Землю с ее спутником Луной нередко называют двойной планетой. Этим подчеркивается как общность их происхож­дения, так и редкостное для планет соотношение масс цент­рального тела и спутника. Масса Луны составляет 1/81 массы Земли. Спутники других планет имеют по сравнению с сами­ми планетами значительно меньшую массу. Вероятно, Луна образовалась примерно в то же время, что и Земля. Расстоя­ние между ними было в несколько раз меньше, чем теперь. С той поры Луна постепенно удаляется от нашей планеты с очень малой скоростью (около 4 см за год).

1. Земля

Природа Земли достаточно подробно изучается в курсе гео­графии. Напомним вкратце лишь те сведения, которые необ­ходимы для ее сравнения с другими планетами.

Строение. Основными оболочками земного шара являют­ся атмосфера, гидросфера и литосфера. Соответствующие этим оболочкам три агрегатных состояния вещества — газообраз­ное, жидкое и твердое — являют­ся привычными для нас, жителей Земли. Атмосферой обладает большинство больших планет Солнечной системы, твердая обо­лочка характерна для планет земной группы, спутников планет и астероидов. Гидросфера же Зем­ли — уникальное явление в Сол­нечной системе, никакая другая из известных планет ею не распола­гает. Вода в жидком виде может существовать лишь при опре­деленных значениях температуры и давления газовой среды. Бу­дучи весьма распространенным во Вселенной химическим сое­динением, вода на других телах Солнечной системы встреча­ется главным образом в твердой фазе: в виде снега, инея и льда.

Литосфера. На протяжении миллиардов лет существова­ния Земли в твердом теле планеты происходили процессы, существенно изменившие первоначальный состав вещества и его распределение в литосфере. За счет энергии, выделяю­щейся при распаде радиоактивных элементов, происходило расплавление и дифференциация вещества. В результате лег­кие соединения, в основном силикаты, оказались наверху и образовали кору Земли, а более тяжелые остались в централь­ной части — ядре.

Толщина коры относительно невелика и меняется от 4 — 10 км под океанами до 30 — 70 км под материками. Радиус ядра составляет примерно половину радиуса планеты, при­чем в его. внутренней части вещество находится в твердом состоянии, а во внешней — в жидком. Между ядром и корой располагается промежуточная оболочка — мантия. Плот­ность вещества по мере удаления от центра планеты умень­шается от 17 000 кг/м³ (в ядре) до 2700 кг/м³ (в коре).

Результаты исследований, выполненных с помощью космических аппаратов, показали, что внутреннее строение планет земной группы и Луны в общих чертах такое же (рис. 4.2).

Атмосфера. Определенное сходство свойственно также и атмосферам планет земной группы, среди которых атмос­фера Земли выделяется своим уникальным химическим со­ставом (см. приложение IV).

Атмосфера рассеивает и поглощает солнечное излучение, она во многом определяет тепловой баланс планеты благодаря так называемому парниковому эффекту. Так, нагретая солнечным излучением поверхность суши и океана Земли сама излучает инфракрасное излучение. Оно погло­щается углекислым газом и парами воды земной атмосферы, которая тем самым удерживает тепло (рис. 4.3). На протя­жении миллионов лет существования Земли установилось равновесие между потоком энергии, поступающей от Солнца, и потоком энергии, излучаемой планетой обратно в космическое пространство. Чем плотнее атмосфера планеты и чем больше в ней содержится углекислого газа и водяных паров, тем сильнее проявляется парниковый эффект и мень­ше амплитуда изменения температуры от дня к ночи. Эта закономерность хорошо прослеживается у планет земной группы. На Земле равновесие установилось при средней температуре около +15 °С. (290 К), а на Венере — при зна­чительно более высокой — около +470 °С (740 К). Не случайно высказываются опасения, что повышение содер­жания углекислого газа в земной атмосфере вследствие возрастания объема сжигаемого человечеством топлива может привести к росту температуры на Земле и изменению ее кли­мата.

Проявление парникового эф­фекта можно наблюдать в пас­мурную погоду. Облачность задерживает тепловое излучение, поэтому почва и воздух ночью охлаждаются не так интенсивно, как при ясном безоблачном небе, когда могут случиться ноч­ные заморозки.

Нижний слой атмосферы, который называется тропосфе­рой_t в средних широтах имеет высоту 10 — 12 км, а в экватори­альных — 16 — 17км. В тропосфере содержится более 90% всей массы атмосферы и практически все водяные пары. Именно здесь в основном происходят явления, которые оп­ределяют погоду. По мере удаления от земной поверхности температура снижается и на верхней границе тропосферы со­ставляет примерно -50 °С.

