Муніципальна загальноосвітня середньої (повної) загальної освіти школа № 244

Планета ЗЕМЛЯ.

Робота учня

11 а класу

Бокова Єгор

Санкт-Петербург

2000

Земля

Перші астрономічні явища, які з дитинства знайомі кожному, це
- Зміна дня і ночі, схід і захід Сонця. Пояснення цих явищ пов'язаноз питанням про форму і обертанні нашої Землі. На зміну наївним уявленнямпро плоскої нерухомої Землі і «небесної тверді» пріппо визнаннякулястості і обертання Землі і безмежності небес. Доказикулястості Землі черпалися зі спостережень форми краю земної тіні надиск Місяця під час місячних затемнень, зі спостережень поступової появиабо зникнення морських судів при їх наближенні або відстані від берега,зі спостережень зміни висоти Полярної зірки при переїзді з півночі на південь,з факту розширення горизонту в міру підйому вгору. Ідея кулястості
Землі виникла ще у стародавніх греків (Піфагор, VI ст. До н. Е..: Парменід,
VI-V ст. до н. е..; Арістотель, IV ст. до н.), але потім залишалася взабутті понад півтори тисячі років, до часів Колумба і навколосвітніхподорожей XVI ст.

Розміри земної кулі вперше було визначено близько 240 р. до н. е..
Ератосфеном (276-196 рр.. До н. Е..) В Олександрії. Він знайшов, що в деньлітнього сонцестояння в Сієні (південний Єгипет) Сонце опівдні проходитьчерез зеніт, а в Олександрії - на відстані 1/50 кола (7 °, 2) віднього. Відстань між цими містами, розташованими приблизно наодному меридіані, становило 5000 грецьких стадій. Отже, повнаокружність дорівнює 250000 стадій, а радіус земної кулі R = 40 000 стадій.
Беручи найбільш ймовірну довжину стадії рівною 160 м, отримуємо R = 6400 км.
Сучасні визначення дають R = 6370 км.

Обертання земної кулі самим природним чином пояснює зміну дня іночі, схід і захід світил. Широко відомі такі доказиобертання Землі навколо своєї осі: поворот з плином часу площиніКачаний маятника Фуко щодо оточуючих його предметів, сплюснутістю
Землі, виявляється з градусних вимірювань, відхилення падаючих тіл досхід, розмив правих берегів річок, що течуть в північній півкулі Землі, ілівих - в південній півкулі (закон Бера), пасати, зміна сили тяжіння зширотою (не пояснюване сплюснутістю Землі), напрям вітрів всерединіциклонів і антициклонів і т. д.

Деякі грецькі вчені здогадувалися і про річне русі Землінавколо Сонця. Аристарх Самоський ще у III ст. до н. е.. вважав, що Земляобертається навколо Сонця. Однак ця ідея також залишалася в забуттіпівтори тисячі лет.Следующіе явища можна назвати доказамиобертання Землі навколо Сонця: річний паралакс зірок, річну абераціюзірок і зміщення ліній у спектрах зірок з періодом в один рік.

річному рухові Землі переміщує спостерігача і цим викликає видимезсув більш близьких зірок відносно більш далеких. Протягом рокублизькі зірки описують на небі (на тлі більш далеких зірок)параллактичний еліпси. Велика ось такого еліпса завжди паралельнаплощини земної орбіти, тобто площини екліптики, а величина осі залежитьвід відстані зірки (чим менше відстань, тим вона більше); величинамалої осі залежить, крім того, і від кутової відстані зірки від площиниземної орбіти, тобто від астрономічної широти зірки. Річні паралаксзірок менше I ". Найближча до нас зірка має паралакс 0'', 76.

річному рухові Землі викликає, крім того, аберраціонное зсувзір, бо всі зірки описують за рік аберраціонние еліпси, великі осіяких завжди рівні 41 "і паралельні екліптики, а величини малих осейзалежать від астрономічної широти зірки. Це аберраціонное зсувє результатом складання швидкості руху Землі по її орбіті (усередньому 29,8 км/сек) зі швидкістю поширення світла (близько 300000км/сек), що йде від зірки. У кожен даний момент зірка

Рис. 1. Земля обертається навколо Сонця по еліпсу.

зміщується в напрямі руху Землі, до так званого апексорбітального руху Землі. Цей апекс завжди лежить у площині земноїорбіти під прямим кутом до Сонця на захід від нього, тобто на 90 ° праворуч від
Сонця.

