Ziemia i Księżyc, astronomia,matematyka
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Ziemia i Księżyc
Trzecią według oddalenia od
planetą jest Ziemia. Jej powierzchnia
to jedyne znane miejsce we Wszechświecie, gdzie rozwinęło się życie.
Ziemia jest także jedyną planetą Układu Słonecznego, której
powierzchnię w ponad 70% pokrywa woda. Ziemia okrąża Słońce po
prawie kołowej orbicie (o mimośrodzie 0,017) w średniej odległości 149,6
mln km (przyjętej jako
. Płaszczyzna ruchu
Ziemi wokół Słońca definiuje tzw. płaszczyznę ekliptyki, względem której
określa się położenia płaszczyzn ruchu ciał Układu Słonecznego. Średnia
prędkość orbitalna Ziemi wynosi 29,8 km/s. Okres obiegu Ziemi wokół
Słońca przyjmuje się jako jednostkę czasu, zwaną
Niemal kulisty glob ziemski wiruje wokół osi
(co jest przyczyną niewielkiego spłaszczenia naszej planety na biegunach: promień równikowy, równy
6378 km, jest o 2 km dłuższy od promienia biegunowego) nachylonej do płaszczyzny ekliptyki pod
kątem 66,6
o
. Okres obrotu globu ziemskiego przyjmuje się również jako jednostkę czasu, zwaną dobą.
Masa Ziemi wynosi 5,9749 x 10
24
kg i stanowi zaledwie trzystutysięczną część masy Słońca. Średnia
gęstość materii ziemskiej wynosi 5,52 g/cm
3
i jest największa wśród wszystkich planet Układu
Słonecznego.
Wnętrze Ziemi nie jest jednorodne. Współczesne modele budowy wewnętrznej Ziemi przewidują, że w
środku znajduje się stałe jądro wewnętrzne o promieniu 1227 km, złożone ze stopu żelaza z
domieszką niklu, które otoczone jest warstwą jądra zewnętrznego o grubości 2258 km, zawierającego
ciekły stop żelaza z dodatkami siarki, krzemu i tlenu. Ogółem promień jądra ma długość 3485 km i
zawiera około 32% masy Ziemi. Nad jądrem rozpościera się płaszcz skalisty o grubości ponad 2800
km, przykryty kilkudziesięciokilometrową skorupą powierzchniową. Materiał skalny płaszcza składa się
głównie z oliwinu i piroksenu. Skorupa Ziemi do dziś pozostaje aktywna geologicznie, co jest wynikiem
grzania wewnętrznego, którego źródło stanowi stygnięcie jądra oraz energia rozpadu izotopów
promieniotwórczych wewnątrz Ziemi. Aktywność ta przejawia się przede wszystkim podziałem skorupy
na starsze i grubsze (około 40 km) płyty kontynentalne, pokrywające około 40% powierzchni, oraz
młodsze i cieńsze (około 7 km) płyty oceaniczne, obejmujące resztę powierzchni. Ruchy tych płyt
względem siebie odbywają się z prędkościami kilku centymetrów na rok.
Atmosfera Ziemi składa się głównie z azotu (78%) i tlenu (2%) z domieszkami niewielkich ilości gazów
szlachetnych, dwutlenku węgla i wodoru. Przy powierzchni atmosfera nasycona jest parą wodną, która
kondensuje na cząstkach pyłu, tworząc obłoki. Masa atmosfery stanowi zaledwie milionową część
masy Ziemi. Ciśnienie atmosferyczne przy powierzchni Ziemi wynosi średnio 0,1 MPa (definiuje
jednostkę, zwaną atmosferą). Na wysokości kilku kilometrów spada do połowy tej wartości, a
kilkunastu kilometrów - do 10%. Średnia temperatura przy powierzchni Ziemi wynosi +15
o
C, a gęstość
atmosfery jest równa 1,22x10
-3
g/cm
3
. Przebieg zmian temperatury atmosfery w zależności od
wysokości jest podstawą wyodrębnienia kolejnych jej warstw: troposfery, stratosfery, mezosfery i
termosfery.