Над тропосферой до высоты 50 — 55 км простирается стратосфера_t в которой находится слой озона (О₃). Здесь, начиная о высоты около 25 км. температура атмосферы рас­тет за счет поглощения озоном ультрафиолетового излуче­ния Солнца. Выше — в мезосфере — температура снова уменьшается и на высоте около 75 км достигает абсолютного минимума -90 °С.

Плотность атмосферы с высотой уменьшается: на высоте 6 км она вдвое меньше, чем у поверхности, а на высоте по­рядка 100 км в миллион раз меньше. Примерно до этих высот состав атмосферы остается неизменным — смесь газов, полу­чившая название воздуха. На больших высотах, в термосфере (80 — 800 км) состав атмосферы существенно меняется. Ос­новными ее компонентами становятся гелий и водород. За счет поглощения ультрафиолетового излучения Солнца тем­пература значительно возрастает (до 1500 °С на высоте 600 км). Поглощение излучения вызывает диссоциацию мо­лекул, а также ионизацию молекул и атомов с образованием свободных электронов. Таким образом, термосфера планеты является вместе с тем ее ионосферой. Самый внешний слой атмосферы называется экзосферой, откуда атомы и молекулы могут беспрепятственно ускользать в космическое простран­ство.

Магнитосфера Земли. На высотах более 1000 км поведе­ние и распределение заряженных частиц неразрывно связано с магнитным полем Земли. В околоземном космическом пространстве существует область, которую называют магнито­сферой, хотя по своей форме она вовсе не является сферой. Структура геомагнитного поля на дневной и ночной стороне Земли благодаря наличию «солнечного ветра» существенно отличается. Этот поток плазмы, непрерывно обдувающий Землю, имеет собственное магнитное поле, которое взаимо­действует с геомагнитным полем и вызывает его значитель­ную деформацию. При набегании потоков солнечного ветра на магнитное поле Земли они прежде всего тормозятся, и в результате возникает ударная волна. В целом магнитосфера принимает форму цилиндра с выпуклым в сторону Солнца дном. Она сжата с дневной стороны и вытянута в виде си­гарообразного шлейфа с ночной. Этот шлейф диаметром немногим менее 250 тыс. км простирается за Землей на 5,6 млн. км.

Небольшая часть захваченных геомагнитным полем заря­женных частиц образует вокруг нашей планеты пояс ради­ации. Здесь находятся обладающие наиболее высокой энергией ионы (в основном протоны) и электроны. Эти частицы, попадая из радиационного пояса в верхние слои атмосферы в районе полюсов, заставляют светиться ее ос­новные составляющие — азот и кислород, вызывая полярные сияния.

2. Луна

По своей природе Луна относится к телам планетного типа. Ее радиус составляет около 1700 км, масса в 81 раз меньше земной, а средняя плотность примерно 3300 кг/м³.

Несмотря на общность происхождения, природа Луны существенно отличается от земной. Из-за того что сила тяжести на поверхности Луны в 6 раз меньше, чем на по­верхности Земли, молекулам газа гораздо легче покинуть Луну. Для этого достаточно скорости примерно 2,4 км/с, поэтому на нашем спутнике нет и не было ни гидросферы, ни атмосферы. Луна не имеет также заметного магнитного поля.

Медленное вращение вокруг оси приводит к тому, что в течение дня поверхность Луны нагревается до +130 °С (400 К), а в течение ночи остывает до -170 °С (100 К). Из-за отсутствия атмосферы лунная поверхность подвержена непо­средственному воздействию всех видов излучения, а также постоянной «бомбардировке» метеоритами и более мелкими частицами — микрометеоритами, которые падают на нее с космическими скоростями (десятки километров в секунду). В результате вся Луна покрыта слоем мелкораздробленного вещества — реголита, толщина которого в ряде случаев пре­вышает 10 — 12 м (см. рис. 2 на цветной вклейке III). Теплопроводность реголита очень мала (примерно в 10 раз меньше теплопроводности окружающего нас воздуха), поэтому уже на глубине нескольких десятков сантиметров колебания тем­пературы практически отсутствуют.

Даже невооруженным глазом видно, что на Луне есть светлые области — материки и более темные — моря (см. рис. 1 на цветной вклейке III). Современные исследования показали, что они отличаются не только по внешнему виду, но также по рельефу, теологической истории и химическому составу покрывающего их вещества. Луна является единым материковым щитом, на котором в виде отдельных вкрапле­ний располагаются пониженные участки поверхности, покрытые застывшей лавой, — моря. Они занимают примерно 40% площади видимой стороны Луны (рис. 4.4). Самая круп­ная равнина получила название Оксан Бурь, следом идет Море Дождей, Море Холода, Море Спокойствия и др. Так их назвали ещё в начале XVII в. Море Дождей окружают горные хребты высотой 3 — 5 км., получившие такие же на­звания, как и земные горные массивы,— Кавказ, Альпы, Апеннины и т.п. Все эти горы сбросового типа. Вероятно, складчатых гор, характерных для нашей планеты, на Луне нет. В различных частях Луны заметны такие формы релье­фа, как борозды и трещины, по которым происходило смещение отдельных участков лунной коры по вертикали и гори­зонтали.

