Куликовский П.Г. Справочник любителя астрономии

Подождите немного. Документ загружается.

§1.1. Земля 61

концентрацию 10

электронов/см

, слой Е — 1СР, слой F| — 5 • 10

., слой F

—

электронов/см

). Было обнаружено изменение плотности верхнихслоев атмосфе-

ры и колебания их температуры в зависимости от изменения солнечной активности

и времени года (так, например, летом в дневные часы плотность на высоте 200 км

в 20 раз больше, чем зимой ночью), а также в зависимости от широты (плотность

в полярных районах в пять раз больше, чем вблизи экватора на той же высоте).

Самые высокие полярные сияния наблюдались на высотах 1000 и даже 1500 км.

Свечение ночного неба обнаруживается на высотах до 2000 км. В зените в визу-

альной области спектра в безлунную ночь оно составляет от 0,3 • 10~

стильба

до Ю

-8

стильба, или иначе от ~100 до ~400 звезд 10

на квадратный градус.

(О светимости ночного неба (включающей влияние зодиакального света) см. с. 131.)

Область от 600 до ~5000 км называется экзосферой (внешняя сфера или сфера

рассеяния). Концентрация электронов в ней падает с высотой от 10

до 10

в см

Из этой области непрерывно происходит «утечка» атомов атмосферы, в особенности

легких газов — водорода и гелия. Приобретая скорость больше критической

(так называемой скорости ускользания, диссипации, или скорости освобождения),

определяемой по формуле F

= (2G9Jl/R)

]

, где G — постоянная тяготения,

9Я — масса небесного тела, R — его радиус, эти атомы навсегда покидают Зем-

лю. Критическая скорость для газовой молекулы на поверхности Земли 11,2 км/с.

В космонавтике — это вторая космическая скорость. Первая же космическая скорость

равна 11,2 • 1/л/2 = 11,2 • 0 707 = 7,91 км/с. Эта скорость уменьшается с высотой,

а соответствующий период обращения ИСЗ вокруг центра Земли увеличивается

от 84,4 минуты для высоты 0 км согласно следующей таблице, последний столбец

которой соответствует так называемой стационарной орбите\

62 Глава 1. Общие сведения

Круговая скорость и орбитальный период

на разной высоте от поверхности Земли

Высота, км 0 200 500 1000 2000 5000 10000 20000 35 900

Скорость, км/с

7,91

7,79 7,63

7,36

6,91

5,92 4,94

3,90

3,07

Период, ч мин

1 24 .1 28 1 34

1 45

2 07 3 22

5 48 11 49 24 00

Однако если средняя квадратическая скорость равна 1/2 критической, то моле-

кулы атмосферы улетучатся в течение нескольких часов, при скорости, равной 1/3 —

в течение нескольких недель, 1/4 — десятков тысяч лет, 1/5 — миллиардов лет.

При повышении температуры средняя квадратическая скорость молекул возрастает.

Однако до t = 400 °С она не больше 2,89 км/с, что почти в четыре раза меньше

критической. Реально скорость газовых молекул атмосферы Земли меньше 2,5 км/с,

что предохраняет Землю от потери воздушной оболочки. Критическая скорость

на поверхности Луны 2,38 км/с. Естественно, что Луна давно уже лишилась атмо-

сферы (если она у нее когда-нибудь была).

Данные, полученные с помощью ИСЗ, показали, что земной шар окружен «поя-

сами радиации» — областями резкого увеличения концентрации заряженных частиц

высокой энергии (рис. 12). Концентрация в пределах каждого из радиационных поясов

г>

а-

«J

сз

Рис. 12. Магнитосфера Земли

оказалась наибольшей вблизи плоскости магнитного экватора Земли (как извест-

но, не совпадающего с географическим) и убывает к магнитным полюсам. Ближе

к Земле концентрация заряженных частиц (по-видимому, протонов с энергиями

до сотни миллионов эВ) достигает максимума на высоте порядка ста км. Выше

этого частицы (вероятно, электроны с энергией в несколько десятков тысяч эВ)

простираются до высот в 50-60 тыс. км.

