28. Земля. Физические характеристики. Атмосфера, поверхность, внутреннее строение. Форма Земли. Геоид. Метод триангуляции. Дуга Струве. Магнитосфера.

Земля – третья планета Солнечной системы. Масса Земли - 5,9736· кг. Средний радиус - 6371,0 км. Средняя плотность 5,5153 г/см³.

Атмосфера Земли

В атмосфере Земли аномально много азота(78% N2). На Земле при помощи и содействии богатой жизнедеятельности морскихформ жизни двуокись углерода растворялась в воде и образовывалауглеродистые породы.Если экстрагировать весь СО2, содержащийся в связанном состоянии визвестковых породах, то атмосферное содержание СО2 повысилось бы до95% при давлении в 70 атмосфер, а земная атмосфера стала бы весьмапохожей на венерианскую.

Внутреннее строение Земли

Она состоит в основномизжелеза(32,1%),кислорода(30,1%),кремния(15,1%),магния(13,9%),серы(2,9%),никеля(1,8%),кальция(1,5%) иалюминия(1,4%); на остальные элементы приходится 1,2%. Из-засегрегации по массевнутреннее пространство, предположительно, состоит из железа (88,8%), небольшого количества никеля (5,8%), серы (4,5%). Земная кора чуть более, чем на 47% состоит из кислорода. Наиболее распространённыепородообразующие минералыземной коры практически полностью состоят изоксидов.

Земля, как и другиепланеты земной группы, имеет слоистое внутреннее строение. Она состоит из твёрдыхсиликатныхоболочек (коры, крайне вязкоймантии), иметаллическогоядра. Внешняя часть ядра жидкая (значительно менее вязкая, чем мантия), а внутренняя— твёрдая.

Форма Земли. Метод триангуляции

Для определения размеров шарообразного объектанеобходимо знать длину дуги меридиана. Определениедлины меридиана осуществляется припомощи метода триангуляции.П о обе стороны дуги O1О2, длину которойнеобходимо определить, выбирается несколько точекА, В, С, ... на расстояниях 30-40 км. Точки выбираютсятак, чтобы из каждой были видны по меньшей мередве другие точки. Во всех точках устанавливаютсягеодезические сигналы. Наверхусигнала устраивается площадка для наблюдателя и инструмента. Расстояние между какими-нибудь двумяточками, например O1А, выбирается на совершенноровной поверхности и принимается за базис. Длинубазиса очень тщательно измеряют. Наиболееточные современные измерения базиса длиной в 10 кмпроизводятся с ошибкой ±2 мм. Затем устанавливаютугломерный инструмент последовательно в точках O1,A, В, С, ..., O2 и измеряют все углы треугольников. Зная в этой цепи треугольников только одну сторону (базис) и все углы,можно вычислить длину ломаной линии O1BDO2. При этих вычисленияхучитывается, что треугольники не плоские, а сферические. Далее, определив източки O1 азимут направления стороны O1В, можно спроецировать ломануюлинию O1BDO2 на меридиан O1О2,, т.е. получить длину дуги O1О2 в линейныхмерах.

• Дуга Струве – самыйбольшой геодезическийинструмент – сеть из 265геодезических пунктов.

Каждый из них – каменныйкуб размером 2×2 м,заложенный в землю. Создавалась с целью определения параметров Земли, её формы и размера.Сохранилисьтолько 34, причём натерритории Беларусинаходится 19 геодезическихпунктов.

Форма Земли

• Измерения показали, что длина дуги 1° меридиана не одинаковапод разными широтами: около экватора она равна 110,6 км, аоколо полюсов — 111,7 км, т.е. увеличивается к полюсам. Этоозначает, что кривизна земной поверхности меньше в полярныхобластях, чем в экваториальных. Следовательно, Земляотличается от шара и имеет несколько сплющенную форму,близкую к эллипсоиду вращения. Сжатие ε = 1/298. Истинная фигура Земли отличается и от эллипсоида вращения, и не может быть представлена ниодной из известных математических фигур. Фигура земли - поверхность геоида.Поверхность, нормалями к которой в любой из её точекявляются отвесные линии, называется уровеннойповерхностью, или поверхностью равновесия.

