Текст книги "Астрономия для "чайников""

Автор книги: Стивен П. Маран

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 27 страниц)

Часть II
Солнечная система

В этой части…

Знаете, что? Я думаю, мужчины вовсе не с Марса, а женщины – не с Венеры. Ни на одной из этих планет нет жизни в том виде, в котором мы ее знаем. На Венере слишком жарко, на Марсе слишком холодно, и ни там, ни там вообще нет воды в жидком состоянии. В этой части говорится о том, что на самом деле представляют собой планеты Солнечной системы. Была ли когда-нибудь жизнь на Марсе? А как насчет Европы, спутника Юпитера? Я расскажу, что об этом известно ученым на данный момент.

И если вы хоть раз смотрели фильм из серии "о Боже, гигантский астероид движется к Земле!", то, наверное, вас интересует, стоит ли волноваться по этому поводу. В этой части есть глава, посвященная астероидам, из которой вы узнаете всю правду о риске их столкновения с Землей.

Глава 5
Земля и ее спутник Луна

В этой главе…

 Планета Земля

 Понятие о времени и временах года

 Фазы Луны и наблюдение затмений

 Лунные кратеры

Как правило, люди считают, что планеты – это такие небесные объекты, как Юпитер или Марс. Древние греки – как и многие другие народы после них, – проводили различие между Землей, которую они считали центром Вселенной, и планетами. А планетами называли маленькие светящиеся точки в небе, которые вращались вокруг Земли.

Сегодня мы знаем больше. Земля не является ни центром Вселенной, ни даже центром Солнечной системы; центр последней – Солнце. Луна обращается вокруг Земли наряду с сотнями искусственных спутников. И вместе с Землей вокруг Солнца вращаются еще восемь планет, их спутники, пояс астероидов и другой космический мусор. И, тем не менее, насколько нам известно, жизнь в Солнечной системе существует только на Земле.

В представлении человека Земля утратила свое высокое положение центра Вселенной, чтобы получить настоящий, не менее важный статус нашей родной планеты. И на самом деле в Солнечной системе нет другого такого же "домашнего" места.

 Астрономы называют Землю планетой земной группы(terrestrial). Может показаться, что это определение из серии «масло масляное», поскольку к какой еще группе может относиться Земля? Но в научном определении планета земной группы – это одна из ближайших к Солнцу планет, по своей плотности, размерам и внутреннему строению сходная с Землей. В Солнечной системе существует четыре планеты земной группы – Меркурий, Венера, Земля и Марс (в порядке удаления от Солнца).

Некоторые считают, что Луна – тоже планета земной группы и рассматривают систему «Земля-Луна» как двойную планету. Наверное, это хорошая идея с точки зрения инопланетян, собирающихся посетить нас: «Направляйтесь к этой желто-белой звезде в секторе 49 832 Руки Ориона на Млечном Пути и ищите третью планету от Солнца; это двойная планета, которую очень легко обнаружить».

Земля: что в ней особенного?

И в самом деле – что же в ней особенного? А вот что. Земля – это единственная известная нам планета, имеющая следующие характеристики.

  Наличие на поверхности воды в жидком состоянии. На Земле, в отличие от любой другой планеты, есть озера, реки и океаны. Океаны занимают больше 70 % поверхности Земли.

  Большой процент кислорода в воздухе. В воздухе Земли содержится 21 % кислорода; в нынешней атмосфере остальных планет присутствуют только следы кислорода.

  Тектоника плит, или дрейф континентов. Кора Земли состоит из огромных движущихся каменных плит; когда плиты сталкиваются, происходят землетрясения и поднимаются новые горы. Дно океана расширяется, и в районе океанических хребтов образуется новая кора.

  Активные вулканы. Горячая расплавленная порода, поднимающаяся из глубин земли, формирует огромные вулканические образования, такие как Гавайские острова. Каждый день где-нибудь на Земле происходит извержение вулкана.

  Жизнь, разумная или не очень. О разумности можете судить сами, но на Земле присутствует множество разнообразных форм жизни, от одноклеточных амеб, бактерий и вирусов до цветов и деревьев, рыб и птиц, насекомых и млекопитающих.

Существуют признаки того, что у Марса и Венеры когда-то тоже были некоторые из этих характеристик (подробнее – в главе 6). Но, насколько нам известно, в настоящее время они этими свойствами не обладают.

