Планеты земной группы

ТЕМА 12 ПЛАНЕТЫ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ. СИСТЕМА ЗЕМЛЯ-ЛУНА.

Землю с её спутником Луной нередко называют двойной планетой. Этим подчёркивается как общность их происхождения, так и редкостное для планет соотношение масс центрального тела и спутника. Масса Луны составляет  массы Земли. Масса спутников других планет является ничтожно малой по сравнению с массой самих планет. Вероятно, Луна образовалась примерно в то же время, что и Земля. Расстояние между ними было в несколько раз меньше, чем теперь. С той поры Луна постепенно удаляется от нашей планеты с очень малой скоростью (в настоящее время — около 4 см/год).

1. Земля

Природа Земли достаточно подробно изучается в курсе географии. Напомним вкратце лишь те сведения, которые необходимы для её сравнения с другими планетами.

Строение. Основными оболочками земного шара являются атмосфера, гидросфера и литосфера. Соответствующие этим оболочкам три агрегатных состояния вещества — газообразное, жидкое и твёрдое — являются привычными для нас, жителей Земли. Атмосферой обладает большинство больших планет Солнечной системы, твёрдая оболочка характерна для планет земной группы, спутников планет и астероидов. Гидросфера поверхности Земли — особое явление в Солнечной системе. Вода в жидком виде может существовать лишь при определённых значениях температуры и давления газовой среды. Будучи весьма распространённым во Вселенной химическим соединением, вода на других телах Солнечной системы встречается в основном в виде льда, хотя подлёдные океаны из жидкой воды могут присутствовать на некоторых спутниках Юпитера.

Литосфера. На протяжении миллиардов лет существования Земли в твёрдом теле планеты происходили процессы, существенно изменившие первоначальный состав вещества и его распределение в литосфере. За счёт энергии, выделяющейся при распаде радиоактивных элементов, происходило расплавление и дифференциация вещества. В результате лёгкие соединения, в основном силикаты, оказались наверху и образовали кору Земли, а более тяжёлые остались в центральной части — ядре.

Толщина коры относительно невелика и меняется от 4—10 км под океанами до 30—70 км под материками. Радиус ядра составляет примерно половину радиуса планеты, причём в его внутренней части вещество находится в твёрдом состоянии, а во внешней — в жидком. Между ядром и корой располагается промежуточная оболочка — мантия. Плотность вещества по мере удаления от центра планеты уменьшается от 17 000 кг/м³ (в ядре) до 2700 кг/м³ (в коре).

Рис. 4.2. Внутреннее строение планет земной группы и Луны: 1 — кора; 2 а, б, в — мантия; 3 — ядро

Рис. 4.3. Схема парникового эффекта

Результаты исследований, выполненных с помощью космических аппаратов, показали, что внутреннее строение планет земной группы и Луны в общих чертах схожи, лишь твёрдое ядро у Луны практически отсутствует (рис. 4.2).

Атмосфера. Определённое сходство свойственно также и атмосферам планет земной группы, среди которых атмосфера Земли выделяется своим уникальным химическим составом (см. приложение IV).

Атмосфера рассеивает и поглощает солнечное излучение, она во многом определяет тепловой баланс планеты благодаря так называемому парниковому эффекту. Так, нагретая солнечным излучением поверхность суши и океана Земли сама излучает в инфракрасном диапазоне. Оно поглощается углекислым газом и парами воды земной атмосферы, которая тем самым удерживает тепло (рис. 4.3).

