Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Рис. 166. Геоцентрическая система Птолемея

В раннем Средневековье не существовало единого представления о форме Земли, большинство людей вполне довольствовались понятием «земная твердь». Но в XI–XII вв. Европа познакомилась с трудами древнегреческих мыслителей. Представления Аристотеля и Евклида приобрели большую популярность, в том числе и среди авторитетных христианских философов. К началу эпохи Возрождения общепринятым стало мнение, что Земля представляет собой шар, подвешенный в пустоте без опоры, вокруг которого на небесном своде вращаются звёзды и планеты (Луну и Солнце тоже считали планетами).

Рис. 167. Николай Коперник

Гелиоцентрическая теория Н. Коперника.

Впервые в птолемеевой системе усомнился польский астроном, математик и экономист Николай Коперник (1473–1543) (рис. 167).

Рис. 168. Гелиоцентрическая система Коперника

В своём труде «Об обращении небесных сфер», изданном в год его смерти, Коперник удивляется чрезмерной сложности системы Птолемея, а обращаясь к трудам других древнегреческих учёных, он приходит к выводу, что центром вращения мира должно быть Солнце (рис. 168). Земля вместе с планетами вращается вокруг Солнца, а Луна является не планетой, а спутником Земли и вращается вокруг неё. Таким образом, суточное движение Солнца воображаемо и вызвано эффектом суточного вращения Земли, которая совершает полный оборот вокруг своей оси за 24 часа. Точно так же перемещение Солнца по зодиаку объясняется не его истинным движением, а вращением Земли вокруг Солнца. Такое представление значительно упрощало расчёты движения планет, однако давало несколько менее точные результаты, чем расчёты, сделанные по системе Птолемея, потому что Коперник считал орбиты Земли и планет не эллиптическими, какими они на самом деле являются, а круговыми. Это и послужило главной причиной продолжительных возражений против гелиоцентрической системы.

Современные представления о движении Земли.

Современные представления о движении Земли сводятся к следующим основным положениям:

1. Околосолнечная орбита Земли, так же как и других планет Солнечной системы, является не очень вытянутым эллипсом, в одном из фокусов которого находится Солнце. Средняя скорость движения Земли по орбите приблизительно равна 30 км/с.

2. Двигаясь по орбите, Земля совершает полный оборот приблизительно за 365,25 солнечных суток (т. е. оборотов Земли вокруг своей оси). Этот промежуток времени называют звёздным годом. Из-за лишних 0,25 суток за четыре года накапливаются полные сутки, поэтому каждый четвёртый год считается високосным и состоит из 366 суток.

3. Из-за того что орбита Земли представляет собой эллипс, Земля в разные времена года находится на различном расстоянии от Солнца. В среднем это расстояние составляет 150 млн км. Точка, в которой Земля находится ближе всего к Солнцу, называется перигелием, а точка наибольшего отдаления Земли от Солнца – афелием.

4. Земля вращается вокруг своей оси, т. е. прямой линии, соединяющей Северный и Южный полюса. Эта ось не перпендикулярна плоскости земной орбиты, а находится под некоторым углом к ней. В результате в течение одного полугода Земля обращена к Солнцу Северным полюсом, а в течение другого – Южным (рис. 169).

Рис. 169. Вращение Земли вокруг Солнца

Перемена состояния происходит в дни весеннего и осеннего равноденствия, тогда, когда Земля пересекает небесный меридиан. В том полушарии, которое в этот день поворачивается в сторону Солнца, наступает весна, а затем лето. Продолжительность светового дня начинает превышать продолжительность ночи, а на полюсе и в местах, расположенных за полярным кругом, Солнце видно круглосуточно (полярный день). В другом полушарии всё происходит наоборот: наступает осень, температура воздуха падает, продолжительность светового дня снижается, а на полюсе и в его окрестностях Солнце никогда не поднимается над горизонтом (полярная ночь).

Проверьте свои знания

1. Кто и когда впервые определил длину окружности земного шара?

2. Кто и когда впервые предложил гелиоцентрическую теорию? Как вы считаете, почему эта теория не получила в то время большого распространения?

3. Какую форму имеет орбита Земли?

4. Что такое афелий и перигелий?

