1

2 Луна Вид Земли из космоса Это первая фотография Земли из далекого космоса. Когда командный модуль Апол- лона-8 пролетал над обратной стороной Луны, экипаж посмотрел на лунный горизонт и увидел, как Земля поднимается над ним из- за орбитального движения космического корабля. Тогда была сделана эта фото- графия далекой голубой Земли над краем Луны.

3 Определение радиуса Земли L экватор Земли А В O 1. Берем две точки (А и В) на одном меридиане. 2. Определяем астрономическими методами широты этих точек φ А и φ В. 3. Точно измеряем длину дуги L. 4. Радиус Земли определяется по формуле Поскольку дугу L (большой длины) измерить очень трудно, то используется метод триангуляции.

4 Метод триангуляции (для определения дуги меридиана) (для определения дуги меридиана) А В С дуга меридиана 1. Измеряется точно длина базиса АС. Он выбирается на хорошо доступной местности. 2. В пунктах триангуляции проводятся угловые измерения углов внутри треугольников. 3. В этих же точках определяются азимуты всех направлений. 4. Путем вычислений определяются проекции отрезков на дугу АВ. 5. Сумма проекций есть длина дуги. базис

5 Космические методы определения радиуса радиуса С Космические методы позволяют очень точно определить угол и расстояния АС и ВС. Тогда дуга АВ вычисляется очень точно – с точностью до нескольких см. А В

6 Результаты определения радиуса Земли Измерения радиуса Земли в разных направлениях показали, что радиус Земли разный. Таким образом, строго говоря, форма Земли не шар. Какова же форма Земли? км

7 Форма Земли – геоид. Форма Земли – геоид. Эквипотенциальные поверхности Поверхность Земли Средний уровень океана Отвесная линия Геоид Океан 1)Для каждой точки определяем направление отвесной линии. 2) Через эту точку проводим плоскость, перпендикулярную этой отвесной линии. 3) Таких плоскостей будет очень много (например, между точками P и P 0 на рисунке проведено 4 плоскости. 4)Из всех этих плоскостей выбираем такую плоскость, которая наилучшим образом проходит через поверхность поверхности океанов. Эта поверхность и будет называться геоидом. 5)Эта поверхность геоида может может отличаться от поверхности земного эллипсоида не более чем на 100 метров (см. следующий слайд).

8 Геоид и эллипсоид Земли Физическая поверхность Земли Море Геоид Эллипсоид Физическая поверхность Земли Эллипсоид Геоид h – высота над эллипсоидом H – высота над геоидом N – отклонение геоида от эллипсоида Геоид не имеет математического представления в виде формулы. Поэтому была подобрана форма трехосного эллипсоида, которая бы наилучшим образом описывала геоид. Обнаружилось, что такой эллипсоид оказался эллипсоидом вращения, т.е. эллипсоидом, у которого две оси равны друг другу (см. следующий слайд) Модель Земли h=H+N h N H

9 Эллипсоид (форма Земли Эллипсоид (форма Земли) Международный астрономический союз (МАС) рекомендовал использовать следующие значения полуосей эллипсоида вращения: а= км b=с= км =(а-b)/a=1/ a b Схематическое изображение отклонений геоида от эллипсоида

10 Приведем пример определения массы Земли с использованием Международной Космической Станции (МКС). Орбите МКС находится на расстоянииe 372 км от поверхности Земли, или на расстоянии 6750 км от центра Земли. Период обращения МКС равен минут: –P = минут = секунд –D = 6750 км = 6.75x10 8 см. Используем 3 закон Кеплера: Определение массы Земли - массой МКС (10 5 кг) можно пренебречь по сравнению с массой Земли.

11 Доказательство вращения Земли вокруг своей оси 1. Движения ветров в экваториальной зоне Земли. восток Запад 2. Крутые берега рек северного полушария. Вращение Земли Восток Ветры отклоняются вправо (в сторону экватора ) Ветры отклоняются влево (в сторону экватора Северное полушарие Южное полушарие В экваториальной зоне ветры всегда имеют преимущественное направление движения к экватору.