Ученые считают, что присутствие на поверхности Земли воды в жидком состоянии – это одна из главных причин возникновения на ней жизни. Можно легко представить себе развитые формы жизни в других мирах – нечто подобное мы часто видим в фантастических фильмах. Но все это – только плод нашего воображения. И несмотря на некоторые недавние заявления, у ученых нет убедительных доказательств существования жизни в какой-либо форме, в прошлом или в настоящем, нигде, кроме Земли.

Сферы влияния на Земле

На рис. 5.1 показаны четыре картинки Земли из космоса. Ясно видны очертания континентов, океаны и облака.

Рис. 5.1. Четыре картинки Земли из космоса, показывающие, как меняется ее лик.

фотография любезно предоставлена NASA

Ученые различают следующие оболочки Земли (или геосферы):

 литосферу, т. е. твердую (каменную) оболочку Земли;

 гидросферу, которая включает воду океанов, рек, озер и других водных ресурсов;

 криосферу, т. е. ледовый покров Земли – в основном, в Арктике, Антарктике и Гренландии;

 атмосферу, т. е. воздушный слой над землей толщиной в тысячи километров;

 биосферу, включающую все формы жизни на суше, в воздухе, в воде и под землей.

Так что мы – часть биосферы, которая живет на литосфере, пьет из гидросферы, возможно, катается на криосфере или использует ее для охлаждения напитков и дышит атмосферой. Я не знаю другого места в космосе, где мы могли бы делать все то же самое.

Помимо всех описанных выше оболочек, существует еще одна, причем очень важная, – магнитосфера, которая играет заметную роль в защите Земли от ультрафиолетового и других жестких излучений Солнца, о чем мы поговорим в главе 10. Магнитосфера порождается геомагнитным полем, о котором пойдет речь в следующем разделе.

Магнитосфера

Магнитосферу иногда называют поясами земного излучения, или поясами излучения Ван-Аллена [13] 13
  Джеймс Ван-Аллен (James Van Allen) – американский физик, открывший пояса излучения с помощью первого американского искусственного спутника Explorer 1.


[Закрыть]. Она состоит из заряженных частиц, в основном, электронов и протонов, которые хаотично движутся над Землей, захваченные ее магнитным полем.

Время от времени некоторые электроны "вырываются на свободу" и, попадая в находящуюся под магнитосферой атмосферу, ударяют атомы и молекулы, заставляя их светиться. В результате получается полярное сияние – северное, которое наблюдается в Северном полушарии, и южное, наблюдаемое в Южном полушарии. Во врезке, помещенной в конце главы, подробно говорится о наблюдении полярных сияний.

Магнитное поле Земли

Твердая поверхность Земли, на которой вы стоите, – это кора. Под корой находится мантия, а еще глубже – ядро. Ядро в основном состоит из расплавленного железа и никеля; температура в центре ядра достигает 6200 °C. Ядро тоже состоит из слоев: внешний находится в расплавленном состоянии, а внутренний – твердый.

Причиной затвердения расплавленного железа во внутреннем слое ядра считается чрезвычайно высокое давление верхних слоев. И по мере остывания Земли на протяжении будущих миллионов лет твердая часть ядра будет увеличиваться в размере за счет окружающей расплавленной части ядра, так же как кубик льда увеличивается, когда окружающая его жидкость становится холоднее.

 Ядро Земли намного глубже, чем мы могли бы докопаться при всем желании, но оно создает эффекты, которые все могут наблюдать на поверхности. Движущиеся потоки расплавленного железа во внешнем ядре генерируют магнитное поле, которое охватывает всю планету и простирается далеко в космос. Оно называется геомагнитным полем.

Геомагнитное поле:

 заставляет стрелку компаса указывать в определенном направлении;

 создает невидимую систему ориентации для почтовых голубей, перелетных птиц и даже живущих в океане бактерий;

 формирует магнитосферу высоко над Землей;

 защищает Землю от летящих из космоса заряженных частиц – солнечного ветра и многих видов космического излучения.

 Геомагнитное поле – это глобальное планетарное магнитное поле. Это означает, что оно охватывает всю Землю и генерируется непрерывно. Ни на Марсе, ни на Венере, ни на Луне нет глобального магнитного поля, как на Земле, и этот важный факт позволяет ученым делать выводы относительно ядра данных небесных тел. В частности, о ядре Луны речь пойдет в разделе «Гигантское столкновение. Теория происхождения Луны» в этой главе.