5. Почему вблизи полюсов бывают полярные ночи и полярные дни?

Задания

В настоящее время во многих зданиях с высокими потолками находятся так называемые маятники Фуко (рис. 170), которые доказывают вращение Земли вокруг своей оси. Объясните принцип работы такого маятника. Если нужно, найдите необходимые сведения в литературе или Интернете.

Рис. 170. Маятник Фуко

§ 62 Земля и её строение

Всевышний граду КонстантинаЗемлетрясенье посылал,И геллеспонтская пучина,И берег с грудой гор и скалДрожали, и царей палаты,И храм, и цирк, и гипподром,И стен градских верхи зубчаты,И всё поморие кругом.Н. Языков

Солнечная система включает в себя Солнце и естественные космические тела, вращающиеся вокруг него и связанные с ним силой гравитационного притяжения. Солнечная система состоит из больших планет, карликовых планет и астероидов, вращающихся вокруг Солнца по орбитам, имеющим форму эллипса. Кроме того, в неё входят спутники, вращающиеся около планет и некоторых астероидов. Земля относится к большим планетам и среди них находится на третьем по счёту расстоянии от Солнца. Ввиду особой важности Земли для существования человечества, мы рассмотрим её первой.

Земной шар не является идеальным шаром, а представляет собой круглое тело, сплюснутое с полюсов. Такая форма именно в честь нашей планеты получила название геоид (от греческого названия Земли – Гея)[16]. Она возникла в результате действия центробежной силы при вращении Земли. В результате диаметр нашей планеты, проходящий через экватор, больше расстояния между полюсами на 43 км. Средний диаметр Земли около 12 740 км, а её масса – 5 •1024 кг.

Литосфера.

Земля состоит из твёрдой коры, мантии и металлического ядра (рис. 171). Земная кора – это верхняя часть твёрдой оболочки Земли. Толщина её колеблется от 6 км под океаном до 50–60 км на континентах. Основные вещества, образующие кору, – это оксиды кремния и в меньшей степени алюминия, кальция, магния, железа, натрия и калия. Поэтому самым распространённым химическим элементом в коре является кислород. Под корой находится верхняя плотная часть мантии. Вместе они образуют твёрдую внешнюю оболочку Земли, которую называют литосферой.

Рис. 171. Схема строения Земли

Литосфера состоит из нескольких тектонических плит, которые плавают по вязкой нижней части мантии со скоростью нескольких сантиметров в год. Из-за этого движения число и форма материков со временем меняются. Считают, что 750 млн лет назад на Земле существовал единый материк, который затем раскололся, образовав современную карту Земли.

Мантия находится на глубине от 35 до 3 тыс. км от поверхности Земли и составляет почти 70 % массы планеты. Основными химическими элементами мантии являются кислород, кремний и магний.

Глубже мантии находится ядро. Его внешняя часть является жидкой, а внутренняя – твёрдой. Состав ядра точно не определён, но известно, что оно состоит преимущественно из металлов, среди которых первое место занимает железо. Вероятно, в ядре происходит радиоактивный распад некоторых элементов, в результате которого образуется внутреннее тепло нашей планеты. Предполагают, что в центре Земли температура поднимается до 3000–5000 °C, а давление достигает нескольких миллионов атмосфер. Часть этого тепла поднимается к земной коре.

При высоких температурах породы, формирующие кору или верхнюю часть мантии, могут плавиться, образуя огненно-жидкий расплав. Он состоит в основном из соединений кремния и носит название магмы. Магма, изливающаяся на поверхность Земли, образует лаву.

Места, где магма извергается на поверхность Земли, называют вулканами (рис. 172). Это название произошло от имени римского бога Вулкана (греческий аналог – Гефест), имевшего под землёй металлоплавильные и кузнечные мастерские. Вместе с лавой вулканы выбрасывают вулканические газы и куски лавы. Такие выбросы могут происходить с различной периодичностью в зависимости от активности данного вулкана и называются вулканическими извержениями. Извержение вулкана может привести к серьёзным стихийным бедствиям.