Skład chemiczny ziemskiej atmosfery (zestawiła M. Sołtan).
Cząsteczka
Symbol chemiczny Zawartość procentowa w jednostce objętości
Azot cząsteczkowy N
2
78,084
Tlen cząsteczkowy O
2
20,948
Argon
Ar
0,934
Dwutlenek węgla
CO
2
0,0333
Neon
Ne
0,001818
Hel
He
0,000524
Metan
CH
4
0,000200
Krypton
Kr
0,000114
1
Ziemia z kosmosu. Widać Afrykę i
Arabię Saudyjską. Fot. NASA.
Wodór cząsteczkowy H
2
0,000050
Ozon
O
3
0,000040
Podtlenek azotu
N
2
O
0,000027
Tlenek węgla
CO
0,000020
Ksenon
Xe
0,0000087
Formaldehyd
H
2
CO
0,0000010
Amoniak
NH
3
0,0000004
Ciepło wydzielane podczas stygnięcia jądra Ziemi wzbudza w nim ruchy
konwekcyjne, które dzięki zjawisku dynama geomagnetycznego są
źródłem ziemskiego pola magnetycznego. Jest ono w przybliżeniu polem
dipolowym o osi odchylonej od osi obrotu Ziemi o 11,7o. Indukcja
magnetyczna na równiku wynosi 3 mikrotesli ( T). Wiatr słoneczny
napływający ku naszej planecie napotyka ziemskie pole magnetyczne i
tworzy wokół niej rozległą magnetosferę, która od strony Słońca sięga
odległości ponad 10 promieni ziemskich. Pole magnetyczne więzi
naładowane wysokoenergetyczne
cząstki (elektrony i protony); powstają w ten sposób dwa grube pierścienie, otaczające Ziemię nad
równikiem magnetycznym i rozciągające się w odległości około 1,5-2 i 3-4 promieni Ziemi.
Widoczna strona Księżyca. Na tarczy
zaznaczono miejsca lądowań
amerykańskich statków załogowych
Apollo
, sond bezzałogowych Surveyor
oraz radzieckich sond bezzałogowych
Łuna
. Fot. Obserwatorium Licka. Wg
"Atlas Układu Słonecznego NASA",
Prószyński i S-ka, Warszawa 1999.
Ziemia ma jednego satelitę, Księżyc, który jest drugim (po Słońcu) pod
względem jasności obiektem na niebie. Księżyc porusza się wokół Ziemi
po prawie kołowej orbicie (o mimośrodzie 0,05), położonej w płaszczyźnie
nachylonej do płaszczyzny ekliptyki pod kątem 5,1
o
. Średnia odległość
Księżyca od Ziemi wynosi 384,4 tys. km, a okres jego obiegu wokół
naszej planety jest równy 27,3 dnia. Księżyc wiruje wokół osi nachylonej
do płaszczyzny ekliptyki pod kątem 88
o
, a okres jego obrotu jest równy
okresowi obiegu wokół Ziemi, a więc Księżyc pozostaje do niej zwrócony
zawsze tą samą stroną. Promień Księżyca wynosi 1738 km (0,27
promienia Ziemi), a jego masa jest równa 7,35x10
22
kg, co stanowi 1/81
masy Ziemi (stosunek masy Księżyca do masy Ziemi jest największy ze
stosunków mas satelitów do mas ich macierzystych planet w Układzie
Słonecznym). Średnia gęstość materii, z której składa się Księżyc, wynosi
zaledwie 3,34 g/cm
3
.