На протяжении миллионов лет существования Земли установилось равновесие между потоком энергии, поступающей от Солнца, и потоком энергии, излучаемой планетой обратно в космическое пространство. Чем плотнее атмосфера планеты и чем больше в ней парниковых газов (углекислый газ, водяной пар и др.), тем сильнее проявляется парниковый эффект. Эта закономерность хорошо прослеживается для планет земной группы. На Земле равновесие установилось при температуре +15 °С (около 290 К), а на Венере — при значительно более высокой, +470 °С (около 740 К). Увеличение содержания парниковых газов антропогенного происхождения (сжигание топлива) считается наиболее вероятной причиной потепления климата Земли, наблюдаемого в настоящее время. Сильная облачность также влияет на температуру поверхности Земли: задерживая видимое излучение Солнца днём и инфракрасное излучение Земли ночью, оно существенно уменьшает амплитуду суточных колебаний температуры. На суточный ход температуры также влияет испарение и конденсация влаги, происходящие с обменом энергии между поверхностью Земли и атмосферой. В результате при пасмурной погоде почва и воздух ночью охлаждаются не столь интенсивно, как при ясном безоблачном небе, когда могут случиться ночные заморозки.

Нижний слой атмосферы, который называется тропосферой, в средних широтах имеет высоту 10—12 км, а в экваториальных — 16—17 км. В тропосфере содержится более 90% всей массы атмосферы и практически все водяные пары. Именно здесь в основном происходят явления, которые определяют погоду. По мере удаления от земной поверхности температура снижается и на верхней границе тропосферы составляет примерно –50 °С.

Над тропосферой до высоты 50—55 км простирается стратосфера, в которой находится слой озона (O₃). Здесь, начиная с высоты около 25 км, температура атмосферы растёт за счёт поглощения озоном ультрафиолетового излучения Солнца. Выше — в мезосфере — температура снова уменьшается и на высоте около 90 км достигает абсолютного минимума –90 °С, а в летние месяцы в умеренных и полярных широтах — иногда до –150 °С!

Плотность атмосферы с высотой уменьшается: на высоте 5,2 км она вдвое меньше, чем у поверхности, а на высоте порядка 100 км в миллион раз меньше. Примерно до этих высот состав атмосферы остаётся неизменным — смесь газов, получившая название воздуха. На больших высотах, в термосфере (80—800 км), состав атмосферы существенно меняется. С ростом высоты возрастает доля гелия и водорода. За счёт поглощения ультрафиолетового излучения Солнца температура значительно возрастает (до 1500 °С на высоте 600 км). Поглощение излучения вызывает диссоциацию молекул, а также ионизацию молекул и атомов с образованием свободных электронов. Таким образом, термосфера планеты является вместе с тем её ионосферой. Самый внешний слой атмосферы называется экзосферой, откуда атомы и молекулы могут беспрепятственно ускользать в космическое пространство.

Магнитосфера Земли. На высотах более 1000 км поведение и распределение заряженных частиц неразрывно связано с магнитным полем Земли. В околоземном космическом пространстве существует область, которую называют магнитосферой, хотя по своей форме она вовсе не является сферой. Структура геомагнитного поля на дневной и ночной стороне Земли благодаря наличию солнечного ветра существенно отличается. Этот поток плазмы, непрерывно обдувающий Землю, имеет собственное магнитное поле, которое взаимодействует с геомагнитным полем и вызывает его значительную деформацию. При набегании потоков солнечного ветра на магнитное поле Земли они прежде всего тормозятся, и в результате возникает ударная волна. В целом магнитосфера принимает форму цилиндра с выпуклым в сторону Солнца дном. Она сжата с дневной стороны и вытянута в виде сигарообразного шлейфа с ночной. Этот шлейф диаметром немногим менее 250 тыс. км простирается за Землёй на 5,6 млн км.

Небольшая часть захваченных геомагнитным полем заряженных частиц образует вокруг нашей планеты радиационный пояс. Здесь движутся протоны, ионы и электроны, обладающие самой высокой энергией. Эти частицы, попадая из радиационного пояса в верхние слои атмосферы в районе полюсов, заставляют светиться её основные составляющие — азот и кислород, вызывая полярные сияния.

2. Луна

По своей природе Луна относится к телам планетного типа. Её радиус составляет около 1700 км, масса в 81 раз меньше земной, а средняя плотность примерно 3300 кг/м³.

Несмотря на общность происхождения, природа Луны существенно отличается от земной. Из-за того что сила тяжести на поверхности Луны в 6 раз меньше, чем на поверхности Земли, молекулам газа гораздо легче покинуть Луну. Для этого достаточно скорости примерно 2,4 км/с, поэтому на нашем спутнике нет и не было ни гидросферы, ни атмосферы. Луна не имеет также заметного магнитного поля.