Рис. 172. Вулкан: А – схема строения; Б – извержение;

1 – магма, 2 – континентальная кора, 3 – конус вулкана, 4 – океан, 5 – океаническая кора

Иногда под потоками лавы исчезают огромные территории и гибнут многие города. Одним из самых известных по своим трагическим последствиям было извержение вулкана Везувия в Южной Италии в 79 г. н. э., которое длилось около суток и привело к гибели трёх городов: Помпей, Геркуланума и Стабии, а также многих селений и вилл. Сила извержения была такова, что пепел от него долетел до Египта и Сирии. В 2010 г. исландский вулкан Эйяфьятлайокудль, внезапно проснувшись, выбросил столько пепла, что тот разлетелся по всей Европе и вызвал отмену более 60 тыс. авиарейсов.

До сих пор неясным остаётся происхождение тепла, которое вызывает плавление твёрдых пород и образование магмы. Некоторые исследователи полагают, что оно является результатом радиоактивных процессов, но большинство полагают, что нагревание происходит в результате трения при движении литосферных плит.

Землетрясения.

Подвижность тектонических плит может привести к землетрясениям. Быстрый сдвиг участка земных пород вызывает колебательные движения – сейсмические волны. Участок земной поверхности, расположенный непосредственно над точкой сдвига – очагом, называют эпицентром землетрясения. От очага землетрясения волны распространяются во все стороны со скоростью до 8 км/с. Для обнаружения и регистрации сейсмических волн используют специальные приборы – сейсмографы, которые сконструированы так, что при толчке одна их часть остаётся неподвижной, а вторая сдвигается. Такой прибор может непрерывно записывать сейсмические колебания, регистрируя даже незначительные сдвиги в земной поверхности. Для измерения силы землетрясения обычно используют двенадцатибалльные шкалы, где 1–2 балла соответствуют землетрясению, которое ощущается только приборами или очень чувствительными людьми, а те, которые оцениваются 11–12 баллами, приводят к обвалам, оползням, разрушениям городов и другим катастрофическим явлениям. В течение года на Земле происходит около 10 тыс. ощущаемых людьми землетрясений. Из них около ста производят значительные разрушения.

Гидросфера и атмосфера.

Помимо твёрдой литосферы Земля имеет ещё две оболочки – жидкую гидросферу и газообразную атмосферу. Гидросфера делится на Мировой океан, занимающий 70,8 % площади нашей планеты, воды суши и водяной пар в атмосфере. Более 96 % воды на Земле находится в Мировом океане, около 2 % – в подземных водах, столько же – в составе ледников и вечных снегов, и только около 0,02 % общей воды составляют поверхностные водоёмы суши. Мировой океан – это совокупность пяти океанов (Тихого, Атлантического, Индийского, Северного Ледовитого и Южного) и морей, имеющих сообщение с этими океанами. Средняя глубина Мирового океана составляет 3800 м, самое глубокое место (около 11 км) – Марианская впадина Тихого океана. Некоторые моря не отделены от океана участками суши. Таково, например, Саргассово море, расположенное возле Центральной Америки. Его границы определяются не сушей, а морскими течениями.

Атмосфера – это газовая оболочка Земли. Её толщина, т. е. расстояние от поверхности планеты, на котором ещё можно обнаружить атмосферные газы, доходит до 2–3 тыс. км, однако для жизнедеятельности человека и других организмов наибольшее значение имеет её самый нижний слой – тропосфера, толщина которой составляет от км вблизи полюсов до 18 км в тропических районах. Воздух тропосферы на 78 % состоит из азота, на 21 % из кислорода и на 0,04 % из углекислого газа, остальная часть приходится на инертные газы. Над тропосферой на высоте до 50 км находится стратосфера, а над ней ионосфера, которая хотя и содержит атмосферные газы, строго говоря, уже не является атмосферой Земли, а представляет собой ближайшую к ней часть космического пространства. На высоте 20–40 км под действием ультрафиолетового излучения Солнца кислород ионизируется, приобретая третий атом, и превращается в озон (О₃). Образовавшийся озоновый слой поглощает опасные для живых организмов ультрафиолетовые лучи. Если бы этого слоя или, как говорят, озонового экрана не существовало, жизнь на Земле могла бы существовать только под водой.