Магнитосфера

• Земля обладает значительным магнитным полем – около 0,5 Эрстед у поверхности.Магнитные силовые линии Земли в среднем близки к силовым линиямнекоторого диполя, отличаясь от них местными нерегулярностями,связанными с наличием намагниченных пород в коре. Точки пересечения оси эквивалентного магнитного диполя споверхностью Земли — геомагнитные полюсы — немного не совпадают сгеографическими полюсами. Магнитные полюса Земли через интервалы времени от 500 тыс. до 50 млн. летменяются местами.Предполагается, что магнитное полевозникает благодаря гидродинамическим движениям в жидком ядре.Температура вещества в жидком ядре довольно высокая, и оно имеет хорошую проводимость. Если в ядре имеется какое-либо начальное магнитное поле, то припересечении этого поля потоком проводящего вещества возникаетэлектрический ток. Электрический ток создаёт магнитное поле, которое приопределенной геометрии течений может усилить начальное поле, а этоусилит ток. Процесс усиления будет продолжаться до тех пор, пока растущиес увеличением тока потери на джоулево тепло не уравновесят притокиэнергии, поступающей за счет гидродинамических движений.

29. Движение Земли вокруг Солнца. Элементы орбиты и особенности движения. Смена времён года. Вращение Земли вокруг оси. Маятник Фуко. Прецессия и нутация земной оси. Неравномерность вращения Земли. Троянский спутник Земли.

Движение Земли вокруг Солнца

Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите сэксцентриситетом e = 0,017. Перицентр орбиты Земля проходит 3-4 января, апоцентр – 4-5июля. Скорость движения Земли по орбите не равномерна. Вблизиперицентра Земля имеет скорость большую, чем вблизиапоцентра. Средняя скорость <v> = 29,78 км/с.

• Полный оборот вокруг Солнца (относительно звёзд) Землясовершает за звёздный год, составляющий 365,2564 среднихсолнечных суток. Продолжительность средних солнечныхсуток на начало 2000 года была равна 86400,002 сек.Продолжительность средних солнечных суток монотонновозрастает на 0,0017 секунды в столетие.

С мена времён года на Земле

• Ось вращения Земли наклонена к плоскостиорбиты под углом

6634' = 90 – ε = 90 – 2326'.

• I – положение Земли относительно Солнца вдень летнего солнцестояния (δ = +ε).Световой поток на широте φ:ФI = Ф0cos(φ – ε).

• II – положения Земли относительно Солнца вдни равноденствий (δ = 0). Световой потокна широте φ:ФII = Ф0cos φ.

• III – положение Земли относительно Солнцав день зимнего солнцестояния (δ = –ε).Световой поток на широте φ:ФIII = Ф0cos(φ + ε).Из-за малого эксцентриситета в перицентре (зимой) Земля получает на 7%тепла больше, чем в апоцентре (летом).

Вращение Земли вокруг оси.

Экваториальный радиус Земли: R0 = 6378 км Период вращения Земли: T = 23h56m04s = 86164sЛинейная скорость вращения точек земногоэкватора: v0 = 2πR0/T ≈ 465 м/с На широте Минска: v = v0cos φ ≈ 273 м/сУгловая скорость всех точек земной поверхности: ω = 7,2921· рад/с

Маятник Фуко — маятник, используемый для экспериментальной демонстрации суточного вращения Земли.

Жак Фуко подвесил металлический шар массой 28 кг с закреплённым на нём остриём на стальной проволоке длиной 67 м, крепление маятника позволяло ему свободно колебаться во всех направлениях, под точкой крепления было сделано круговое ограждение диаметром 6 метров, по краю ограждения была насыпана песчаная дорожка таким образом, чтобы маятник в своём движении мог при её пересечении прочерчивать на песке отметки. Период колебания маятника при такой длине подвеса составлял 16,4 секунд, при каждом колебании отклонение от предыдущего пересечения песчаной дорожки составляло ~3 мм, за час плоскость колебаний маятника повернулась более чем на 11° по часовой стрелке, то есть примерно за 32 часа совершила полный оборот и вернулась в прежнее положение.