12 3. Отклонение тел при падении с большой высоты Земля R H Линейная скорость вращения в основании башни равна V 1 = *R. Линейная скорость вращения на вершине башни равна V 2 = * (R+H). Так как V 2 > V 1, то падающее тело с башни упадет не у основания башни, а дальше по ходу вращения Земли. V1V1 V2V2

13 4. Опыт с маятником Фуко. Свойство свободного маятника: сохранять направление плоскости колебаний неизменным. Если бы Земля не вращалась вокруг своей оси, то маятник описывал по поверхности строго одну линию (на рисунке она обозначена голубым цветом). Но из-за вращения Земли эта линия будет поворачиваться на 15 0 за час (=360 0 /24 часа). На самом деле это поворачивается плоскость под маятником.

14 Доказательства вращения Земли вокруг своей оси (5) вокруг своей оси (5) Наблюдения звездного неба в течение ночи показывает вращение звезд вокруг Полярной звезды, положение которой почти совпадает с полюсом мира. Это явление есть отражение суточного вращения Земли.

15 Линейная скорость обращения Земли на разных широтах Земли на разных широтах V = R, - постоянная R 0 км / час 830 км / час 1275 км / час 1550 км / час 1650 км / час 1550 км / час 1275 км / час

16 Годичное движение Земли вокруг Солнца (1) вокруг Солнца (1) При вращении Земли вокруг Солнца ось суточного вращения наклонена к плоскости эклиптики и остается в течение года почти неизменной по направлению. Орбита Земли Полюс эклиптики Полюс мира

17 Годичное движение Земли (2) июнь декабрь * * Направление оси суточного обращения Земли остается неизменным, составляя с плоскостью эклиптики угол, равный Но угол падения солнечных лучей на площадку на поверхности Земли будет разный. Например, из рисунка ясно, что 1 > 2. Поскольку падающий от Солнца на площадку пропорционален Cos, он будет больше в июне и меньше в декабре (см. следующий слайд). Это первая и главная причина смена времен года. 1 2

От Солнца внутри этих зон падает одинаковый поток При меньшем угле наклона 2 поток распределяется на меньшую площадь. При касательном падении (угол 1 ) тот же поток распределяется на большую площадь. Солнце Роль угла падения на климат

19 Роль продолжительности светового дня Полюс Земли Небесный полюс Горизонт Небесный полюс Полюс Земли Небесный экватор Небесный экватор Зимнее солнцестояние Высота Солнца в полдень в разное время года разная: зимой она ниже (рис. слева), а летом – выше (рис. справа). Поэтому продолжительность дней будет разная.

20 Роль земной атмосферы Роль земной атмосферы В разное время года лучи Солнца проходят разные пути в атмосфере Земли Зимой высота Солнца над горизонтом мала, поэтому лучи света проходят больший путь и больше рассеиваются. Летом высота Солнца над горизонтом большая, поэтому лучи света проходят меньший путь и меньше рассеиваются. Земная атмосфера

21 Астрономическое влияние на климат Земли Имеются значительные изменения климата Земли в течение геологического времени. И многие из них являются циклическими и приписываются влиянию астрономических факторов. Имеются значительные изменения климата Земли в течение геологического времени. И многие из них являются циклическими и приписываются влиянию астрономических факторов. Имело место несколько моментов оледенения с периодом примерно в лет В 1920 году Миланкович связал эти периоды с формой Земли, с влиянием наклона земной оси суточного вращения Земли и с эксцентриситетом орбиты. Миланкович установил три периода изменения климата (см. следующий слайд)

22 Предсказания Миланковича Предсказания Миланковича На рисунке даны предсказания Миланковича. Резуль- таты определения температуры океана (по древним На рисунке даны предсказания Миланковича. Резуль- таты определения температуры океана (по древним ископаемым) подтверждают гипотезу Миланковича (во всяком случае в течение лет). ископаемым) подтверждают гипотезу Миланковича (во всяком случае в течение лет). Солнечный нагрев Земли Наблюдаемая температура океана Земли Время (в тысячах годов ) Первые 2 периода изменения климата ( и лет) вызвано эллиптичностью орбиты Земли. Третий период ( лет) вызван периодичностью изменения наклона оси вращения Земли (см. тему Т12)

23 Атмосфера Земли Химический состав: - Азот (78%) –Кислород (21%) –Другие молекулы -- аргон, углекислый газ (CO 2 ), пары воды (H 2 O), и другие. Атмосфера является защитой от: –ультрафиолетовой радиации от Солнца –метероидов, падающих из космоса Атмосфера сохраняет тепло на поверхности Земли из-за парникового эффекта: излучение Солнца доходит до поверхности, нагревает ее, инфракрасное пере излучение задерживается облаками и нагревает атмосферу. Солнечное излучение Отраженноее излучение Облака Поверхность Инфракрасное переизлучение