>>>
Mapa topograficzna Księżyca
sporządzona na podstawie obserwacji
wykonanych przez sondę
Clementine
w 1994 r. Najniżej położone obszary
mają kolor fioletowy, leżące nieco
wyżej - niebieski, jeszcze wyżej -
zielony i czerwony. Mapa obejmuje
450
o
w długości (powtórzony na niej
został fragment 90-180
o
) i od -70
o
do
+70
o
w szerokości. Uwagę zwracają
dwa olbrzymie baseny (depresje):
basen Aitkena w pobliżu bieguna
południowego (u góry z prawej) i
obszar obejmujący centralno-
północną część widocznej strony
Księżyca (tzn. zwróconej ku Ziemi).
Najwyżej położone fragmenty
powierzchni Księżyca znajdują się na
jego niewidocznej stronie, w centrum i
na północ. Fot. USGS/NASA.
Znacznie mniejsza niż Ziemi średnia gęstość Księżyca wskazuje na to, że
jego wnętrze musi być uboższe w żelazo. Według współczesnych modeli
niewielkie jądro żelazne (o promieniu około 700 km) otacza warstwa
stopionych skał o grubości mniej więcej 400 km, nad którą rozpościera się
sztywny płaszcz skalisty pokryty kilkudziesięciokilometrową twardą
skorupą. Wprawdzie skład chemiczny Księżyca różni się od ziemskiego,
ale jego niemal identyczny z ziemskim skład izotopowy wydaje się
sugerować wspólne pochodzenie obu ciał. Przypuszcza się, że Księżyc
powstał w końcowej fazie tworzenia się Układu Słonecznego jako rezultat
zderzenia protoplanety wielkości Marsa z rozwarstwioną już na jądro i
płaszcz Ziemią. Zderzenie nie było centralne i dlatego w jego wyniku
Ziemia pozbawiona została tylko części płaszcza, zachowując większość
żelaznego jądra. Materiał płaszcza, rozproszony w postaci dysku na
bliskiej orbicie okołoziemskiej, stygnąc szybko skondensował do postaci
naturalnego satelity. Oddziaływania pływowe oddaliły od siebie oba ciała -
jeszcze dziś odległość Księżyca od Ziemi wzrasta w tempie 3 cm na rok.
Powierzchnię Księżyca tworzą głównie skały bazaltowe pochodzenia
wulkanicznego. Cała pokryta jest kraterami uderzeniowymi; na widocznej
z Ziemi części powierzchni znajduje się około 300 tys. kraterów o
2
Ziemia i Księżyc - podwójna planeta
sfotografowana przez sondę
Galileo
w
1990 r. w drodze ku Jowiszowi. Fot.
JPL/NASA.
ane w maju
1967 r. przez sondę
Lunar Orbiter 4
.
W środku jest widoczny basen Mare
Orientale - uważany za
najefektowniejszą strukturę
uderzeniową (powstałą w wyniku
spadku innego ciała) na powierzchni
Srebrnego Globu. Fot. NASA.
średnicy ponad 1 km; na odwrotnej stronie jest ich dużo więcej. Wśród innych struktur
powierzchniowych zwracają uwagę łańcuchy gór, których wysokość dochodzi do 8 km, a także bruzdy
i szczeliny o szerokości do 5 km i długości kilkuset km. Temperatura powierzchni Księżyca zmienia się
od +110
o
C w środku dnia księżycowego do -80
o
C w środku nocy; tak duże różnice spowodowane są
brakiem atmosfery.
Na powierzchni Księżyca nie ma wody. Ale w 1996 r. doniesiono, że wnikliwa analiza wyników
obserwacji radarowych, wykonanych dwa lata wcześniej z krążącej wokół Księżyca sondy
Clementine
,
wskazuje, że dna głębokich kraterów w okolicach biegunów, do których nigdy nie dociera
promieniowanie słoneczne,
Gdyby przyszłe badania to potwierdziły,
byłoby to jedno z donioślejszych odkryć o znaczeniu również i praktycznym. Księżyc jest bowiem
dotychczas jedynym naturalnym obiektem pozaziemskim, na którym był już człowiek i wobec którego
ma dalsze ambitne plany eksploracyjne.
Krzysztof Ziołkowski
3
[ Pobierz całość w formacie PDF ]