річному рухові Землі викликає також періодичне зміщення ліній успектрах зірок. Найбільше зміщення ліній до червоного кінця спектра, якезгідно з принципом Доплера означає найбільшу швидкість видалення від зірки,буває в той момент, коли геоцентрична довгота зірки на 90 ° більшедовготи Сонця, найбільшу зсув до фіолетовому кінця - при довготізірки на 90 ° менший довготи Сонця.

Земля рухається навколо Сонця по еліпсу (рис. 1) з ексцентриситетом
0,016736 (близько 1/60). Сонце знаходиться в одному з фокусів еліпса земноїорбіти.Строго кажучи, навколо Сонця рухається центр ваги системи Земля -
Місяць, так званий баріцентр; навколо цього центру Земля і Місяць описуютьпротягом місяця свої орбіти. Рух Землі навколо баріцентра з періодом водин місяць викликає періодичні коливання в довготах і широтах Сонця іпланет. Точне визначення амплітуди цих коливань дає можливістьвизначити відстань центру Землі від баріцентра (баріцентр знаходиться навідстані 4800 км від центру Землі в напрямку до Місяця, тобто на 1600 кмпід поверхнею Землі) і звідси знайти відношення маси Місяця до маси Землі.

Середня відстань Землі від Сонця дорівнює 149 504 000 км (1астрономічна одиниця - а. е.). Ця фундаментальна в астрономії величинавиводиться з визначень сонячного паралакса. Горизонтальним паралакс
Сонця називається кут, під яким на відстані Землі від центра Сонцябув би видно екваторіальний радіус Землі. Одним з методів вимірюваннясонячного паралакса було спостереження з різних пунктів на Землі явищапроходження Венери або Меркурія по диску Сонця.

Найближча до Сонця точка орбіти будь-якої планети називаєтьсяперигелії (для Землі це 147 002 000 км), сама далека-афелії (для
Землі 152 006 000 км). Їх поєднує лінія апсид, що збігається з великою віссюеліпса планетної орбіти. Положення лінії апсид визначаєтьсягеліоцентричної довготою перигелію. У 1960 р. довгота перигелію земноїорбіти близька до 102 °. Внаслідок повільного обертання лінії апсид довготаперигелію зростає на 61 ", 9 на рік. У цю епоху Земля проходить черезперигелій 2-5 січня, а через афелій 1-5 липня. Швидкість руху Землірізна в різних частинах орбіти. Середня швидкість руху Землі по їїорбіті близько 30 км/сек або 100 000 км/год; на довжину свого поперечника
Земля просувається за сім хвилин.

Повний оборот навколо Сонця Земля здійснює протягом 365,25636 діб
(365d6h9m10s). Це - так званий зоряний, або сидеричний, рік.

Середній проміжок часу від одного весняного рівнодення донаступного, що називається тропічним роком, дорівнює 365,24220 середніх діб
(365d5h48m46s) *).

Площина земного екватора нахилена на 23 ° 27 'до площини земноїорбіти, причому земна вісь прагне зберегти незмінним свій напрямок впросторі, вказуючи завжди на північний полюс світу, що знаходиться поблизу
Полярної зірки. Нахил осі обертання Землі і сталість її напрямкиє причиною зміни пір року на Землі. Тривалість пір рокузалежить від ексцентрісітета земної орбіти і від розташування лінії апсид.

З градусних вимірювань було отримано, що довжина одного градуса широтиу екватора дорівнює 110,6 км, а біля полюсів -111,7 км. Це приводить до висновкупро те, що дійсна форма Землі близька до сфероїд. Згідно з дослідженнямирадянських геодезистів (Ф. М. Красовський і його співробітники, 1940 р.)екваторіальний радіус цього сфероїд a = 6378,245 км, а полярний b = 6356,863км; різниця їх ab = 21,382 км.

сплюснутістю земної сфероїд характеризується відношенням різниціекваторіального радіусу а і полярного b до екваторіальний. Це відношеннядуже мало: що складає близько 0,3%, у той час як сплюснутістю Юпітераблизько 6%. Найточніші геодезичні вимірювання та дані гравіметрії призводять добільш точному поданням про фігуру Землі, до поняття про так званийгеоїд. Геоїд не є правильною геометричною фігурою; за поверхнюгеоїд приймається деяка поверхню, в кожній точці перпендикулярна долінії схилу. Ця поверхня приблизно збігається з невозмущеннойприливами поверхнею океанів і подумки продовжується на частини Землі,зайняті материками. Від поверхні Геоїд відраховують висоти різнихточок на Землі, коли вказують «висоту над рівнем моря».