Медленное вращение вокруг оси приводит к тому, что в течение дня поверхность Луны нагревается до +130 °С (400 К), а в течение ночи остывает до –170 °С (100 К). Из-за отсутствия атмосферы лунная поверхность подвержена непосредственному воздействию всех видов излучения, а также постоянной «бомбардировке» метеоритами и более мелкими частицами — микрометеоритами, которые падают на неё с космическими скоростями (десятки километров в секунду). В результате вся Луна покрыта слоем мелкораздробленного вещества — реголита, толщина которого в ряде случаев превышает 10—12 м (см. рис. 2 на цветной вклейке III). Теплопроводность реголита очень мала (примерно в 10 раз меньше теплопроводности окружающего нас воздуха), поэтому уже на глубине нескольких десятков сантиметров колебания температуры практически отсутствуют.

Даже невооружённым глазом видно, что на Луне есть светлые области — материки и более тёмные — моря (см. рис. 1 на цветной вклейке III). Современные исследования показали, что они отличаются не только по внешнему виду, но также по рельефу, геологической истории и химическому составу покрывающего их вещества. Луна является единым материковым щитом, на котором в виде отдельных вкраплений располагаются пониженные участки поверхности, покрытые застывшей лавой, — моря. Они занимают примерно 40% площади видимой стороны Луны (рис. 4.4). Самая крупная равнина получила название Океан Бурь, следом идёт Море Дождей, Море Холода, Море Спокойствия и др. Так их назвали ещё в начале XVII в. Море Дождей окружают горные хребты высотой 3—5 км, получившие такие же названия, как и земные горные массивы, — Кавказ, Альпы, Апеннины и т. п. Все эти горы сбросового типа. Вероятно, складчатых гор, характерных для нашей планеты, на Луне нет. В различных частях Луны заметны такие формы рельефа, как борозды и трещины, по которым происходило смещение отдельных участков лунной коры по вертикали и горизонтали.

Рис. 4.4. Карта видимого полушария Луны

Наиболее характерными формами рельефа Луны являются кратеры самого различного размера. Они получили имена в честь известных учёных — Коперника, Кеплера, Птолемея и др. При наблюдениях с Земли в телескоп можно различить кратеры диаметром не менее 1 км. Их насчитывается около 300 тыс. Множество кратеров метрового и сантиметрового размеров видны на снимках лунной поверхности, полученных космическими аппаратами. На более древней поверхности материков на единицу площади приходится примерно в 30 раз больше кратеров, чем на относительно молодой поверхности морей. Именно поэтому поверхность материков выглядит такой неровной. Кратеры образуются при падении на Луну тел из космического пространства. При ударе о поверхность Луны этих тел, обладающих значительной кинетической энергией, происходит взрыв. В результате разрушаются и само тело, и лунные породы, их обломки и пыль разлетаются во все стороны, а на месте взрыва образуется углубление — кратер.

Самые крупные кратеры (100 км и более в диаметре) окружены возвышающимся на 2—3 км над окружающей местностью валом с пологими склонами. Глубина кратера обычно в 5—10 раз меньше его диаметра и немногим больше высоты вала. Дно крупных кратеров нередко бывает частично или полностью затоплено лавой, над которой возвышается центральная горка. Характерным примером является кратер Архимед диаметром около 80 км (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Кратер Архимед

Рис. 4.6. Панорама лунной поверхности

На поверхности Луны повсюду видны выброшенные при образовании кратеров камни различных размеров и форм (рис. 4.6). Некоторые из них при падении на Луну также образуют кратеры, которые называют вторичными. Вероятно, множество таких кратеров и мелкораздробленное вещество образуют светлые лучи, которые прослеживаются на поверхности вокруг некоторых кратеров иногда на расстоянии до 1500 км. Так далеко разлетаются продукты мощных взрывов вследствие малой силы тяжести и отсутствия атмосферы на Луне.