Наиболее характерными формами рельефа Луны являют­ся кратеры самого различного размера. Они получили имена в честь известных ученых — Коперника, Кеплера, Птолемея и др. При наблюдениях с Земли в телескоп можно различить кратеры диаметром не менее 1 км. Их насчитывается около 300 тыс. Множество кратеров метрового и сантиметрового размеров видны на снимках лунной поверхности, получен­ных космическими аппаратами. На более древней поверхности материков на единицу площади приходится примерно в 30 раз больше кратеров, чем на относительно молодой по­верхности морей. Именно поэтому поверхность материков выглядит такой неровной. Кратеры образуются при падении на Луну тел из космического пространства. При ударе о по­верхность Луны этих тел, обладающих значительной кинети­ческой энергией, происходит взрыв. В результате разруша­ются и само тело, и лунные породы, их обломки и пыль раз­летаются во все стороны, а на месте взрыва образуется углубление — кратер.

Самые крупные кратеры (100 км и более в диаметре) ок­ружены возвышающимся на 2 — 3 км над окружающей мест­ностью валом с пологими склонами. Глубина кратера обычно в 5 — 10 раз меньше его диаметра и немногим больше высоты вала. Дно крупных кратеров нередко бывает частично или полностью затоплено лавой, над которой возвышается цент­ральная горка. Характерным примером является кратер Ар­химед диаметром около 80 км (рис. 4.5).

                                

На поверхности Луны повсюду видны выброшенные при образовании кратеров камни различных размеров и форм (рис. 4.6). Некоторые из них при падении на Луну также об­разуют кратеры, которые называют вторичными. Вероятно, множество таких кратеров и мелкораздробленное вещество образуют светлые лучи, которые прослеживаются на поверх­ности вокруг некоторых кратеров иногда на расстоянии до 1500 км. Так далеко разлетаются продукты мощных взрывов вследствие малой силы тяжести и отсутствия атмосферы на Луне.

Исследования Луны с помощью космических аппаратов начались еще в 1959 г. Тогда советская автоматическая стан­ция «Луна-3» впервые сфотографировала обратную сторону Луны. По традиции находящиеся на ней кратеры получили имена ученых — Джордано Бруно, Ломоносова, Жолио-Кюри, Королёва и др., а также космонавтов — Гагарина, Кома­рова и др. Оказалось, что практически все моря находятся на видимой стороне Луны, а впадины, которые есть на ее обрат­ной стороне (рис. 4.7), в большинстве своем не заполнены ла­вой. В последующем съемка лунной поверхности неодно­кратно проводилась советскими и американскими космиче­скими аппаратами. К настоящему времени составлены под­робные карты обоих полушарий Луны и ее отдельных регионов, на которых зафиксированы объекты размером до 10 м.

Важные исследования были проведены советскими авто­матическими станциями серии «Луна» и американскими аппа­ратами «Сервейор» на ее поверхности. Первой была «Луна-9», совершившая мягкую посажу на Луну в феврале 1966 г.

Луна стала первым и пока единственным небесным те­лом, на которое в 1969 г. ступила нога человека, американ­ского астронавта Нейла Армстронга. В дальнейшем в ходе реализации американской программы «Аполлон» на Луне побывало 12 астронавтов, которые пробыли там в общей сложности 300 ч (рис. 4.8). Длительное время работали на Лу­не советские самоходные аппараты «Луноход-1» и «Луно­ход-2», которые обследовали лунную поверхность на площа­ди свыше 100 км². Покрывающий всю лунную поверхность реголит по своим физико-механическим свойствам (размеры частиц, прочность и т. п.) похож на влажный песок. Он пред­ставляет собой смесь мелких обломков горных пород, остеклованных и оплавленных частиц, возникающих при образо­вании кратеров. Средний размер частиц реголита около 1 мм, однако встречаются и более крупные (см. рис. 3 на цветной вклейке III). На многих частицах с помощью микроскопа можно различить мельчайшие кратерочки, образовавшиеся при ударах микрометеоритов.

Американские корабли «Аполлон» и советские автомати­ческие станции доставили на Землю около 400 кг образцов лунных пород, которые были подвергнуты детальному химическому анализу в лабораторных условиях на Земле, Породы Луны похожи на земные изверженные породы, но обеднены по сравнению с ними летучими элементами, железом и водой. Набор минералов в их составе оказался беднее (око­ло 50), чем в земных породах, где содержится более 2000 минералов. В лунных породах преобладают силикаты и оксиды, встречаются также фосфаты, сульфиды, карбиды и фосфиды. На Луне практически нет минералов, отличающих­ся от земных, но в то же время отсутствуют те из них, кото­рые могут образовываться в водной среде и при наличии сво­бодного кислорода. Никаких признаков жизни даже в виде микроорганизмов или органических соединений на Луне не обнаружено.