Распределение в атмосфере температуры (определяемой тепловыми скоростями

движений частиц воздуха) характеризуется любопытными неправильностями —

температурными инверсиями: в тропосфере температура уменьшается приблизительно

на 6 °С с каждым километром высоты; от тропопаузы до высоты 30 км температура

приблизительно постоянна и равна —55 °С от 30 до 55 км температура постепенно

повышается до 0°С; к высоте 80 км она вновь падает до -68 °С и затем постепенно

§1.1. Земля 63

повышается, достигая 1000 °С на высоте больше 500 км Однако плотность воздуха

на этих высотах столь мала, что температура тела, попавшего туда, будет определяться

способностью тела поглощать энергию солнечных лучей и излучать ее в окружающее

пространство, а не температурой окружающего его крайне разреженного воздуха.

Изучение метеорных следов и серебристых облаков (высота ~80 км) обнару-

живает наличие «стратосферных ветров», скорости которых превышают 100 м/с.

1.1.3. Приливы

Луна и, в меньшей степени, Солнце, притягивая подвижную водную оболочку

Земли, образуют на ней как бы по два противоположно расположенные горба, кото-

рые, перемещаясь по поверхности Земли вследствие ее вращения, вызывают по два

прилива и два отлива в сутки (точнее, за 24

) в океанах и открытых морях. Наи-

большие (сизигийные) приливы совпадают с сизигиями (см. с. 66), наименьшие —

с квадратурами. Первые в 3 раза больше вторых. Подобные приливы происходят

также в земной коре и в атмосфере. Луна действует примерно в два раза сильнее, чем

Солнце, так как приливообразующая сила пропорциональна массе тела и обратно

пропорциональна кубу расстояния до него. Подробно разработана теория морских

приливов, которая позволяет вычислить заранее календарь приливов и отливов и их

высоту для любого места на Земле. При этом учитываются не только видимые

положения Солнца и Луны, но и особенности рельефа морского дна и берегов.

Наибольшая высота прилива в открытом океане не превосходит 2 м, но в некото-

рых проливах и узких заливах доходит до 15 м (в заливе Фанди на атлантическом

побережье Канады — до 18,6 м). Близ берегов местные условия подводного рельефа

вызывают запаздывание прилива. Промежуток времени от момента кульминации

Луны до максимального прилива называется прикладным часом. Его величина, как

и другие характеристики приливов, заранее вычисляются для каждого морского

порта и включаются в лоции.

Приливы в земной коре имеют максимальную амплитуду (на экваторе) всего

43 см, а приливы в атмосфере создают колебания атмосферного давления на поверх-

ности Земли в несколько миллиметров ртутного столба. Постепенное замедление

вращения Земли и связанное с ним увеличение продолжительности земных су-

ток (около 0,0016 с за сто лет или 5

•

10~

с в сутки) является следствием приливного

трения водной оболочки о поверхность твердой оболочки Земли и приливов в теле

Земли. Подтверждение этого замедления найдено в изменении количества тончай-

ших суточных микрослоев в годичных кольцах кораллов: ~370 млн лет назад их

было 400, а теперь 365.

Отмечены также периодические изменения скорости вращения Земли с пе-

риодом в год, т.е. связанные с метеорологическими явлениями (весной вращение

медленнее, осенью — быстрее). Вероятная причина этого — циркуляция атмосферы,

сопровождающаяся передачей момента количества движения от атмосферы самой

Земле. Иногда происходят внезапные изменения скорости вращения. Они не по-

лучили еще объяснения. Может быть, они связаны с тектоническими процессами

в недрах Земли — землетрясениями, извержениями вулканов и т.д., вызывающими

перемещение масс вещества относительно центра Земли.

' Франко-советские эксперименты в Арктике с образованием искусственного натриевого облака

на больших высотах показали, что t порядка 1000 К достигается на высоте 120-170 км. Температура

зависит от широты и от времени года.

64 Глава 1. Общие сведения

Открытие неравномерности вращения Земли объяснило некоторые особенности

движения Луны, которые в теории Луны учитывались эмпирически, а также находили

объяснение во влиянии Венеры и Меркурия.

В 1956 г. внезапное изменение скорости вращения Земли произошло после

исключительно мощной вспышки на Солнце 25 февраля. Может быть, изменение

излучения Солнца оказало влияние на магнитное поле Земли, что внезапно изменило

период ее вращения. А в августе 1972 г., после сильного солнечного шторма, было

отмечено замедление скорости вращения Земли, или увеличение продолжительности

суток на 0,0014

Второе после Солнца яркое светило — Луна. Но даже в полнолуние Луна освещает

Землю в 500 000 раз слабее Солнца. Луна — самое близкое к Земле небесное тело,

наш «вечный спутник». Она представляет собой темный шар диаметром в 3476 км.