Сам земну кулю не займає незмінного положення щодо своєїосі обертання. Тому полюси Землі описують на її поверхні складнілінії, втім, протягом десятиліть не виходили за межі квадрата зістороною О ", 7, що відповідає 25 м. Полюс бере участь у двохосновних рухах: одне здійснюється по колу радіусом 4,5 m протягом 433d
(воно пов'язане з періодом так званих власних коливань земногошара),інше відбувається по витягнутому еліпсу з великої півосі 5 л »і періодомв один рік (воно пов'язане із сезонними явищами на Землі.) З 60-річнихспостережень Міжнародної Служби широти помічені періодичні (період близько
42 років) зміни амплітуди коливань полюса. Починаючи з 1950 р., несподіванодля фахівців, крива, що описується північним полюсом Землі, перевищиламежі. Про причини порушення усталеного рівноваги можна будуватирізні здогади, аж до припущень про можливий вплив випробуваньатомної і водневої зброї.

Внаслідок обертання Землі кожна точка екватора має лінійнушвидкість 465 м/сек. Економіка, що розвивається в силу цього відцентрова сила зменшуєсилу тяжіння на земній поверхні. На екваторі відцентрова силастановить 1/289 частина сили тяжіння. Реально це відношення досягає 1/190,що пояснюється сплюснутістю Землі.

Наші уявлення про внутрішню будову і фізичний стан надрземної кулі грунтуються на різноманітних даних, серед яких суттєвезначення мають дані сейсмології. Вивчення поширення в земній куліпружних хвиль, що виникають при землетрусах, дозволило відкрити шаруватубудова земних надр.

Земна куля має розпечене ядро, проте тепло, яке коженсантиметр поверхні Землі отримує від її надр, в 5000 разів менше тепла,одержуваного від Сонця. При заглибленні на кожні 33 м усередину земної коритемпература підвищується в середньому на один градус. Можна припускати, щоце підвищення температури відбувається лише в порівняно тонкому шарі земноїкори (не глибше 100 км), в якому знаходяться радіоактивні речовини. Розпадатомів радіоактивних елементів і перетворення їх на атоми інших елементівсупроводжуються виділенням тепла. Ядро ж Землі має температуру
2000-4000 °. Однак при такій температурі пружність внутрішніх частин ядра,зна дящіхся під тиском (до 3.5 млн. атмосфер) верхніх шарів, в 2.5рази більше пружності сталі. При цих умовах речовина в ядрі Землізнаходиться в особливому «металевому» стані. Щільність в центрі Земліблизько 11 г/см3. Середня щільність Землі (5,52) приблизно вдвічі більшещільності поверхневих її шарів (2,7).

Товщина земної кори (до якої входять осадові породи, граніт,базальт) аж до заснування базальтів в різних районах земної кулістановить від 30 до 60 км. Під корою, до глибини 2900 км, розташованамантія, або оболонка. Глибше знаходиться ядро. Питання про існування багатьохмеж розділу шарів різної щільності в товщі Землі в даний часпіддається перегляду. Ймовірно, що крім кордону, що залягає наглибині 2900 км, є ще лише один кордон, на глибині 5000 км, девідбувається нове різка зміна щільності.

Хімічний склад всієї Землі в цілому і середній склад атмосфери,гідросфери і кам'яної оболонки - літосфери - дано в табл. I.

Таблиця I Хімічний склад Землі

| Земля в цілому | | Атмосфера, | I літосфера |
| | | Гідросфера | |
| елемент |% за вагою | Алемепт |% за вагою |
| Залізо Ре ...... | 39,76 | Кисень 0 ..... | 49,42 |
| Кисень 0 ...... | 27,71 | Кремній 8) ..... | 25,75 |
| Кремній 31 ...... | 14,53 | Алюміній А1 ..... | 7,51 |
| Магній М ^ ...... | 8,69 | Залізо Ре ...... | 4,70 |
| Нікель. М ...... | 3,46 | Кальцій Са ..... | 3,39 |
| Кальцій Са ...... | 2,32 | Натрій Nа ...... | 2,64 |
| Алюміній А1 ..... | 1,79 | Калій До ....... | 2,40 |
| Сірка 8 ......... | 0,64 | Магній М § ...... | 1,94 |
| Натрій Nа ...... | 0,38 | Водень Н ...... | 0,88 |
| Хром Сг ........ | 0,20 | Титан Т1 ....... | 0,58 |
| Калій До ....... | 0,14 | Хлор С1 ....... | 0,188 |
| Фосфор Р ....... | 0,11 | Фосфор Р ...... | 0,120 |
| Марганець Мп ..... | 0,07 | Марганець Мп ..... | 0,09 |
| Вуглець З ....... | 0,04 | Вуглець З ...... | 0,087 |
| Титан Т1 ....... | 0,02 | Сірка 8 ........ | 0,06 |
| Інші елементи | 0,14 | Інші елементи | 0,26 |
|. . | |. | |

Згідно з останніми даними геології вік земної кори не менше 3мільярдів років. Вік Землі як планети, безсумнівно, більше.