Доставленные на поверхность Луны сейсмометры позво­лили зарегистрировать большое число лунотрясений — до 3000 за год, Однако все они очень слабы — их сейсмическая энергия в миллиард раз меньше, чем на Земле. Так же как и на Земле, регистрация сейсмических колебаний позволила уточнить внутреннее строение Луны. Оказалось, что лунная кора значительно толще земной: от 60 км на видимом с Земли полушарии до 100 км на обратной стороне. Структура верхних слоев коры исследовалась посредством активных сейсми­ческих экспериментов при падениях на Луну отработанных частей кораблей «Аполлон» и искусственных взрывах на поверхности Луны. Под реголитом лежит слой пород, выбро­шенных при образовании крупных кратеров. Его толщина меняется от нескольких десятков до сотен метров. Еще ниже до глубины примерно 1 км располагаются растрескавшиеся от многочисленных ударов базальтовые породы.

Определенный различными методами возраст пород, до­ставленных с Луны, как говорилось ранее, близок к возрасту Земли, что свидетельствует об их совместном происхожде­нии. В то же время на лунной поверхности нс было обнару­жено более молодых пород, что говорит о давнем прекраще­нии лавовых излияний и вулканической активности.

Отсутствие на Луне процессов размывания и выветрива­ния позволяет считать се своеобразным геологическим заповедником, где на протяжении миллионов и миллиардов лет сохраняются все возникавшие за это время формы рельефа. Таким образом, изучение Луны дает возможность понять гео­логические процессы, происходившие на Земле в далеком прошлом, от которого на нашей планете не осталось никаких следов.

В настоящее время существуют детально разработан­ные проекты создания на Луне крупной обитаемой базы (рис. 4.9), где смогут длительное время находиться участники экспедиций. Наличие такой базы позволит постоянно прово­дить наблюдения за нашей планетой, объектами ближнего и дальнего космоса, а также другие исследования, которые трудно осуществить на Земле или на орбитальных станциях. Так, например, обратная сторона Луны удобна для разме­щения радиотелескопов, поскольку тем самым практически исключаются помехи наземных радиотехнических средств. При реализации этих проектов предполагается максимально использовать ресурсы самой Луны.

В этой связи немаловажное значение приобретает тот факт, что благодаря исследованиям, проведенным в послед­ние годы, на Луне обнаружены весьма заметные запасы воды.

Бомбардировка лунной поверхности вблизи ее южного полю­са ракетой-носителем «Центавр» и специальным зондом по­зволила установить, что в веществе, выброшенном при взры­ве, действительно содержится вода. Российский нейтронный детектор ЛЕНД, установленный на борту американского искусственного спутника Луны ЛРО, показал, что водяной лед составляет 3 — 8% массы пород в ее приполярной зоне. Согласно предварительным оценкам из тонны лунного грунта можно получить порядка 40 — 45 литров воды. В пер­спективе воду можно будет использовать в различных целях. Частично на бытовые нужды, частично разложив на кис­лород и водород. Кислород необходим для дыхания, а водо­род является прекрасным топливом. О намерении создать на Луне базы заявили несколько стран, в том числе Россия, Китай и Индия. В качестве сроков реализации проектов называются 30 — 40-е годы текущего столетия.

Подробные карты Луны (физическая и геологическая) размещены на сайте http://moon.google.com/moon/

Вопросы.

1. Какие особенности распространения волн в твер­дых телах и жидкостях используются при сейсмических иссле­дованиях строения Земли?
2. Почему в тропосфере температу­ра с увеличением высоты падает?
3. Чем объясняются разли­чия плотности веществ в окружающем нас мире?
4. Почему при ясной погоде ночью происходит наиболее сильное похоло­дание?
5. Видны ли с Луны те же созвездия (видны ли они так же), что и с Земли?
6. Назовите основные формы рельефа Лу­ны.
7. Каковы физические условия на поверхности Луны? Чем и по каким причинам они отличаются от земных?

Упражнение 13.

1. Подсчитайте, какую (примерно) кинети­ческую энергию имеет тело массой 1 кг при встрече с лунной поверхностью. Скорость тела считать равной скорости орби­тального движения Земли.

2*. Галилей первым измерил высо­ту гор на Луне, наблюдая появление вблизи терминатора (границы дня и ночи) отдельных горных вершин, освещен­ных Солнцем. Сделайте соответствующий чертеж и выведите формулу, по которой можно провести необходимые расчеты.