Прецессия и нутация земной оси

Земля имеет форму, близкую к сфероиду (геоид). Притяжениесфероида складывается из притяжения шара (F) и двух выступов(F1 и F2). Т.к. F1 >F2, то притяжение тела L стремится повернуть осьвращения PNPS так, чтобы плоскость экватора сфероида совпала быс направлением TL. В результате ось вращения будет перемещатьсяв пространстве. Т.к. на экваториальные выступы Земли действуют силы притяжения Луны, Солнца и, в меньшейстепени, планет, то ось вращения Земли совершает сложное движение. Ось вращения Земли описывает конус вокруг оси эклиптики. Такая лунно-солнечная прецессиясовершается с периодом 26 000 лет.

Ось вращения Земли совершает мелкие колебания около среднего положения, которыеназываются нутацией земной оси. Нутационные колебания возникают из-за того, что силы F1 иF2 всё время изменяют свою величину и направление. Воздействие этих сил на ось вращенияЗемли равно нулю, когда Луна и Солнце находятся в плоскости экватора Земли. Главноенутационное колебание земной оси совершается с периодом 18,6 года

Неравномерность вращения Земли

Угловая скорость вращения Земли непостоянна, т.е. вращение Землинеравномерно.

Изменения скорости вращения Земли делятся на три типа:

1. Вековые, вызванные тормозящим действием лунных и солнечныхприливов. В результате вековых изменений продолжительность одногооборота Земли увеличивалась за последние 2 000 лет в среднем на 0,0023s встолетие.

2. Нерегулярные могут увеличивать или уменьшатьпродолжительность суток на тысячные доли секунды за время в несколькомесяцев. Природа нерегулярных изменений пока достоверно неустановлена

3. Сезонные (или периодические) изменения вызываются, по-видимому,сезонными перераспределениями воздушных и водных масс наповерхности Земли. В результате сезонных изменений скорости вращения

Земли продолжительность суток в течение года может отличаться отсреднего значения за год на ±0,001s. Самые короткие сутки приходятся наиюль-август, а самые длинные – на март.

30. Луна. Физические характеристики. Поверхность, внутреннее строение. Основные характеристики орбиты Луны.Видимое движение и фазы Луны. Периоды обращения Луны. Вращение и либрации Луны. Происхождение Луны.

Луна—ближайшее к Земле небесное тело. Радиус 1737 км, среднеерасстояние от Земли 384 400 км.

Масса Луны в 81,3 раза меньше массы Земли. Средняя плотность — 3,3 г/см3.• Наиболее крупные детали лунной поверхности — «моря» и большие горныерайоны — видны даже невооружённым глазом. Обширные светлые участки лунной поверхности, называемые материками,занимают около 70% видимого с Земли диска. Одна из наиболее характерных форм лунного рельефа — кратеры. Лунныйкратер состоит из кольцевого вала, внутри которого находится равнина (дно),а в центре равнины — центральная горка, высота которой обычно меньшевысоты вала. Самые крупные кратеры имеют диаметр до 100 км. Большинствократеров имеет метеоритное происхождение.В дневное время (в полдень) на экваторе температура поверхностиЛуны составляет около 390К.В ночное время температура поверхности очень низка, 100-120К.Теплопроводность лунного грунта очень мала; она близка ктеплопроводности сухого песка в вакууме. Колебания температуры от дняк ночи почти полностью сглаживаются уже на глубине 10 см.У Луны нет атмосферы и магнитного поля.

Основные характеристики орбиты Луны

e = 0,055 =1/18, a = 384 400 км, в перигее расстояние от Землименьше среднего на 21 000 км. Более точно движение Луны вокруг Землиможно представить как медленно раскручивающуюся спираль, вследствиечего Луна ежегодно отдаляется от Земли на расстояние в 4 см.Плоскость лунной орбиты наклонена к плоскости эклиптики в среднем подуглом 5 09'. Луна движется вокруг Земли в том же направлении, что и Земля вокругСолнца. Период обращения Луны вокруг Земли (сидерический илизвёздный месяц) равен 27,32 суток. Возмущения в движении Луны очень велики. Периодическимвозмущениям подвержены все элементы лунной орбиты. Наклонениеорбиты i колеблется в пределах от 458' до 520' за время, несколькоменьшее полугода. Каждый элемент лунной орбиты имеет несколько сотенпериодических возмущений с различными периодами и амплитудами.Вековым возмущениям подвержены долгота восходящего узла ♌ идолгота перигея ω.