24 В итоге атмосфера приобретает химический состав, приведенный на предыдущем слайде. Исторические этапы эволюции атмосферы (1) 1. Фаза про то атмосферы: образовалась из вещества молодой Солнечной системы; имела состав, подобный составу Юптера: H, He, Ne; плотная и толстая. 2. Фаза ранней атмосферы: первоначальная атмосфера испарилась в космос из-за нагрева близкого Солнца: легкие элементы приобрели параболическую скоростью. 3. Фаза вторичной атмосферы: богата водой H 2 O; углекислый газ CO 2, азот N 2, двуокись серы образовались при вулканической деятельности и при падении ледяных комет на молодую Землю. 4. Фаза охлаждения: по мере охлаждения атмосферы пары воды оседали на Землю, образуя океаны. 5. Фаза фотодесинтеграции: при этом процессе пары воды превращаются в водород H 2 и в углекислый газ СО Фаза образования карбонатных пород: H 2 O и CO 2 реагируют в океанах, создавая карбонатные породы и кислород О Фаза жизнедеятельности: развитие живых организмов способствует превращению CO 2 в О 2

25 Исторические этапы эволюции атмосферы (2) Карбонатные породы

26 Как изучают внутреннее строение Земли? Земли? Основной метод – изучение распространения сейсмических волн. Эти волны бывают двух типов: продольные (или Р-волны): они вызывают смещение частиц вещества вдоль направления распространения волн, поперечные волны (или S-вол- ны): они вызывают смещение частиц вещества в направлении, перпендикулярном распространению волн. Такие волны не распространяются в жидкой среде. Скорость волн зависит от упругости Земли, т.е. способности деформи- Роваться и приходить в исходное состояние. При переходе волны из одной среды в другую они испытывают отражение и преломление. По скорости волн можно определить физическое состояние среды, глубину залегания границы разных зон. Р-волны S-волны

27 Внутреннее строение Земли 0 0 С Кора Мантия 0 0 С С С С 2900 км 5200 км 90 км Жидкие Fe, S Mg,Fe,Al,Si, O Fe Кора: она состоит из твердого вещества, имеет толщину от 40 до 90 км. Мантия: сразу же под корой скорость S-волн возрастает, что говорит о наличии границы с другой средой. Поверхность этой границы называ- ется поверхностью Мохоровичича. Внешнее ядро: на глубине 2900 км скорость волн замедляется, что говорит, что они попали в переход- ную зону между вязкой мантией и жидким ядром. Внутреннее ядро: на глубине 5200 км скорость волн возрастает. Это говорит о том, что внутренне ядро является твердым.

28 Магнитосфера Земли Земля имеет магнит- ное поле. При обте- кании Земли потоком частиц от Солнца (солнечного ветра) около Земли образу- ется магнитосфера формы, приведенной на рисунке. Солнечный ветер Ударная я волна Маггнетопауза Магнитные силовые линии Пояс ван Аллена км Замечание: наличие магнитного поля у плвнеты говорит о том, что: - планеты имеет большое жидкое ядро; - планета имеет ядро, богатое металлами – источниками свободных электронов; - планета имеет вращение вокруг своей оси.

29 Пояс заряженных частиц Северные сияния некоторые частицы двигаются к полюсам Земля Магнитосфера Земли меняет направление движения заряженных частиц – частиц от Солнца, космических частиц и др. Северное сияние

30 Пояс ван Аллена Магнитные силовые линии заставляют заряженные части- цы от Солнца (про- тоны и электроны) двигаться, создавая вокруг земли пояс из заряженных частиц. Этот пояс называется поясом ван Аллена. При большой солнечной активности эти частицы могут проникать в атмосферу Земли, вызывая полярные сияния. Пояса ван Алена Магнитная ось

31 Альфред Вегенер в 1912 году высказал идею о дрейфе конти- нентов. Основываясь только на форме континентов и на неко- торые биологические факторы, он показал, что в давние време- на континенты представляли единое целое, и со временем они разошлись. c Дрейф континентов в прошлом Дрейф континентов в прошлом -200 млн лет -130 млн лет -70 млн лет Сегодня

32 Дрейф континентов в будущем (через 250 млн лет) (через 250 млн лет) Тихий океан Серверная Америка Южная Америка Африка Евразия Австралия Антарктида Но как континенты могут двигаться по твердой земной коре?