Исследования Луны с помощью космических аппаратов начались ещё в 1959 г. Тогда советская автоматическая станция «Луна-3» впервые сфотографировала обратную сторону Луны. По традиции находящиеся на ней кратеры получили имена учёных — Джордано Бруно, Ломоносова, Жолио-Кюри, Королёва и др., а также космонавтов — Гагарина, Комарова и др. Оказалось, что практически все моря находятся на видимой стороне Луны, а впадины, которые есть на её обратной стороне (рис. 4.7), в большинстве своём не заполнены лавой. В последующем съёмка лунной поверхности неоднократно проводилась советскими и американскими космическими аппаратами. К настоящему времени составлены подробные карты обоих полушарий Луны и её отдельных регионов, на которых зафиксированы объекты размером до 10 м.

Рис. 4.7. Карта обратной стороны Луны

Важные исследования были проведены советскими автоматическими станциями серии «Луна» и американскими аппаратами «Сервейор» на её поверхности. Первой была «Луна-9», совершившая мягкую посадку на Луну в феврале 1966 г.

Луна стала первым и пока единственным небесным телом, на которое в 1969 г. ступила нога человека, американского астронавта Нейла Армстронга. В дальнейшем в ходе реализации американской программы «Аполлон» на Луне побывало 12 астронавтов, которые пробыли там в общей сложности 300 ч (рис. 4.8). Длительное время работали на Луне советские самоходные аппараты «Луноход-1» и «Луноход-2», которые обследовали лунную поверхность на площади свыше 100 км². Покрывающий всю лунную поверхность реголит по своим физико-механическим свойствам (размеры частиц, прочность и т. п.) похож на влажный песок. Он представляет собой смесь мелких обломков горных пород, остеклованных и оплавленных частиц, возникающих при образовании кратеров. Средний размер частиц реголита около 1 мм, однако встречаются и более крупные (см. рис. 3 на цветной вклейке III). На многих частицах с помощью микроскопа можно различить мельчайшие кратерочки, образовавшиеся при ударах микрометеоритов.

Рис. 4.8. Американский астронавт на Луне

Американские корабли «Аполлон» и советские автоматические станции доставили на Землю около 400 кг образцов лунных пород, которые были подвергнуты детальному химическому анализу в лабораторных условиях на Земле. Породы Луны похожи на земные изверженные породы, но обеднены по сравнению с ними летучими элементами, железом и водой. Набор минералов в их составе оказался беднее (около 50), чем в земных породах, где содержится более 2000 минералов. В лунных породах преобладают силикаты и оксиды, встречаются также фосфаты, сульфиды, карбиды и фосфиды. На Луне практически нет минералов, отличающихся от земных, но в то же время отсутствуют те из них, которые могут образовываться в водной среде и при наличии свободного кислорода. Никаких признаков жизни даже в виде микроорганизмов или органических соединений на Луне не обнаружено.

Доставленные на поверхность Луны сейсмометры позволили зарегистрировать большое число лунотрясений — до 3000 за год. Однако все они очень слабы — их сейсмическая энергия в миллиард раз меньше, чем на Земле. Так же как и на Земле, регистрация сейсмических колебаний позволила уточнить внутреннее строение Луны. Оказалось, что лунная кора значительно толще земной: от 60 км на видимом с Земли полушарии до 100 км на обратной стороне. Структура верхних слоев коры исследовалась посредством активных сейсмических экспериментов при падениях на Луну отработанных частей кораблей «Аполлон» и искусственных взрывах на поверхности Луны. Под реголитом лежит слой пород, выброшенных при образовании крупных кратеров. Его толщина меняется от нескольких десятков до сотен метров. Ещё ниже до глубины примерно 1 км располагаются растрескавшиеся от многочисленных ударов базальтовые породы.

Определённый различными методами возраст пород, доставленных с Луны, как говорилось ранее, близок к возрасту Земли, что свидетельствует об их совместном происхождении. В то же время на лунной поверхности не было обнаружено более молодых пород, что говорит о давнем прекращении лавовых излияний и вулканической активности.