Расширение дна океана

 Согласно результатам геофизических исследований, по обеим сторонам срединно-океанических хребтов существует «узор» намагниченной породы. Намагничивание породы происходило по мере ее остывания из расплавленного состояния, что привело к фиксации определенного направления магнитного поля, которое действовало во время затвердевания породы. Поэтому породы на океанском дне – это магниты, поле которых имеет определенную силу и направление. После затвердения породы ее магнитное поле уже не может измениться; теперь это магнитное поле представляет собой «окаменелость», такую же, как окаменелые остатки динозавров, которые навсегда останутся такими, какими были в момент смерти.

«Узор», обнаруженный возле срединно-океанических хребтов, состоит из полосок намагниченной породы длиной в сотни километров, параллельных хребту и чередующихся по направлению магнитного поля. У одной полоски магнитное поле направлено на север, у следующей – в противоположном направлении, т. е. на юг, и т. д.

 Вы спросите, почему я говорю обо всех этих вещах на дне океана в книге по астрономии? Потому что это необычное свойство Земли может быть связано с феноменом, открытым на Марсе. Ученые, собирая различные сведения о планетах земной группы, включая Землю, находят сходства и различия, которые помогают лучше понять происходящие процессы. Такой вид исследований называется сравнительной планетологией и более подробно о ней мы поговорим при описании Марса и Венеры в главе 6.

Чередующиеся полоски с противоположной магнитной ориентацией сформировались в результате того, что в центре срединно-океанических хребтов появлялась новая порода, которая остывала, намагничивалась и расходилась в стороны от хребтов, по мере того как ее отодвигала более новая порода. Чередование полосок с противоположной намагниченностью говорит о том, что направление геомагнитного поля периодически меняется на противоположное, причем период этот составляет несколько сотен тысяч лет.

Что заставляет геомагнитное поле Земли, генерируемое ее ядром, так часто менять направление на противоположное, – неизвестно. Но свидетельства этого сохранились как на дне океана, так и в некоторых местах суши, которые когда-то находились под водой.

Время и движение Земли

В наши дни для измерения времени с большой точностью используются атомные часы. Но в древности и еще совсем недавно система измерения времени в нашем мире была основана на вращении Земли.

 Земля совершает один оборот вокруг своей оси за 24 часа. Она вращается с запада на восток (или против часовой стрелки, если смотреть сверху, со стороны Северного полюса). И вокруг Солнца Земля обращается против часовой стрелки (если смотреть из космоса сверху, со стороны северного небесного полюса). Продолжительность дня, 24 часа, – это среднее время, которое (с нашей точки зрения) требуется Солнцу, чтобы взойти, сесть и взойти опять. Это называется средним солнечным временем (mean solar time), которое эквивалентно стандартному времени, отсчитываемому на наших часах.

Поэтому продолжительность дня равна 24 часам среднего солнечного времени. А в году приблизительно 365 дней – именно такое время требуется Земле, чтобы совершить один полный оборот вокруг Солнца.

Системы измерения времени

Поскольку Земля движется вокруг Солнца, время его восхода зависит и от вращения Земли, и от ее движения по орбите.

 Относительно звезд Земля совершает полный оборот вокруг своей оси за 23 часа 56 минут и 4 секунды. Этот промежуток времени называется сидерическими(или звездными) сутками(sidereal day). Заметьте, что разница между 24 часами и 23 часами 56 минутами 4 секундами равна 3 минутам 56 секундам, что составляет всего 1/365 долю суток. И это не совпадение. Это вызвано тем, что в течение суток Земля проходит 1/365 часть своей орбиты вокруг Солнца.

Астрономы привыкли пользоваться особыми, звездными часами, которые отмеряют сидерическое время: 24 сидерических часа равны 23 часам 56 минутам 4 секундам среднего солнечного времени. Сидерические часы, минуты и секунды немного короче соответствующих им единиц измерения солнечного времени. Использование сидерических часов позволяет астрономам следить за звездами и правильно направлять телескопы. Но теперь ни астрономам, ни вам больше не нужно этого делать. Компьютерные программы-планетарии, которые определяют направление телескопов или создают изображение неба (об этом говорилось в главе 2) сделают за вас все необходимые вычисления. Поэтому, чтобы выяснить, в каком месте неба появятся определенные звезды и созвездия, вам достаточно взять за основу стандартное время.

