М о д у л ь II. Планета Земля.

Тема 1. Будова Всесвіту і Сонячної системи.

Питання теми

Поняття про Всесвіт.

Будова Сонячної системи.

Основні поняття: Всесвіт, зірка, галактика, Сонце, Сонячна система, планети, комети, астероїди, метеорити.

 Всі люди Землі живуть під одним і тим самим небом. Його краса пробуджує в нас високі і світлі почуття, дарує творчу наснагу. Його таємниці призивають людський розум до роздумів, до дослідження фізичного світу. Цей безмежний світ ми називаємо Всесвіт. Тут ми бачимо Сонце і планети, зірки і галактики, астероїди і комети. Наша планета Земля у цьому світі є маленькою пилинкою.

Поняття про Всесвіт. Планета Земля – одне з великої кількості небесних тіл. Для правильного розуміння процесів, що відбуваються на Землі, треба мати загальне уявлення про її положення серед інших тіл Всесвіту.

 Відповідно до сучасних уявлень, Всесвіт – це вся частина матеріального світу, доступного для спостережень, що нас оточує. Сучасна космогонія стверджує, що Всесвіт скінчений просторі і часі. Вік Всесвіту визначають від 13 до 18 млрд. років. Із загальної маси речовини у Всесвіті лише 1/10 є видимою, решта – невидима, темна. Видима речовина складається переважно з водню (70-80% за масою) та гелію (20-30%). В середньому в 1 м³ у Всесвіті міститься всього 1 атом водню. Для Всесвіту характерний нестаціонарний стан, тобто він неврівноважений.

Всесвіт дуже різноманітний за формами матерії. Основними тілами Всесвіту є зірки. Зірки – це розжарені тіла, що складаються з газів. Основними характеристиками зірок є маса, радіус, температура, хімічний складі і потужність випромінювання. Ці параметри взаємопов’язані. Найяскравіші зірки, як правило, мають найбільшу масу.

Зірки безперервно випромінюють енергію у вигляді світла і тепла. Джерелом цієї енергії є термоядерні реакції перетворення водню в гелій. В результаті випромінювання зменшується маса зірок.

Зірки утворюють великі скупчення – галактики. Галактики мають свою структуру і обертаються навколо центра. Однією з галактик є наша галактика – Чумацький шлях. Вона об’єднує понад 150 млрд. зірок та більше 100 млн. туманностей. За формою наша галактика спіральна і нагадує диск діаметром близько 100 тис. світлових років. З Землі її видно з ребра у вигляді світлої смуги (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема будови нашої галактики.

Будова Сонячної системи. Сонячна система – одна із зоряних систем, що складають нашу галактику. Вона знаходиться на відстані 25 тис світлових років від центра галактики і обертається навколо галактичної осі за 240 млн. років (галактичний рік).

Сонячна система об’єднує Сонце, 9 планет з їх супутниками, астероїди, метеорити, комети, космічний пил і газ (рис. 2). Основна маса Сонячної системи припадає на Сонце (99,98 %). Тому Сонячне притягання керує рухом всіх тім системи. Лише супутники обертаються навколо своїх планет, притягання яких через безпосередню близькість, є сильнішим ніж притягання Сонця.

Рис. 2. План будови Сонячної системи. Середні відстані планет від Сонця вказані в астрономічних одиницях (1 а.о.=149,6 млн. км).

Сонце – зірка середньої величини і яскравості. Воно складається з водню (70%) і гелію (29%). Маса Сонця 1,989×10³⁰ кг, це в 333 тис разів більше, ніж маса Землі. Діаметр Сонця – 1 391 980 км. Температура на його поверхні 6000 °С, в центрі 16 млн. градусів. Світимість – 3,88×10²⁶ вт. Відстань від центра Сонця до Землі становить 149 597 870 км.

В атмосфері Сонця виділяють три оболонки – сфери: фотосферу, хромосферу і сонячну корону. Сонце безперервно випромінює у космічний простір велику кількість енергії у вигляді теплових, світлових та інших променів. Лише одна двохмільярдна частка цієї енергії доходить до нашої планети.

Від Сонця у міжпланетний простір постійно надходить потік речовин, який називається сонячний вітер. Сонячний вітер – це продовження сонячної корони. Він складається з ядер атомів водню (протони) і гелію (альфа-частинки), а також електронів. Разом з вітром у міжпланетний простір переносяться сонячні магнітні поля.