33 Тектонические плиты В 60-х годах прошлого столетия ответ был найден на основе изучения дна Атлантического океана. Было установлен, что в действителности сами континенты не двигаются по коре Земли, а сама кора находится в движении. В итоге появилась теория тектонических плит. Согласно этой теории твердая кора и верхняя часть мантии «плавают» в пластичной и конвективной части мантии. Тихоокеанская плита Антарктическая плита Евроазийская плита Плита Наска Южно- амерканская плита Северо- амерканская плита Африканская плита Евроазийская плита

34 Зоны активных землетрясений Зоны активных землетрясений Видно, что зоны активности землетрясений находятся на стыке тектонических плит.

35 Зоны активной вулканической Зоны активной вулканической деятельности деятельности Зоны вулканической деятельности также приходятся на стыки тектонических плит

36 Определение возраста Земли (радиоактивный метод) (радиоактивный метод) Атомы химического элемента состоят и определенного числа протонов N p в их ядрах. Но число нейтронов N n в ядрах может быть разным. Атомы с одинаковым N p, но с разным N n называются изотопами. Изотопы могут испытывать радиоактивный распад: ядро «родительского» изотопа может потерять часть своих частиц, образовав после этого новый «дочерний» изотоп нового химического элемента. Скорость такого распада характеризуется временем полураспада t 1/2 – временем, после которого половина исходного изотопа превратиться в «дочерний» изотоп. Часть изотопов имеет время t 1/2, равное нескольким дням или годам. Но часть изотопов распадаются медленно и имеют время t 1/2, исчисляемое миллионами и даже миллиардами годами. Именно такие изотопы и могут быть использованы как часы для определения возраста геологического или астрономического образца, содержащего родительский изотоп (см. следующий слайд). t Число «родлительнских» частиц Число «дочерних» частиц t 1/2 N N/2

37 Исходный изотоп Стабильный дочерний изотоп Время полураспада Уран -238Lead млрд лет Уран-235Lead млн лет Торий-232Lead млрд лет Рубидий- 87 Стронций млрд лет Калий-40 Аргон млрд лет Самарий- 147 Неодимий млрд лет Элементы радиактивного распада

U 4.468E9 лет Th дня Pa 6.7 часа U 4.468E9 лет Th 7.538E4 лет Ra 1600 лет Rn дня Po 4.468E9 лет Pb 26.8 мин Вi 19.9 мин $ Tl 1.3 мин Pb 4.468E9 лет Hg 8 ю 15 мин Tl мин Pb 24.1% Пример: распад урана 238 U Pb 1. В каждой клетке указан период полураспада и масса элемента (в атомных единицах массы. 2. Около стрелок указана энергия в Мэв

39 Возраст Земли Отношение изотопного отношения 13 C / 12 C в древних скальных породах дает возраст 3.8 млрд лет Следы ископаемых образований в древних отложени- ях дают возраст млрд лет

40 Аберрация света апекс ААВС σ θ Явление аберрация света при астрономических на- блюдениях возникает по следующей причине. Если наблюдатель непод- вижен относительно звез- ды S (левый рисунок), то он телескоп направляет по по истинному направлению AS. В этом случае свет попадает в объектив Е, S SS E проходит внутри телескопа расстояние АЕ за время t и попадает на приемник излучения в точке А. Если же наблюдатель движется со скоростью V в направлении, называемым апексом, то ситуация меняется (рисунок справа). Если телескоп будет так же направлен по старому направлению АЕ, то свет попадает в объектив Е, но за время t приемник излучения передви- нется на расстояние АС=Vt, и звезда не будет видна. Поэтому телескоп в точке В, смещенной на расстояние АВ= Vt, надо направить по направлению BE. Тогда приемник через время t окажется в точке А, куда придет и свет от звезды. E

41 АВС σ θ SS E Угол σ между истинным и видимым направлениями на звезду называется аберра- ционным смещением (или аберрацией). Наблюдатель участвует в двух движениях: -годичном вращении Земли со скоростью V=29.78 км/сек -суточном вращении Земли со скоростью V=0.465 км/сек (на экваторе) Для годичной аберрации Так как Земля описывает вокруг Солнца круг, то звезды из-за аберрации на небе описывают эллипсы: Большая полуось=20.50 Малая полось=20.50 Sinβ (β-эклиптикальная широта звезды)