 С другой стороны, в отчетах об астрономических наблюдениях обычно применяются стандартные системы времени, принятые астрономами всего мира: это всемирное время(Universal Time – UT) или время по Гринвичу(Greenwich Mean Time). UT – это просто стандартное время в Гринвиче (Великобритания). Согласно международному соглашению, принято считать, что сутки начинаются в Гринвиче. (Иными словами, они начинаются, когда в Гринвиче полночь, т. е. 0:00 часов UT.) Например, в Москве разница со всемирным временем составляет плюс 3 часа, а в Нью-Йорке – минус 5 часов, потому что в Москве солнце встает на три часа раньше, а в Нью-Йорке – на пять часов позже, чем в Гринвиче. Таким образом, когда в Гринвиче 6 часов утра, в Москве уже 9 часов утра, а в Нью-Йорке – только час ночи.

 Еще одна сложность в определении местного времени связана с тем, что во многих странах для более полного использования светлого времени суток и экономии электроэнергии осуществляют переход на «летнее» и «зимнее» время. При переходе на «летнее» время стрелки часов сдвигают на час вперед по сравнению с «зимним».

Более точно определенное время, всемирное координированное время(Coordinated Universal Time – UTC), которое совпадает с UT, если использовать его во всех практических целях, – это официальный международный стандарт [14] 14
  Шкалы AT (атомное время) и UT не согласуются, поэтому введена промежуточная шкала UTC, которая корректируется на 1 с, когда отклонение от UT1 превышает 0,7 с; коррекция выполняется в последнюю секунду 30 июня или 31 декабря, или в обе даты.


[Закрыть].

Смена времен года

Объяснить студентам причину смены на Земле времен года – это, наверное, самая сложная задача для любого преподавателя астрономии. Как бы преподаватель ни старался объяснить, что смена времен года никак не связана с тем, насколько далеко Земля находится от Солнца, многие или даже большинство студентов в это не верят. Проведенные опросы показали: даже выпускники Гарвардского университета думают, что лето – это когда Земля находится ближе всего к Солнцу, а зима – когда Земля дальше всего от Солнца.

При этом студенты забывают, что, когда в Северном полушарии лето, в Южном полушарии – зима. И когда в Австралии лето, в России – зима. Но и Австралия, и Россия находятся на одной и той же планете Земля.

Истинная причина смены времен года – это наклон земной оси (рис. 5.2). Ось вращения, воображаемая линия, соединяющая северный и южный полюса Земли, не перпендикулярна плоскости земной орбиты, по которой она движется вокруг Солнца. И отклонение оси от перпендикуляра составляет 23,5°. Ось направлена на север в точку среди звезд возле Полярной звезды. (На самом деле, ось медленно меняет свое направление и со временем будет указывать не на Полярную, а на другую звезду.)

Рис. 5.2. Смена времен года

В настоящее время Полярная звезда (т. е. та, на которую указывает северный полюс Земли) – это α Малой Медведицы. Если вы потеряетесь ночью и захотите идти на север, то ищите Малую Медведицу (более подробно о поиске Полярной звезды говорится в главе 3).

Ось Земли направлена "вверх" сквозь Северный полюс и "вниз" – сквозь Южный. Когда Земля находится на одной стороне своей орбиты, ось, направленная "вверх", указывает тоже примерно в сторону Солнца, поскольку в полдень в Северном полушарии Солнце находится высоко в небе. Через шесть месяцев ось, направленная "вверх", теперь будет указывать в противоположную сторону от Солнца. На самом деле, ось всегда направлена в одном и том же направлении в космосе, но теперь Земля находится с противоположной стороны от Солнца.

Лето приходит в Северное полушарие, когда ось, направленная через Северный полюс вверх, указывает примерно в сторону Солнца. В этой ситуации Солнце в полдень находится выше над горизонтом, чем во все остальные сезоны года, поэтому оно лучше освещает Северное полушарие и дает больше тепла. В это же самое время ось, проходящая вниз через Южный полюс, направлена от Солнца, поэтому Солнце в полдень находится ниже над горизонтом, чем в любое другое время года, и хуже освещает Южное полушарие. В это время в Австралии наступает зима.

Летом светлого времени суток больше, чем зимой, потому что Солнце находится выше над горизонтом. Поэтому ему требуется больше времени, чтобы сначала подняться на эту высоту, а потом – спуститься. И, поскольку день длится дольше, в это время года теплее.