Для нормальной жизни человека необходимо, чтобы в окружающем его воздухе находилось достаточное количество кислорода. Вместе с тем при удалении от поверхности Земли атмосферное давление падает, и воздух становится всё более разреженным. Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека проявляется кислородное голодание, сопровождающееся снижением работоспособности. На высоте 15 км кислорода в атмосфере настолько мало, что дыхание человека становится невозможным.

Проверьте свои знания

1. Каковы средний диаметр и масса Земли?

2. Из каких внутренних слоёв состоит Земля? Частью какого из них является земная кора?

3. Как называется магма, которая выходит на поверхность Земли? В каких местах она извергается?

4. Что такое эпицентр землетрясения?

5. Что такое тропосфера? Какие газы и в каком относительном количестве входят в её состав?

§ 63 Солнечная система

Уже с десяток миллиардов летприродою решается проблема:какой должна быть звёздная система,чтоб разум появился в ней на свет?Не прост вопрос. И трудно дать ответ:как хочешь зажимай винты и клеммы,бездушной может стать любая схемаполёта и вращения планет.Ведь если миллион созвездий мрачныхв пространства колбу бросить всё и сразу,то пустота их может растворить.Уныл расчёт попыток неудачных…Мне кажется, чтоб солнечным был разум,должна система Солнечною быть.А. Спейсер

Основой Солнечной системы является Солнце – звезда, относящаяся к категории жёлтых карликов. По сравнению с большинством звёзд Вселенной Солнце действительно имеет небольшие размеры. А то, что Солнце жёлтое, означает, что оно имеет среднюю температуру – не горячее (в таком случае оно было бы голубым) и не слишком холодное (иначе оно было бы красным). Масса Солнца в 333 тыс. раз больше, чем масса Земли. Энергия Солнца образуется в результате проходящего в нём термоядерного синтеза, «топливом» для которого служит водород. При объединении ядер водорода образуются ядра гелия, что сопровождается освобождением очень большого количества энергии. Расчёты показывают, что Солнце в настоящее время находится в середине своей эволюции и запасов водорода должно хватить ещё на несколько миллиардов лет.

Солнце испускает свет, а также поток заряженных частиц, распространяющийся со скоростью около 1,5 млн км в час и называемый солнечным ветром. Солнечный ветер способен срывать атмосферу планеты. Именно так происходит на Венере и Марсе. Атмосфера же Земли защищена от этого разрушительного действия магнитным полем. В результате действия магнитного поля Земли частицы солнечного ветра уносятся в верхние слои атмосферы, где и могут иногда наблюдаться в виде полярных сияний.

Большая часть объектов сосредоточена у восьми планет Солнечной системы, которые движутся вокруг Солнца в плоскости эклиптики по эллиптическим, хотя и довольно близким к круговым, орбитам (рис. 173). Ближайшей к Солнцу планетой является Меркурий. Он находится на расстоянии 0,4 астрономической единицы от Солнца и является самой маленькой планетой Солнечной системы, его масса почти в двадцать раз меньше массы Земли. Меркурий не имеет спутников и окружён крайне разреженной атмосферой. Существует гипотеза, что когда-то Меркурий был более крупной планетой, но утратил свою часть вследствие столкновения с большим космическим объектом.

Венера, вторая планета Солнечной системы, по размерам близка Земле и, так же как и она, имеет толстую кремниевую оболочку вокруг железного ядра. Венера самая горячая планета в Солнечной системе, температура её поверхности около 400 °C. На Венере есть очень плотная атмосфера, состоящая в основном из углекислого газа.

Рис. 173. Схема Солнечной системы

Так как эта атмосфера постоянно сдувается солнечным ветром, предполагают, что она постоянно пополняется за счёт вулканических извержений. Спутников Венера не имеет.

Четвёртая планета – Марс. Его масса примерно в 10 раз меньше массы Земли. Он обладает атмосферой, приблизительно в два раза менее плотной, чем атмосфера Земли, и состоящей из углекислого газа. На его поверхности есть вулканы, самый большой из которых, Олимп, имеет высоту 21 км, что значительно больше самых высоких вулканов Земли. Так же как и на Венере, эти вулканы пополняют срываемую солнечным ветром атмосферу Марса. Поверхность этой планеты содержит большое количество оксида железа, что и объясняет его красноватый цвет, за который он получил имя бога войны Марса. Так же как и одноимённого бога на поле боя, планету Марс сопровождают два спутника: Фобос (страх) и Деймос (ужас).

