіусів. Поблизу поверхні воно таке саме, як магнітне поле лінійного магніта (диполя), вісь якого нахилена до осі обертання Землі під кутом 11°. Тому магнітні полюси Землі не збігаються з її географічними полюсами. Наявність магнітного поля пов'язують з дуже повільними рухами речовини у рідкому зовнішньому ядрі планети.

Магнітне поле захоплює й утримує поблизу Землі безліч заряджених частинок, що приходять від Сонця, утворюючи навколо неї радіаційні пояси. Навколоземній простір, фізичні властивості якого визначає взаємодія магнітного поля планети з потоками заряджених частинок, називають магнітосферою. Як і атмосфера, магнітосфера захищає все живе на планеті від жорстких космічних частинок, що приходять від Сонця.

2. Місяць — природний супутник Землі. Природу Місяця почали розуміти задовго до винайдення телескопа. Вже давньогрецькі вчені здогадувалися, що Місяць — кулясте тіло, що обертається навколо Землі і світить відбитим сонячним світлом. У III ст. до нашої ери тодішній видатний астроном Аристарх Самоський з дивовижною для того часу точністю обчислив відстань між Місяцем і Землею у 60 земних радіусів. Хоча насправді ця відстань коливається між 55 і 63 радіусами Землі. Темні ділянки місячного диска греки сприймали як водойми, а світлі, як суходіл. Звідти пішла традиція називати морями ті ділянки Місяця, що відбивають найменше світла. А Ґ. Ґалілей був першим, хто виділив у рельєфі Місяця гори і кратери.

1651 р. італійський астроном Дж. Річчолі та його французький колега Ф. Гримальді опублікували докладну карту Місяця, де великій кількості місячних структур було вперше надано назви. Найпримітніші кільцьові гори вони назвали іменами уславлених вчених, а великі рівнини отримали назви географічного або метеорологічного змісту. Цю класифікацію незабаром визнала наукова громада, її використовують і дотепер. Назви — Море Ясності, Море Спокою, Океан Бурь, кратери Коперника й Тіхо з'явилися завдяки цим астрономам.

До початку космічної ери вже було відомо — Місяць не має атмосфери у звичному розумінні, а внутрішня активність його надр припинилася дуже давно. Проте сліди цієї активності донині є на поверхні Місяця у вигляді двох видів ландшафту — лавових полів океанів і морів та гірських пасм материків.

Найпоширенішим елементом місячного рельєфу є кратери, утворені внаслідок падіння метеоритів. Тільки на видимій стороні Місяця їх налічують до кількох десятків тисяч. А з борта космічних апаратів кратерів розмірами від 60 см до сотень кілометрів можна нарахувати до двохсот тисяч. І це не дивно. Через відсутність атмосфери навіть найменші частинки досягають місячної поверхні й залишають слід від удару.

Виміри показали, що вдень поверхня Місяця розігрівається до +110°С. Та як тільки Сонце зайде за обрій, температура швидко падає до -170°С.

Поверхню Місяця вкриває шар пухкої речовини — реголіт, що структурою й хімічним складом близький до земних вулканічних порід. Реголіт виникає в результаті дроблення, перемішування і спікання місячних порід під час ударів метеоритів, зокрема мікрометеоритів. Середня товщина поверхневого шару становить 2—3 м, а деінде до 10 м. Реголіт утворений уламками місячних порід різного розміру, мінералів та склуватих речовин, зокрема й пилоподібною фракцією. Шар роздроблених порід має низьку теплопровідність, тому, всупереч значним температурним коливанням на поверхні, вже на глибині близько одного метра температура не змінюється.

Місячні моря — це ділянки, що лежать нижче середнього рівня поверхні супутника Землі й мають гладке рівне «дно» з малою кількістю кратерів. Ці ділянки Місяця складені породами, що погано відбивають сонячне світло, і тому здаються темними. Як порівняти з іншими місячними структурами, моря з'явилися не так давно — в період 3,8—3,3 млрд років тому, і схоже, їхня поверхня утворена лавою вулканічного походження.

Материки — це ділянки, що лежать вище середнього рівня поверхні Місяця. Вони відбивають сонячного світла значно більше, ніж моря, і вкриті кратерами різних розмірів. Часто кратери накладаються один на один, і більшість з них, як і великі кругові моря, утворилися внаслідок падіння метеоритів. Коли тіло, що падало на Місяць, мало великі розміри, сила удару спричиняла викид лави з мантії, яка змішувалася з речовиною поверхні. Навколо деяких кратерів помітні промені: вони утворилися з потоків лави, що вилилась після падіння метеорита.