Его поперечник, следовательно, немногим более 1/4 земного, а объем в 49 раз

меньше. Масса Луны составляет 7,353- 10

кг или 1/81,30 массы Земли (о прин-

ципе определения массы Луны см. п. 1.1.1 и рис. 13). Средняя плотность Луны

равна 3,34 г/см

, что соответствует средней плотности базальтового слоя земной

коры, лежащего под тонкой гранитной оболочкой. Ускорение свободного падения

на поверхности Луны 1,62 м/с

, т.е. приблизительно в 6 раз меньше, чем на Земле.

Вторая космическая скорость на поверхности Луны 2,38 км/с. Хотя есть спутники

планет и более массивные, чем Луна, она — одна из самых больших спутников

по сравнению со своей планетой (превосходит ее в этом смысле только Харон).

Часто Землю с Луной (как и Плутон с Хароном) называют двойной планетой.

Это отражается и в форме орбиты Луны относительно Солнца (см. рис. 177).

Луна обращается вокруг Земли на среднем расстоянии около 384410 км (30 диа-

метров земного шара). Полный оборот Луна совершает за 27,322 суток. Этот проме-

жуток времени называется сидерическим, или звездным месяцем. Угол между плоско-

стью орбиты Луны и экватором Земли изменяется от 18,5° до 28,5° вследствие дви-

жения линии узлов лунной орбиты по эклиптике. Освещаемая Солнцем Луна меняет

§1.2. Луна

Первая

^тВерть

четверть Полнолун^

Рис. 13. Движение Земли и Луны относительно барицентра и фазы Луны

§ 1.2. Луна

свой вид и проходит последовательно следующие фазы в зависимости от ее располо-

жения относительно направления от Земли к Солнцу (рис. 13): новолуние, когда Луна

скрывается в лучах Солнца (в этот момент долготы Солнца и Луны совпадают); пер-

вая четверть — Луна на 90° к востоку от Солнца, имеет вид полукруга, обращенного

выпуклостью к западу, к Солнцу; полнолуние — полная Луна и Солнце находятся

Рис. 14. Фотография Луны в первой четверти

Глава 1. Общие сведения

в противоположных сторонах неба; последняя четверть — Луна на 90° к западу

от Солнца, полукруг выпуклостью к востоку. После новолуния Луна видна на за-

паде слева от заходящего Солнца в виде тонкого серпа, обращенного выпуклостью

к Солнцу. Это — молодой, растущий месяц (напоминает букву Р, если соединить

рога прямой линией). Перед новолунием серп Луны виден на востоке утром справа

от восходящего Солнца. Это — старый месяц (напоминает букву С). Полнолуние

и новолуние называют сизигиями; первую и последнюю четверти — квадратурами.

Возрастом Луны называют промежуток времени (выраженный в сутках и до-

лях суток), отделяющий данный момент времени от предшествовавшего новолу-

ния (см. табл. 16). Элонгацией Луны называют угловое расстояние ее от Солнца

или, иначе, разность долгот Луны и Солнца. Период полной смены фаз составляет

29,531 суток и называется синодическим месяцем. Неровная, зазубренная линия тер-

минатора, отделяющая освещенную часть Луны от неосвещенной (рис. 14), близка

по форме к половине эллипса и лишь в моменты наступления первой и третьей че-

твертей превращается в прямую линию, делящую диск Луны строго пополам (это так

называемая дихотомия).

Вскоре после новолуния, когда после захода Солнца на западе виден узкий серп

«молодого месяца», либо перед новолунием до восхода Солнца, когда на востоке

виден узкий серп «старого месяца», можно разглядеть и неосвещенную Солнцем

часть Луны. Она светится бледно-серым, так называемым пепельным светом, —

отраженным светом Земли. Для сравнения: освещенность от полной Луны на земной

поверхности составляет 0,25 люкса, а освещенность от полной Земли на лунной

поверхности близка к 16 люксам. Измеряя интенсивность пепельного света, можно

определить альбедо Земли, которое меняется от 0,52 до 0,32 в зависимости от времени

года. Среднее альбедо Луны составляет всего 0,12, т. е. лишь 12% падающего на Луну

Рис. 15. Схематическая карта видимой стороны Луны. Моря: ) — Кризисов, 2 — Изобилия,

3 — Нектара, Л — Спокойствия, 5 — Ясности, 6 — Дождей, 7 — Опасностей, 8 — Облаков, 9 —

Влажности, 10 — Океан Бурь, 11 — Гумбольдта, 12 — Холода; горы: I — Кавказ, II — Альпы,

III — Апеннины, /V — Карпаты; кратеры: а — Тихо, Ь — Коперник, с — Кеплер, d — Аристарх,

в — Анаксагор, f — Платон

Север

• р

Восток

Юг

§ 1.2. Луна

света отражается и рассеивается ею. Напо-

мним: альбедо («белизна») показывает, какую

долю падающего света отражает данная по-

верхность. Для сравнения: альбедо воды —

5%, травы зеленой — 26%, песка — 30%,

чистого снега — 85 %.