Меркурий, Венера, Земля и Марс называются внутренними планетами Солнечной системы или планетами земной группы. Они состоят в основном из соединений кремния и металлов. Остальные четыре планеты называют газовыми гигантами, преимущественно они состоят из водорода и гелия. Общая масса планет-гигантов составляет 99 % массы всех тел Солнечной системы, кроме, разумеется, самого Солнца. Все они имеют кольца из пыли и льда, вращающихся вокруг планеты, хотя с Земли видны только кольца Сатурна.

Пятая по расстоянию от Солнца планета – Юпитер. Его масса в 2,5 раза больше всех остальных планет вместе взятых и в 318 раз больше массы Земли. Юпитер имеет 63 спутника, самые большие из которых – Ганимед, Каллисто, Ио и Европа – по строению схожи с планетами земной группы. Ганимед является самым большим в Солнечной системе спутником, его масса больше массы Меркурия.

Следующая планета – Сатурн – известна своей системой колец. Его структура схожа со структурой Юпитера, но масса почти в два раза меньше, хотя почти в 100 раз превышает массу Земли. Он имеет 61 спутник, из которых один – Титан – является единственным в Солнечной системе спутником, обладающим собственной атмосферой.

Уран – седьмая по счёту планета солнечной системы является самой лёгкой из внешних планет. Его масса всего в 14 раз больше массы Земли. Особенностью Урана является то, что наклон оси его вращения к плоскости эклиптики больше 90°. Если другие планеты можно сравнить с вращающимися волчками, то Уран похож на катящийся шар. Так же как и следующая планета – Нептун, Уран, помимо водорода и гелия, содержит в своём составе много льда. У Урана известно 27 спутников, самые крупные из которых – Оберон, Титания, Умбриэль, Ариэль и Миранда.

Последняя, восьмая, планета Солнечной системы – Нептун. Масса его в 17 раз больше, чем масса Земли. Он имеет 13 спутников, на самом крупном из которых – Тритоне – имеются гейзеры, бьющие жидким азотом. От других планет Нептун отличается тем, что вращается вокруг Солнца в противоположном направлении.

Пояс астероидов

Между Марсом и Юпитером находится пояс астероидов (рис. 174). Астероидами называют небесные тела размером от нескольких метров до сотен километров. Они значительно меньше больших планет, но, несмотря на это, могут иметь собственные спутники. Астероиды относятся к малым телам Солнечной системы. Самые крупные астероиды называют карликовыми планетами. В настоящее время известно несколько сотен тысяч астероидов, но предполагают, что их общее число может достигать почти 2 млн. Несмотря на это, общая масса астероидов не превышает 0,001 массы Земли. Раньше самым крупным астероидом считалась Церера, имеющая почти 1000 км в диаметре, но с недавнего времени её принято относить к карликовым планетам. После Цереры единственным астероидом, который можно регулярно видеть в небе невооружённым глазом, является Веста. Её диаметр составляет около 500 км. Другие астероиды можно видеть только во время их прохождения вблизи Земли.

Пояс Койпера.

Второй пояс малых тел Солнечной системы, называемый поясом Койпера, – область от орбиты Нептуна до расстояния около 55 астрономических единиц от Солнца. Он значительно больше пояса астероидов. В отличие от объектов пояса астероидов, которые состоят из горных пород и металлов, тела этого пояса построены из замёрзшей воды, метана и аммиака.

Рис. 174. Астероиды: А – астероид Гаспра; Б – астероид Итокава; В – пояс астероидов

Здесь находятся три карликовые планеты, в том числе Плутон, который раньше считали полноправной большой планетой.

Кометы

В число малых тел Солнечной системы входят также кометы, которые состоят из «льдов» – застывшей воды, метана или других газов и имеют обычно размеры в несколько километров (рис. 175). Они движутся по сильно вытянутым орбитам, так что их перигелий находится в области внутренних планет, а афелий – за орбитой Плутона.