 По мере того как Земля движется по орбите вокруг Солнца, кажется, что Солнце перемещается по небу по некой окружности, которая называется эклиптикой (об этом говорилось в главе 3). Плоскость эклиптики наклонена к плоскости экватора точно под таким же углом, как ось Земли – 23,5°. С этой точки зрения определим следующие понятия.

Момент пересечения небесного экватора центром видимого солнечного диска. Весеннее равноденствие наступает, когда Солнце переходит из южного полушария небесной сферы в северное и обычно происходит около 21 марта. Осеннее равноденствие бывает около 23 сентября. Вблизи равноденствия продолжительность дня в средних широтах примерно равна продолжительности ночи.

 Когда Солнце переходит из южного полушария небесной сферы в северное, т. е. пересекает небесный экватор «снизу вверх», наступает первый день весны, который называется днем весеннего равноденствия. Он приходится на 20–21 марта. В Южном полушарии Земли наступает астрономическая осень, а в Северном – астрономическая весна. Вблизи равноденствия продолжительность дня в средних широтах примерно равна продолжительности ночи.

 Когда Солнце достигает самой высокой (северной) точки на эклиптике, это день летнего солнцестояния. Приходится примерно на 21–22 июня. С этого дня в Северном полушарии начинается астрономическое лето, а в Южном – астрономическая зима.

 Когда Солнце переходит из северного полушария небесной сферы в южное, т. е. пересекает небесный экватор «сверху вниз», это начало осени, день осеннего равноденствия. Обычно он приходится примерно на 23 сентября. В Южном полушарии Земли наступает астрономическая весна, а в Северном – астрономическая осень.

 Когда Солнце достигает самой нижней (южной) точки на эклиптике, это день зимнего солнцестояния. Приходится примерно на 21–22 декабря. С этого дня в Северном полушарии начинается астрономическая зима, а в Южном – астрономическое лето.

В Северном полушарии летнее солнцестояние приходится на день, когда светлое время суток наибольшее в году. В этот день Солнце поднимается на самую высокую точку над горизонтом, поэтому ему требуется больше всего времени, чтобы подняться на эту высоту, а потом спуститься. Аналогично, зимнее солнцестояние в Северном полушарии приходится на день, когда светлое время суток наименьшее в году.

Ну вот, пожалуй, и все, что я хотел сказать о времени и временах года.

Возраст Земли

 Радиоактивное датирование – это единственный имеющийся у нас точный способ датирования различных древностей, как на Земле, так и в Солнечной системе. Некоторые химические элементы, такие как уран, имеют разновидности (отличающиеся атомной массой), называемые радиоактивными изотопами. Радиоактивный изотоп превращается в другой изотоп того же самого элемента или в другой элемент со скоростью, определяемой периодом полураспадарадиоактивного элемента. Предположим, период полураспада составляет миллион лет. Тогда через миллион лет половина имевшегося первоначально радиоактивного изотопа превратится в другое вещество (называемое дочерним изотопом), а вторая половина останется радиоактивной. Затем за следующий миллион лет в дочерний изотоп превратится половина оставшегося вещества. Таким образом, через два миллиона лет останется только 25 % первоначального количества атомов радиоактивного изотопа. А через три миллиона лет останется только 12,5 % и т. д.

 Когда первоначальные атомы радиоактивного изотопа, называемые родительскими атомами, и дочерние атомы оказываются вместе в куске камня (или металла), например в метеорите, ученые могут подсчитать соответствующее количество атомов и определить возраст этого камня. Это называется методом радиоактивного датирования.

Но, согласно методу радиоактивного датирования, самые древние породы на Земле имеют возраст примерно 3,8 миллиарда лет. А Земля, без сомнения, гораздо старше. Эрозия, процессы горообразования и вулканические процессы (извержение расплавленной лавы из недр Земли, а также образование новых вулканов) – все это постоянно оказывает разрушающее влияние на породы на поверхности Земли, поэтому первоначальные породы, из которых состояла поверхность Земли, давно исчезли.

Однако для метеоритов метод радиоактивного датирования дает возраст примерно 4,6 миллиарда лет. Считается, что метеориты – это осколки астероидов, а астероиды – это фрагменты вещества, из которого состояла Солнечная система в самом начале ее образования, когда происходило формирование планет (более подробно об астероидах речь пойдет в главе 7).

Поэтому ученые считают, что возраст Земли и других планет – примерно 4,6 миллиарда лет. Луна, как оказывается, моложе. Но это уже другая история.