В идимое движение и фазы ЛуныЛуна в течение звездного месяцаперемещается среди звёзд прямым движением.Видимый путь Луны на небе —незамыкающаяся кривая, постоянноменяющая свое положение.Видимое движение Лунысопровождается непрерывнымизменением ее внешнего вида. Различные формы видимой освещённой части Луны называются её фазой.Величиной фазы называется освещённая доля диаметра,перпендикулярного линии, соединяющей концы серпа. Т.к. к Земле обычно обращены часть светлогополушария и часть тёмного, то Луна чаще всего кажется нам неполнымкругом. Различают четыре основные фазы Луны, которые постепенно переходятодна в другую в следующей последовательности:1)новолуние (1),2)первая четверть (3), 3)полнолуние (5), 4)последняя четверть (7)

Периоды обращения Луны

П ромежуток времени между двумяпоследовательными одноименнымифазами Луны называется синодическиммесяцем.Синодический месяц в среднем равен 29,53средних солнечных суток. Через 27,32 суток (черезсидерический месяц) Луна, сделав полныйоборот по орбите, займет прежнееположение относительно звезд, но т.к.Земля за это время переместится вположение 2, то полнолуния ещё не будет.Оно наступит спустя некоторое время,когда Земля займет положение 3.

Кроме сидерического и синодического периодов обращений вдвижении Луны различают еще три периода:Аномалистический месяц — промежуток времени между двумяпоследовательными прохождениями Луны через перигей(27,55 средних суток). Драконический месяц — промежуток времени между двумяпоследовательными прохождениями Луны через один и тот же узелсвоей орбиты (27,21 средних суток). Тропический месяц — промежуток времени, в течение которогодолгота Луны увеличивается на 360°.

Вращение и либрации ЛуныЛуна обращена к Земле всегда одной и той же стороной, т.к. она вращается вокруг своей оси с тем же периодом (и в томже направлении), с каким она обращается вокруг Земли. Ось вращения Лунынаклонена к плоскости лунной орбиты на угол 83°20'. «Синхронизация» вращений Луны вокруг своей оси и вокругЗемли возникла в результате торможения, вызванного приливными силами.

П лоскость лунного экватора составляет угол 6°39' с плоскостью луннойорбиты, и угол 1°30' с плоскостью эклиптики. При этом плоскость эклиптикилежит между плоскостями лунного экватора и орбиты Луны и все триплоскости пересекаются по одной прямой. В каждый данный момент с Земли видна ровно половина поверхности Луны, нопродолжительные наблюдения позволяют изучать почти 60% её поверхности.Это возможно благодаря либрациям Луны. Оптические, или видимые либрации, при которых Луна в действительностиникаких «колебаний» не совершает, бывают трех видов: по долготе, по широтеи параллактическая. Либрация по долготе вызывается тем,что Луна вращается вокруг осиравномерно, а её движение по орбитевблизиперигея быстрее, а вблизи апогея —медленнее. Либрация по широте возникает от наклона оси вращения Луны кплоскости её орбиты и сохранения направления оси в пространстве придвижении Луны. В результате этого с Земли попеременно видна то частьповерхности Луны, расположенная вокруг её южного полюса, то,наоборот, вокруг северного полюса. Суточная или параллактическая либрация возникает вследствиесравнительной близости Луны к Земле. Поэтому из разных точек Землиповерхность Луны видна неодинаково. Два наблюдателя, находящиеся вдвух противоположных точках земного экватора, в один и тот же моментвидят несколько различные области лунной поверхности.Физическая либрация, т.е. действительное «покачивание» Луны,происходит от того, что большая полуось лунного эллипсоидапериодически отклоняется от направления на Землю, а притяжение Землистремится вернуть ее в это положение.