Рис. 10.2. Кратер Коперника на поверхні Місяця.

Сила тяжіння Місяця спричиняє припливні деформації (явище припливів і відпливів) у літосфері, гідросфері й атмосфері Землі. Вони виникають тому, що Місяць з неоднаковою силою притягає до себе різновіддалені від нього частини Землі. Ті частини, що в певний момент часу перебувають найближче до нього, Місяць притягає сильніше, а ті, що перебувають найдалі, - слабкіше, ніж ті, що лежать у центрі. Внаслідок цього тіло Землі деформується й витягається вздовж прямої, направленої в бік Місяця. Це особливо помітно на прикладі Світового океану, в якому утворюються припливні горби, витягнуті вздовж лінії Земля— Місяць. Земля обертається навколо осі, і припливні виступи пересуваються поверхнею морів та океанів услід за Місяцем. Унаслідок цього вода двічі на добу підіймається й опускається, затоплюючи й оголяючи суходіл, що найкраще помітно на узбережжі океанів.

Висота припливу дуже сильно залежить від рельєфу берегової лінії. Найвищі припливи відбуваються на Атлантичному узбережжі Канади в затоці Фанді, де висота припливної хвилі сягає 18 м. У відкритому океані висота хвилі становить 1 — 2 м, що, звісно, не помітно для тих, хто там перебуває. У внутрішніх водоймах припливи практично не відчутні. Наприклад у Чорному морі висота припливної хвилі становить усього 10 см.

Двічі на добу тверда поверхня Землі також піднімається й опускається, але на значно меншу висоту, ніж океан, — усього на 40 см. Припливи й відпливи відбуваються і в газовій оболонці планети, що двічі на добу спричиняє періодичну зміну тиску на кілька мм ртутного стовпчика.

Зауважимо, що через припливи й відпливи Місяць гальмує обертання Землі навколо осі. Розрахунки показують, що на початку історії існування земна доба тривала не 24, а всього 6 годин. Водночас і Земля загальмувала осьове обертання Місяця так, що тепер доба на ньому триває майже 28 земних діб, тобто рівна періоду обертання навколо Землі. Тому нині Місяць повернутий до нас завжди одним боком.

Рис. 10.3. Схема утворення припливів, спричинених дією Місяця.

Місяць перебуває найближче до Землі, тому він став першим небесним тілом, до якого спрямували космічні апарати (1958 р.). У 1959 р. радянський КА «Луна-3» передав на Землю зображення невидимого з поверхні нашої планети боку Місяця. Згодом космічні зонди здійснили м'яку посадку, взяли зразки місячних порід (першим у 1970 р. був зонд «Луна-16», доставив 101 г ґрунту) і доставили їх на Землю. Вершиною радянської місячної програми стала доставка на поверхню Місяця самохідних апаратів «Луноход-1» (1970 — 1971) і «Луноход-2» (1973).

Натомість США, виконуючи проект «Аполлон», здійснили висадку людини на Місяць. Упродовж 1969—1972 рр. місячна кабіна космічних кораблів «Аполлон» з астронавтами на облавку здійснила посадку на Місяць 6 разів: уперше це трапилось 20 липня 1969 року, коли «Аполлон-11» доставив астронавтів Нейла Армстронга та Едвіна Олдріна в море Спокою. Після закінчення радянської космічної програми «Луна» й американської «Аполлон» дослідження Місяця з допомогою космічних апаратів не припинилося, хоча його інтенсивність суттєво зменшилася. Але на початку XXI ст. інтерес до вивчення Місяця знову зріс. Європейське космічне агентство 28 вересня 2003 запустило перший місячний зонд «Смарт-1», а США 2004 р. оголосили про плани створення нових пілотованих космічних кораблів, здатних доставити людей на Місяць.

Космічні дослідження індійської місії «Чандраян-1» (2008) та LCROSS (2009) — Lunar CRater Observation and Sensing Satellite (Космічний апарат для спостереження і зондування місячних кратерів) дали можливість виявити на Місяці воду у вигляді льоду, а також різні хімічні елементи і сполуки — оксид вуглецю, метан, аміак, кальцій, магній, ртуть, срібло тощо. Деякі з цих речовин до складу місячного ґрунту, імовірно, внесли астероїди й комети.