Для Сонця характерні 11-, 22-, 80- і 90- річні цикли активності. Час від часу на Сонці відбуваються гігантські вибухи – сонячні спалахи.

Сонце повільно обертається навколо своєї осі з заходу на схід.

До складу Сонячної системи входять 9 великих планет. Їх об’єднують у дві групи.

Планети земної групи або внутрішні планети: Меркурій, Венера, Земля і Марс. Всі ці планети невеликі за розмірами, мають велику щільність і повільно обертаються навколо осі. Планети земної групи утворені твердими мінеральними речовинами. Основними їх складовими є силікати і залізо.

Меркурій – найближча до Сонця планета. Має масу, яка дорівнює 1/20 маси Землі. Атмосфера на Марсі дуже розріджена, практично відсутня. На поверхні планети є метеоритні кратери. Температура коливається від -125° С до +275° С.

Венера – найбільш подібна за всіма параметрами до Землі планета. Має щільну і потужну атмосферу, яка складається з вуглекислого газу (98%). Кисню в атмосфері Венери 0,1%, також в ній мало води. Температура атмосфери близько 475° С, це результат парникового ефекту.

Венера і Меркурій не мають супутників.

Земля – третя від Сонця планета. Середня відстань до Сонця 150 млн. км. Земля обертається навколо Сонця по майже круговій орбіті із швидкістю 29,7 км/с. Земля має тверду поверхню і атмосферу.

Земля має один супутник - Місяць. Місяць знаходиться на відстані 384 тис. км. від Землі. Його радіус 1738 км. Маса Місяця становить 1/82 маси Землі. Періоди обертання Місяця навколо Землі і навколо осі однакові, тому він завжди повернутий до Землі однією стороною. Атмосфера і вода на Місяці відсутні. Поверхня має вигляд кам’янистої пустелі. Місяць – єдине космічне тіло, досліджене безпосередньо. В 1969 році людина ступила на поверхню Місяця.

Марс – найближча до Землі планета. Атмосфера на Марсі дуже розріджена (атмосферний тиск біля поверхні в 100 разів менший ніж на Землі) і складається переважно з вуглекислого газу (90%). У атмосфері є невелика кількість вологи. В нижній частині атмосфері багато частинок пилу. Циркуляція повітря зумовлює їх переміщення – пилові бурі. Температура на поверхні Марсу -60° С, це наслідок того, що пил не пропускає сонячні промені. На поверхні Марса є метеоритні кратери, борозни, які нагадують русла річок (допускають, що на поверхні планети була рідка вода), утворення подібні на кратери вулканічного походження, рифтові долини (довгі рови). Марс має два супутники – Фобос і Деймос.

Таблиця 1. Характеристики планет земної групи.

 

Планета Характеристика	Меркурій	Венера	Земля	Марс
Діаметр, км	4878	12102	12756	6794
Маса, кг	3,28×1023	4,87×1024	5,98×1024	6,42×1023
Щільність, кг/м3	5500	5250	5510	3930
Період обертання навколо осі	58,7 діб	243 діб	23 год. 56 хв. 4,1 с.	24 год. 37 хв.
Середня відстань від Сонця, а.о.	0,39	0,72	1	1,52
Період обертання по орбіті, доби	88	224,7	365,26	686,98
Ексцентриситет орбіти	0,21	0,007	0,017	0,093
Нахил орбіти, градуси	7	3,4		1,85

Планети – гіганти або зовнішні планети: Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун. Ці планети великі за розмірами і масами, не мають твердої поверхні, мають малу щільність і швидко обертаються навколо осі. За винятком невеликих ядер, вони утворені воднем і гелієм. Для цих планет характерні потужні атмосфери. Ущільнюючись атмосфери плавно переходять у рідку мантію.

Юпітер – найбільша планета Сонячної системи. Її маса в 318 разів перевищує масу Землі. За хімічним складом Юпітер подібний до Сонця (87 % водню і майже 13 % гелію). Температура атмосфери -140°С. Вважають, що атмосферний тиск біля поверхні планети в мільйон разів більший ніж на Землі. Юпітер має 16 супутників. Найбільші з них Ганімед, Калісто, Ио та Європа. Ганімед – найбільший супутник Сонячної системи.

Сатурн – друга за величиною планета Сонячної системи. Сатурн оточений кільцем з кристаликів льоду і частинок покритих льодом. Планета має 22 супутники. Найбільший супутник – Титан.