Период вращения Луны вокруг своей оси

в точности равен периоду ее обращения во-

круг Земли, т.е. сидерическому месяцу, по-

этому она всегда обращена к нам одной своей

стороной (см. рис. 15). Другую сторону мы

с Земли никогда не видим, если не считать

того, что вследствие эллиптичности лунной

орбиты и небольшого наклона ее экватора

к плоскости собственной орбиты Луна для

земного наблюдателя как бы несколько качается, давая нам возможность немного

заглядывать за ее видимый край то с одной, то с другой стороны. Это — либрации

(качания) Луны.

Вследствие либраций центр видимого диска Луны перемещается в пределах

±7°54' по лунному экватору (максимальная либрация по долготе) (рис. 16) и в пре-

делах ±6°50' вдоль меридиана Луны (максимальная либрация по широте). Суточ-

Рис. 16. Либрация Луны

Север

Запад

Восток

ная (или параллактическая) либра-

ция, связанная с перемещением са-

мого наблюдателя вследствие вра-

щения Земли, на ее экваторе до-

ходит до 57'. Физическая либрация

(около 2") происходит из-за влия-

ния других небесных тел на Луну.

Совокупное влияние всехлибраций

дает возможность обозреть с Зем-

ли (разумеется, не одновременно)

около 60 % всей лунной поверхно-

сти. Увидеть поверхность обратной

стороны Луны помогли космичес-

кие аппараты.

Луна практически лишена ат-

мосферы: плотность ее меньше

10~

плотности земной атмосферы

на уровне моря. На Луне нет во-

ды, а следовательно, не может быть

облаков — все детали ее поверхно-

сти видны всегда совершенно от-

четливо. Особенно контрастно они

видны при косом освещении сол-

нечными лучами, т. е. ближе к квадратурам, чем к полнолунию. Различия в яркости

деталей лунной поверхности соответствуют различным их альбедо — от 0,05 до 0,2;

различия в цвете деталей незначительны.

Большие темные пятна округлой формы, которые видны невооруженным гла-

зом, — это широкие равнины, названные первыми наблюдателями «морями». «Мо-

ря», «заливы», «океаны» Луны носят весьма причудливые названия: Море Кризисов,

Рис. 17. Схематическая карта обратной стороны

Луны: 1 — Море Москвы, 2 — Море Восточное,

3 — Море Мечты, 4 — Королев, 5 — Герцшпрунг,

6 — Циолковский, 7 — Жюль Берн, 8 — Мах, 9 —

Джордано Бруно, 10 — Ом, 1 1 — Аполлон, 12 —

Менделеев, 13 — Гагарин, 14 — Кэмпбелл, IS —

Биркгоф, 16 — Д'Аламбер

Глава 1. Общие сведения

tuamr ж

Чосер

Рис. 18. Фотография участка невидимой с Земли стороны Луны,

полученная с борта советского КА «Зонд-6». Север сверху

Рис. 19. Фотография области на обратной стороне Луны, полученная КА «Зонд-8»

в 1970 г. В центре находится кратер Эйткен (его диаметр 130 км). Север слева

§ 1.2. Луна 69

Море Ясности, Море Спокойствия, Океан Бурь и т. п. Кратеры в основном носят

имена знаменитых астрономов и других ученых всех времен и народов. На Луне

имеются горные хребты, по высоте почти не уступающие земным (до 5,5 км). Их вы-

соты определяют, измеряя длины их теней при освещении Солнцем, находящимся

близко к горизонту соответствующего места на Луне.