Внутрішню будову природного супутника Землі досліджено не так докладно, як його поверхню. Проте сейсмічні дослідження показали, що, окрім твердої літосфери, Місяць має мантію з частково розплавленим нижнім шаром. А на глибині 1400—1500 км, імовірно, лежить межа місячного ядра. Його існування ще є предметом дискусії, але модель внутрішньої будови Місяця включає ядро з масою не більше 1% від маси всієї місячної кулі.

Маючи масу в 1/81 маси Землі, Місяць не може утримувати значну атмосферу. Швидкість, за якої частинки покидають місячну поверхню, становить 2,38 км/с, а швидкості теплового руху газових частинок здебільшого перевищують це значення. Тому вони або покидають навколомісячний простір, або розсіюються на великі відстані від поверхні. Ця умовна місячна атмосфера перебуває в сильно розрідженому стані і своїми фізичними властивостями аналогічна земній екзосфері (найвищий шар атмосфери Землі).

Основні компоненти місячної атмосфери — це водень, гелій, неон і аргон у сильно іонізованому вигляді. Найбільшу щільність газова оболонка має в нічний час. У денний час доби концентрація газів біля місячної поверхні падає майже в десять разів. Щільність місячної атмосфери мізерно мала в порівнянні зі щільністю земної, але все-таки на три-чотири порядки вища за концентрацію частинок у сонячному вітрі — одному із джерел підживлення атмосфери Місяця.

Місяць практично не має глобального магнітного поля дипольної природи. Плазма сонячного вітру й потоки енергійних частинок вільно досягають місячної поверхні, де їх поглинає реголіт. Величина глобального магнітного поля на поверхні не перевищує 0,5 гам. Проте напруженість місцевого магнітного поля подекуди може сягати 100—300 гам. Появу цих аномалій пояснюють палеомагнетизмом. Але першоджерело стародавніх магнітних полів на Місяці залишається загадковим і є однією з невирішених проблем природи Місяця.

3. Перспективи освоєння Місяця людиною. Оскільки Місяць є найближчим до Землі космічним тілом, то земляни, напевне, освоять його найпершим.

Упродовж першого десятиліття ХХІ ст. на орбіті Місяця працювали космічні апарати США, Китаю, Японії та Індії. І теорія, і практика (прямі дослідження Місяця в останні роки) дають надію, що Місяць може бути освоєний і заселений людиною. Майбутня місячна індустрія забезпечить не тільки нормальне життя мешканців Місяця, але і стане основою для дальшого розвитку науки.

Місяць — вдале місце для астрономічних досліджень. На місячних обсерваторіях можна без перешкод вивчати весь електромагнітний спектр — від гамма-променів до наддовгих радіохвиль. Крім того, стануть доступними для прямого вивчення первинні космічні промені (потоки швидких протонів, альфа-частинок і ядер важких елементів), які крізь атмосферу нашої планети в «чистому» вигляді до земного спостерігача не доходять. Окремою, дуже важливою, галуззю місячної науки може стати «Служба Землі». Під цим терміном мають на увазі регулярні спостереження з Місяця земної атмосфери й вивчення глобальних змін у біосфері Землі, зумовлених техногенною діяльністю людини. Спостереження з поверхні Місяця допоможуть поліпшити синоптичні прогнози, що має велике практичне значення.

Як наукова лабораторія Місяць цікавий не тільки астрономам, але й фізикам, геологам, біологам. Освоєння Місяця виявить нові непередбачені напрямки місячної науки й особливі риси розвитку місячної техніки. Місяць може бути проміжним космодромом для міжпланетних польотів, відправною точкою для освоєння землянами Сонячної системи.

Зрештою йдеться про колонізацію Місяця людиною. Вже нині деякі науковці вважають його потенційним сьомим континентом Землі. Тому не дивно, що окремі «підприємливі» люди продають ділянки на Місяці, а інші — планують возити туди туристів. Якщо перше суперечить міждержавним угодам — космічні тіла не можуть бути приватизовані окремими державами чи фізичними особами, то друге — цілком можливе.

НАВЧАЛЬНІ ЗАВДАННЯ

• Як зі спостережень Місяця, користуючись лише біноклем чи невеликим телескопом, можна зробити висновок, що період обертання Місяця навколо осі рівний періоду його обертання навколо Землі?

• Чому під час припливів світовий океан витягається не лише в бік Місяця, а й у протилежному напрямку?

ВИСНОВКИ

Земля має один природний супутник - Місяць. Це найближче до нас небесне тіло. Саме тому там вже побували люди. Місяць розглядають як місце створення бази землян - наукового та технічно-технологічного форпосту для подальшого освоєння тіл Сонячної системи.