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

В настоящее время существуют детально разработанные проекты создания на Луне крупной обитаемой базы (рис. 4.9), где смогут длительное время находиться участники экспедиций. Наличие такой базы позволит постоянно проводить наблюдения за нашей планетой, объектами ближнего и дальнего космоса, а также другие исследования, которые трудно осуществить на Земле или на орбитальных станциях. Так, например, обратная сторона Луны удобна для размещения радиотелескопов, поскольку тем самым практически исключаются помехи наземных радиотехнических средств. При реализации этих проектов предполагается максимально использовать ресурсы самой Луны.

Рис. 4.9. Один из проектов лунной базы

В этой связи немаловажное значение приобретает тот факт, что благодаря исследованиям, проведённым в последние годы, на Луне обнаружены весьма заметные запасы воды. Бомбардировка лунной поверхности вблизи её южного полюса ракетой-носителем «Центавр» и специальным зондом позволила установить, что в веществе, выброшенном при взрыве, действительно содержится вода. Российский нейтронный детектор ЛЕНД, установленный на борту американского искусственного спутника Луны ЛРО, показал, что водяной лёд составляет 3—8% массы пород в её приполярной зоне. Согласно предварительным оценкам, из тонны лунного грунта можно получить порядка 40—45 л воды. В перспективе воду можно будет использовать в различных целях: частично на бытовые нужды, частично разложив на кислород и водород. Кислород необходим для дыхания, а водород является прекрасным топливом. О намерении создать на Луне базы заявили несколько стран, в том числе Россия, Китай и Индия. В качестве сроков реализации проектов называются 30—40-е гг. текущего столетия.

1) Меркурий .

Меркурий первая планета солнечной системы. Среднее расстояние от Солнца 0,387 астрономических единиц (58 млн. км). Движение планеты происходит по сильно вытянутой эллиптической орбите с перигелием (кратчайшее расстояние от планеты до Солнца) 45,9 млн. км. и афелием (максимальное расстояние от планеты до Солнца) 69,7 млн. км. Расстояние планеты до Земли изменяется от

82 до 217 млн. км.
    Меркурий – самая маленькая планета земной группы, в 2 раза меньше Земли. Его радиус составляет всего 2439 км.

 Поверхность Меркурия покрыта тысячами кратеров, возникших вследствие столкновения с метеорами. В условиях почти отсутствующей атмосферы, падающие метеоры не сгорают от трения и благополучно достигают поверхности планеты. Наряду с этим Меркурий содержит возвышенности и равнины. Одна из самых заметных равнин Меркурия это Равнина Жары. Ее размер составляет 1300 км. в диаметре. Появление равнины предписывают

столкновением планеты с массивным астероидом.
      При наиболее благоприятных условиях планету можно увидеть рано утром на востоке до восхода Солнца или на западе после захода Солнца. Поэтому в древности Меркурий часто принимался за два различных светила (утреннее и вечернее). По своему внешнему виду Меркурий очень похож на Луну, также меняет фазы: от узкого серпа до светлого круга.

Атмосфера Меркурия своеобразна и состоит, в основном, из кислорода, натрия и гелия. Из-за высокой температуры планеты атомы атмосферы все время улетучиваются в космос, но также постоянно пополняются за счет атомов, приносимых солнечным ветром. Из-за очень сильного разрежения, понятие – атмосфера Меркурия, носит скорей условный характер, атмосферное давление Меркурия меньше земного в 500 000 000 000 раз, а это сравнимо с  обыкновенным вакуумом.
    Поскольку Меркурий ближайшая планета к Солнцу, то на его поверхность приходиться большая доля солнечного излучения, примерно в 10 раз, больше, чем на землю, поэтому температура на его поверхности достаточно высокая и достигает 467°C. Ночная температура гораздо ниже и понижается до минус 183°C.
    Меркурий движется по орбите со средней скоростью 47,9 км./сек и совершает полный оборот вокруг Солнца за 87,97 земных суток, вокруг собственной оси планета вращается достаточно медленно, за два оборота вокруг Солнца планета совершает приблизительно три оборота, что составляет 58,65 земных суток.