Горными массивами чаще всего окаймлены круговые моря. Имена лунных гор —

Апеннины, Альпы, Кавказ и др. предложил Ян Гевелий еще в 1647 г. А спустя не-

сколько лет Джованни Риччиоли и Франческо Гримальди дали имена большинству

лунных морей и крупных кратеров. По мере совершенствования телескопов увели-

чивалось и число названий на лунных картах. Много новых названий появилось

после фотографирования обратной стороны Луны. Все новые названия небесных

тел и деталей рельефа на них утверждает Международный астрономический союз:

В современной селенографии, дисципли-

не, изучающей поверхность Луны, принято

выделять области двух типов: светлые — ма-

териковые, занимающие 83 % площади всей

поверхности, и темные — морские, соста-

вляющие 17 %. Материки характеризуются

значительными неровностями и множеством

кратеров, а моря — пониженные, относи-

тельно ровные области с меньшим коли-

чеством кратеров. При низком положении

Солнца на поверхности морей можно раз-

личить невысокие гряды, простирающиеся

на большие расстояния.

Преобладающим типом образований на

лунной поверхности являются метеоритные

кратеры самых разных размеров: от сотен

километров до нескольких десятков санти-

метров в диаметре; самый большой кратер

Байе имеет диаметр 300 км. Большим на-

земным телескопам доступны кратеры диа-

метром 1 км; самые малые, еще различи-

мые в мощные телескопы, имеют 100-200 м

в поперечнике. Большинство кратеров, ви-

димых в небольшие трубы, имеет диаметры

до 150 км. Список основных кратеров и карту

всей Луны см. в Приложении 1.

Высота кольцевого вала кратеров дости-

гает нескольких километров, но она обычно

мала по сравнению с размером самого крате-

ра: из центра большого кратера не видно ва-

ла, который скрывается за горизонтом вслед-

ствие кривизны поверхности Луны. Кратеры

различаются по степени сохранности вала: от четко выраженных — сравнительно

молодых, до сильно разрушенных — старых. У большинства молодых кратеров

на внутренних стенках есть террасы, а на дне — горки. На дне некоторых кратеров

видны трещины или цепочки из мелких кратеров.

При высоком Солнце в окрестности некоторых наиболее молодых кратеров

(Тихо, Кеплер, Коперник) можно различить лучевые системы — светлые полосы,

Рис. 20. Кольцевые горы на Луне (спра-

ва внизу кратер Птолемей, а выше него

Альфонс и Арзахель, слева внизу — Апь-

Баттани. Стрелкой отмечена центральная

горка кратера Альфонс, близ которой

Н.А.Козырев обнаружил выброс газов

(см. с. 72). Север внизу

70 Глава 1. Общие сведения

радиально отходящие от кратера. Эти светлые лучи шириной в несколько километров

пересекают горы и моря, простираясь иногда на расстояния до 4000 км от своего

центра. Возможное объяснение их природы заключается в том, что в результа-

те взрыва, вызванного падением большого метеорита, в некоторых направлениях

были выброшены достаточно крупные осколки, вызвавшие появление вторичных

кратеров размером 100-1000 м. Они расположились вдоль радиусов, расходящихся

от основного кратера — центра системы белых лучей. Возможно, лучи отличают-

ся от окружающей местности в силу разных причин: из-за скопления маленьких

вторичных кратеров или повышенной плотности каменистых выбросов.

Рис. 21. Часть первой панорамы Луны, переданной на Землю КА «Луна-9».

Различимы детали размером в несколько миллиметров

Есть на Луне и гигантские цепочки кратеров, протянувшиеся от Моря Восточ-

ного на тысячи километров. Долины, шириной в несколько десятков километров

и длиной в сотни километров, как правило, встречаются на окраинах морей. Более

узкие, длинные и обрывистые ложбины, сохраняющие одинаковую ширину по всей

своей длине называют бороздами. Их часто можно видеть и на морях, и на матери-

ках. Встречаются на Луне и сбросы, такие как Прямая Стена в Море Облаков; этот

уступ высотой около 300 м протянулся на 125 км.

Отсутствие атмосферы способствует сильному нагреванию поверхности Луны

в течение дня, который длится две недели, и ее охлаждению в течение двухне-

дельной ночи. Наблюдающееся быстрое охлаждение Луны во время лунных затме-

ний (на 240 °С за два часа) говорит о том, что ее поверхность имеет очень малую

теплопроводность.

Радиолокационные исследования Луны в диапазоне от 0,13 до 35 см и измерения

ее собственного радиоизлучения, проведенные под руководством В.С.Троицкого

в Нижнем Новгороде, позволили объяснить исключительно малую теплопровод-

ность лунной поверхности тем, что она на глубину 1,5-2 м состоит из пористого

вещества, называемого реголитом (р = 0,5 г/см

). Это мелкообломочный матери-

ал, покрывающий коренные скальные породы. Он образовался за счет выбросов