Земна куля являє собою магніт, причому магнітна вісь Землінахилена на кут 11 °, 5 до осі обертання. Вона проходить на відстані близько
1200 км від центру Землі; магнітний полюс, що знаходиться в північній півкулі
Землі, має координати 74 ° N і 101 ° W; інший полюс-69 ° S і 143 ° E.

Напруженість магнітного поля залежить від місця на поверхні Землі івід часу, однак за відсутності збурень рідко перевищує 0,6 Ерстед.

Земна атмосфера. Повітряний океан, що оточує Землю, - її атмосфера, --є ареною, на якій розігруються різноманітні метеорологічніявища. Для астрономів атмосфера є радше перешкодою в наглядовихроботах, хоча деякі явища, які відносяться до астрономії, протікають ватмосфері (наприклад, спалахи метеорів). Повітря розсіює сонячні промені,причому це розсіювання зростає зі зменшенням довжини хвилі. Для видимогоспектру більше розсіювання синьо-зелених променів обумовлює блакитний колірнеба, і не дає можливості спостерігати зірки днем. У силу цього ж Сонце і
Місяць бліе горизонту (перед заходом сонця і після сходу) бувають червоного абопомаранчевого кольору. Випромінювання з довжиною хвилі коротше 290 тц повністюпоглинається шарами озону, що знаходяться на висотах 35-60 км. Загальна товщинашару озону, приведеного до нормальних умов (тобто тиску 760 ммртутного стовпа і темпера турі 0 °), складає всього 3 мм. Він оберігаєживу природу від згубної дії далеких ультрафіолетових та іншихкороткохвильових випромінювань.

Атмосфера поглинає не тільки короткохвильове випромінювання небеснихсвітил, але і не пропускає до нас значну частину космічногорадіовипромінювання. Радіохвилі довжиною більше 30-15 м відображаються іоносферою, акоротше 3 см - поглинаються водяною парою. Крім того, атмосфера значнопослаблює, а також перетворює потік часток високої енергії, що йде до насз космосу (так звані космічні промені). Таким чином, земнаатмосфера - це своєрідний екран, який захищає поверхню Землі відбезпосереднього впливу космосу.

Поглинаючи і розсіюючи світло небесних світил, атмосфера зменшує їхблиск, причому поглинання зростає при збільшенні товщі повітря,прохідним променями. Товща збільшується при зростанні зенітного відстані
2 (у першому наближенні пропорційно вага г). Тому при порівнянніблиску небесних світил, що перебувають на різних зенітних відстанях, требавраховувати розходження у поглинанні світла (див. табл. 55). Поглинання Вабсолютно чистою атмосфері складає в зеніті 0m, 21 у візуальних променях і
0m, 44 - у фотографічних.

Атмосфера викликає також заломлення променів - рефракцію, яка впливаєна положення світила на небі і помітним чином спотворює форму Сонця і
Місяця у горизонту.

Властивості земної атмосфери до висоти в 40 км вивчені з стратостаті ісамопишучих метеорологічних приладів, що піднімаються кулями-зондами;різноманітні метеопрпбори і спектральні апарати піднімалися до висотмайже в 500 км спеціальними метеорологічними і геофізичними ракетами;нарешті, в самі останні роки виключно багата інформація простан верхніх шарів атмосфери виходить з штучних супутників
Землі і космічних ракет. Крім того, високі шари атмосфери досліджуютьсярізними непрямими методами (спостереження метеорів, метеорних слідів,сріблястих хмар, полярних сяйв, вивчення світіння нічного неба,сутінкових явищ, місячних затемнень), а також за допомогою радіо (вивченняионизованного областей, заломлюючих і відображають радіохвилі).

В основному земна атмосфера складається з азоту і кисню. У табл. IIдано процентний вміст хімічних елементів,

Таблиця II Склад земної атмосфери

| Елемент |% за об'ємом |
| Азот | 78,09 |
| Кисень | 20,95 |
| Аргон | 0,93 |
| Вуглекислий газ | 0,03 |
| Водень | 0,01 |
| Неон | 0,0015 |
| Гелій | 0,00015 |
| Криптон | 0,000001 |
| Ксенон | 0,00000009 |

складових атмосферу Землі. Внаслідок пе?? емешіванія повітряконвективними струмами і вітрами склад атмосфери майже не змінюється довисоти в 100-150 км. Вище виявляється зміна складу атмосфери:кількість важких інертних газів різко падає, а молекулярні азот ікисень замінюються атомарними. До висот 300-350 км переважає атомарнийкисень, а вище - атомарний азот.