Особливістю Урану є те, що він обертається “лежачи на боку”. Нахил його орбіти 98^о. Під газовою оболонкою розташований океан з води, аміаку і метану. Температура на поверхні 2200 ^оС. Атмосферний тиск – 200 земних атмосфер. Уран має 15 супутників. Найбільші з них Оберон, Титанія, Умбрі ель, Аріель і Миранда.

Нептун за будовою і розмірами подібний до Урану. Він має два супутники – Тритон і Нереїду.

Таблиця 2. Характеристики планет-гігантів.

 

Планета Характеристика	Юпітер	Сатурн	Уран	Нептун
Діаметр, км	142800	120000	51800	48600
Маса, кг	1,9×1027	5,7×1026	8,7×1025	1,03×1026
Щільність, кг/м3	1330	690	1710	2300
Період обертання навколо осі	9 год. 55 хв. 29 с.	10 год. 40 хв. 30 с.	17 год. 14 хв.	16 год. 03 хв.
Середня відстань від Сонця, а.о.	5,2	9,54	19,18	30,06
Період обертання по орбіті	11,86 доби	29,46 року	84,01 року	164,79 року
Ексцентриситет орбіти	0,048	0,056	0,047	0,009
Нахил орбіти, градуси	1,3	2,5	0,77	1,77

 

Планета Плутон не відноситься ні до одної із вказаних груп. За властивостями і розмірами вона більше подібна до супутників планет-гігантів.

Таблиця 3. Характеристика Плутону.

 

Планета Характеристика	Плутон
Діаметр, км	2290
Маса, кг	1,3×1022
Щільність, кг/м3	2100
Період обертання навколо осі	6,38 діб
Середня відстань від Сонця, а.о.	39,53
Період обертання по орбіті	247,7 року
Ексцентриситет орбіти	0,249
Нахил орбіти, градуси	17,3

 

Всі планети обертаються навколо Сонця в одному напрямку. Орбіти планет за формою близькі до кругових, а площини орбіт – до основної площини Сонячної системи. Чим менша маса планети, тим більше планета відхиляється від цього правила. Величина, яка відображає відхилення форми орбіти від кругової, називається ексцентриситет. Ексцентриситет кола рівний нулю, еліпса – більший нуля, але менших одиниці, параболи – дорівнює одиниці.

Планети обертаються навколо своєї осі. Майже всі планети (крім Венери і Урану) рухаються навколо осі у тому ж напрямку, що і по орбіті.

Більшість супутників рухаються навколо планет в той бік, що і планети, а їх орбіти лежать в екваторіальній площині планет. Такі супутники називаються регулярними. Зворотній рух характерний для зовнішніх супутників Юпітера (Ананке, Карме, Пасіфе і Синопе), зовнішнього супутника Сатурна (Феба) і супутника Нептуна (Тритон).

Внутрішня і зовнішня групи планет розмежовані кільцем астероїдів. Астероїди – малі планети, які складаються з твердих речовин. Вони невеликі за розмірами (від 1 км до 800 км) і мають неправильну форму. Орбіти астероїдів дуже витягнуті і часом перетинають шляхи великих планет. Це робить можливим їх зіткнення з великими планетами.

Метеорити – це уламки астероїдів. Маса метеоритів коливається від декількох грамів до тисяч кілограмів. Розрізняють залізні, кам’яні і скляні метеорити. Попадаючи в атмосферу Землі метеорити згорають, залишаючи на небі слід, подібний на падаючу зірку. Деякі метеорити досягають поверхні Землі. На місці падіння великих метеоритів утворюються кратери (Арізонський кратер має діаметр 1200 метрів і глибину 200м). За рахунок метеоритів маса Землі щороку збільшується на 10 млн. тон.

Комети – охолоджені космічні тіла. Комети складаються з голови, ядра і хвоста. Ядро – це брила льоду з вимерзлими твердими частинками. При наближенні до Сонця лід тане, ядро оточується газовою оболонкою, утворюється голова. Під дією сонячного вітру частина газу і пилу витягується за кометою у вигляді хвоста. Орбіти комет дуже витягнуті. Комети - не стійкі тіла. При наближенні до Сонця вони втрачають частину речовини і згодом розпадаються на метеоритні потоки.

 Мільйони зоряних систем, подібних на нашу чи відмінних від неї, утворюють Всесвіт. Планета Земля є одним із тіл Сонячної системи. Космічна унікальність Землі полягає в тому, що вона є вмістилищем органічного життя. Це повинно примусити людину бережно відноситись до нашої планети.