2)Венера.

Венера – вторая по удаленности от Солнца планета Солнечной системы и третий по яркости объект на небе; ее блеск уступает только блеску Солнца и Луны. Венера – одно из красивейших светил неба, поэтому ей древние римляне присвоили имя богини любви и красоты. Венера – внутренняя планета. Она относится к числу планет, известных человечеству с древнейших времен.     Среднее расстояние Венеры от Солнца 108 млн км.

По размерам Венера довольно близка к Земле. Радиус планеты равен 6051,8 км.

Рельеф Венеры состоит из обширных равнин, горных цепей. На планете происходит извержение вулканов, выявлены многочисленные кратеры.

Найти Венеру на небе проще, чем любую другую планету. Ее плотные облака прекрасно отражают солнечный свет, делая планету яркой. Поскольку орбита Венеры ближе к Солнцу, чем земная, то в нашем небе Венера никогда сильно не удаляется от Солнца. Каждые семь месяцев в течение нескольких недель Венера представляет собой самый яркий объект в западной части неба по вечерам. Ее называют "вечерней звездой".

Атмосферу на Венере открыл М.В. Ломоносов 6 июня 1761 г, она состоит в основном из углекислого газа (96 %) и азота (почти 4 %). Водяной пар и кислород содержатся в ней в небольших количествах (0,02 % и 0,1 %).      Температура на поверхности Венеры около 475 °C, она превышает температуру поверхности Меркурия, находящегося вдвое ближе к Солнцу. Причиной высокой температуры на Венере является парниковый эффект, создаваемый плотной углекислотной атмосферой, поэтому на  поверхности Венеры исключено всякое существование жидкой воды.

Венера вращается вокруг своей оси, в направлении, противоположном направлению вращения большинства планет. Почти каждая планета Солнечной системы может похвастаться каким – либо космическим рекордом. Венера “хвастается” своей самой плотной атмосферой среди планет земной группы и самым медленным вращением вокруг оси. Она делает один оборот за 243 суток. Величина солнечных суток на планете 116,8 земных суток.

4) Марс.

Марс – первая после Земли планета Солнечной системы, к которой с некоторых пор люди стали проявлять особый интерес, вызванный надеждой на то, что там существует развитая внеземная жизнь.

Планета названа Марсом в честь  древнеримского бога войны за свой кроваво-красный цвет, обусловленный наличием в составе почвы Марса окиси железа.

Марс – четвёртая по удалённости от Солнца и седьмая по размерам планета Солнечной системы. Его можно увидеть с Земли невооружённым глазом. Он уступает по яркости лишь Венере, Луне и Солнцу.

Марс почти вдвое меньше Земли по размерам – его экваториальный радиус равен 3 396,9 километров  (53,2 % земного).  Площадь поверхности Марса примерно равна площади суши на Земле.

Среднее расстояние от Марса до Солнца составляет 228 миллионов километров, период обращения вокруг Солнца составляет 687 земных суток.

Минимальное расстояние от Марса до Земли составляет 55,75 миллионов километров, максимальное – около 401 миллионов километров.

Но притяжение на Марсе очень маленькое, отсюда и все “беды”. Оно не может удержать атмосферу, без которой нет жизни. Атмосфера очень разрежена, т. е. не плотная, по составу напоминает венерианскую. Температура летом днем +20°С, вполне приемлема для жизни, но ночью зимой -125°С. Неплотная атмосфера не удерживает тепло. Марс оказался безводной холодной пустыней, больше похожей на Луну, чем на нашу Землю, почти вдвое меньше Земли по размерам и в девять раз – по массе.

 Планета красная потому, что в поверхностных породах много окиси железа. Похвастаться Марс может своими высокими горами и вулканами. Самый высокий - вулкан Олимп. Его высота 27 км, что в 3 раза больше высочайшей вершины Земли – горы Эверест.

У Марса есть два естественных спутника - Фобос и Деймос, и три искусственных спутника.