Атмосферу Землі умовно поділяють на чотири шари: тропосферу ^ стратосферу,іоносферу і екзосферу. Тропосфера починається від поверхні землі або моря;верхня її межа в середніх шпротах знаходиться на висоті 9-10 км взимку і
10-12 км влітку, а в екваторіальній зоні піднімається до 15-17 км. Тропосферахарактеризується поступовим спадання температури з висотою. У нійміститься близько 80% маси всієї атмосфери, майже вся вода і пил,зважені в атмосфері. Кордон між тропосферою і стратосферою називаєтьсятропопаузою. Стратосферу поширюється від висоти 12-15 км до 80-85 км,де знаходиться стра-топауза, вище якої розташовується іоносфера.

Як показує сама назва, в цій останній, крім нейтральнихмолекул, що знаходяться і ионизованного атоми. Іонізацію виробляєкороткохвильове випромінювання Сонця і потоки заряджених частинок (корпускул),що летять від Сонця. Електричні властивості іоносфери, висота і ступінь їїіонізації залежать від часу доби, пори року і від фази сонячноїактивності, Іоносфера має величезне значення для радіозв'язку на великихвідстанях, яка здійснюється на довгих, середніх і короткихрадіохвилях, багато разів відбиваються (точніше, переломлює) відионизованного шарів іоносфери і від поверхні Землі.

Уявлення про будову іоносфери значно змінилися післязапуску штучних супутників Землі. До цього передбачалося, що віоносфері є чотири основних ионизованного шари: шар D (на висоті 80км), шар E (100-105 км), шар F1, (200 км) і шар F2, (300 - 350 км).
Однак підозрювали, що ці шари мають клочковатое будівля і складаються зокремих ионизованного хмар. В даний час доводиться визнати, щотакого чіткого розподілу на шари (стратифікації) в іоносфері немає: від 60 кмдо, принаймні, 473 км є суцільний масив ионизованного газу зокремими флуктуаціями (неоднорідностями) концентрації ионизованногочастинок.

Було виявлено зміна щільності верхніх шарів атмосфери іколивання їх температури в залежності від зміни сонячної активності, атакож залежно від пори року (так, наприклад, влітку в денні годинищільність на висоті 200 км в 20 разів більше, ніж взимку вночі).

Область вище 400 км називається екзосферу.

Найвищі полярні сяйва спостерігалися на висотах 700-1000 і навіть
1200 км. Свічення нічного неба виявляється на висотах до 2000 км.
Ймовірно, верхня межа земної атмосфери лежить близько 3000-4000 км.

Дані, отримані останнім часом за допомогою штучних супутників
Землі, а також радянських космічних ракет, довели, що земна куляоточений двома «поясами радіації» - областями різкого збільшенняконцентрації заряджених частинок високої енергії. Концентрація виявиласянайбільшою поблизу магнітного екватора Землі (як відомо не збігається згеографічним) і зменшується до магнітних полюсів, а також залежить від висотинад земною поверхнею. У першій, близькою до Землі області концентраціязаряджених частинок (мабуть, протонів з енергіями до сотень мільйонівелектрон-вольт) досягає максимуму на висоті близько 1000 км. Межідругий області, створеної, ймовірно, електронами з енергією в кількадесятків тисяч електрон-вольт, сягають висот у 50-60 тис. км.

На кожен квадратний сантиметр земної поверхні на рівні моряповітря тисне із силою в 1,0332 кг (так зване тиск в однуатмосферу). Загальна маса атмосфери Землі становить близько однієї мільйонноїчастки маси Землі.

Розподіл в атмосфері температури (яка визначається тепловимишвидкостями рухів частинок повітря) характеризується цікавиминеправильно - температурними інверсіями: в тропосфері температуразменшується приблизно на 6 ° C кожним кілометром висоти; від Тропопаузадо висоти 30 км температура приблизно постійна і дорівнює - 56 ° С; від 30до 55 км температура поступово підвищується до 4-100 ° С; до висоти 80 км воназнову падає до +30 ° С і потім поступово підвищується, досягаючи декількохсотень градусів на висоті 200-300 км. Однак щільність повітря на цихвисотах настільки мала, що температура тіла, що потрапив туди, будевизначатися здатністю тіла поглинати енергію сонячних променів (івипромінювати, її в навколишній простір), а не температурою навколишньоговкрай розрідженого повітря. Вивчення метеорних слідів і сріблястиххмар виявляє швидкості «стратосферних вітрів» до 120 м/сек.