§ 46. Місяць — супутник Землі

Фізичні умови на Місяці. Місяць — найближче до Землі небесне тіло, яке перебуває на середній відстані 384 400 км від неї й має радіус 1738 км. Маса Місяця значно поступається масі Землі, а сила тяжіння на його поверхні приблизно в 6 разів менша, ніж на Землі (табл. 8, с. 270). Земля й Місяць перебувають майже на однаковій відстані від Сонця й одиниці поверхні на Землі та Місяці отримують від Сонця майже однакову кількість енергії, але, не зважаючи на це, фізичні умови на їхніх поверхнях суттєво відрізняються. На Місяці відсутнє життя. Сила тяжіння Місяця мала для того, щоб утримувати гідро- й атмосферу. Він оточений тільки надзвичайно розрідженою газовою оболонкою з водню, гелію, неону та аргону, а також протяжною пиловою хмарою.

Протягом мільярдів років погода на Місяці однакова: 2 тижні світить Сонце й поверхня нагрівається до температури +130 °С, а потім після двотижневої ночі поверхня охолоджується й температура на світанку падає до -160 °С.

Стале магнітне поле Місяця принаймні в 1000 разів менше, ніж геомагнітне. Це свідчить про відсутність у Місяця рідкого ядра.

На поверхні Місяця навіть неозброєним оком видно темніші та світліші ділянки (мал. 210). Темніші були названі морями. Але, як відомо, у місячних морях немає води. Моря утворилися після виверження вулканів, і за хімічним складом там більше заліза, тому вони мають темніший колір. Світліші ділянки, що назвали материками, містять більше алюмінію.

Мал. 210. Видима сторона Місяця

Під час спостережень у телескоп видно, що на материках переважають кратери — круглі гори діаметром до кількох сотень кілометрів, які мають вали заввишки кілька кілометрів. Більшість кратерів метеоритного походження. На Місяць постійно падають тисячі метеоритів різної маси, які безупинно змінюють зовнішній вигляд його поверхні. Правда, великі кратери з діаметром кілька сотень кілометрів утворились дуже давно, ще 4 млрд років тому, коли падало більше метеоритів. Протягом мільярдів років космічне «бомбардування» так роздробило верхній шар місячного ґрунту, що він перетворився на пухкий матеріал — реголіт — різнозернистий порошок темносірого й чорного кольору, що легко зминається в пухкі грудочки

Зразки місячних порід мають магматичне походження, їхній хімічний склад загалом такий самий, як і склад земних порід, але з нестачею нікелю й кобальту та перевагою заліза, титану, цирконію та ітрію.

Місячна кора за товщиною не перевищує 50-60 км. Нижче до глибини 1000 км розташована мантія, а в центрі Місяця міститься силікатне, майже тверде ядро діаметром близько 1500 км, температура якого перевищує 1000 °С. На глибині 40 км температура місячної кори сягає 300 °С, оскільки місячне тепло просочується з надр назовні.

Вивченню внутрішньої будови Місяця сприяють «місяцетруси», осередки яких розташовуються на глибині від 700 до 1100 км. Тектонічна діяльність на Місяці дуже слабка, але повністю не припинилась. Факти свідчать про те, що в минулому Місяць мав магнітне поле й був магнітно-тектонічно активнішим. У наш час повна енергія місяцетрусів, зареєстрована сейсмометрами, менша, ніж енергія землетрусів, у 1 млрд разів. В основному це місяцетруси, спричинені падінням метеоритів. Але в 1958 р. співробітник Кримської астрофізичної обсерваторії М. О. Козирєв виявив активність кратера Альфонс, за що йому була присуджена золота медаль Міжнародної академії астронавтики. А в листопаді 1971 р. група американських дослідників виявила в районі Океану Бурь діючий гейзер.

Видимі рухи Місяця. Фази Місяця. Рух Місяця навколо Землі відбувається майже в площині екліптики по великому колу, нахиленому до екліптики приблизно на 5°, а не в площині земного екватора (більшість природних супутників інших планет обертаються в площині екватора своїх планет). Це коло перетинає екліптику у двох діаметрально протилежних точках, що називаються вузлами місячної орбіти (мал. 211).

Мал. 211. Місячна орбіта

Сидеричний період обертання Місяця становить 27,3 доби. За цей час Місяць описує на небесній сфері повне коло й повертається до тієї самої точки. Вузол, у якому Місяць, рухаючись небом, опускається під екліптику й відхиляється на південь, називається низхідним. А той, у якому через 13,6 доби він піднімається над екліптикою та відхиляється на північ, — висхідним.

Період обертання Місяця навколо осі дорівнює періоду його обертання навколо Землі. І через це Місяць завжди повернутий до Землі одним боком. Обертання такого типу називають синхронним. Однак, хоча в кожний даний момент людина на Землі бачить рівно половину поверхні Місяця, через особливості його руху по орбіті насправді можна бачити не 50, а 60 % поверхні. Це пояснюється тим, що обертання Місяця навколо осі відбувається за інерцією й рівномірно. Але навколо Землі Місяць рухається нерівномірно по еліпсу під впливом земного тяжіння. При цьому найбільша швидкість біля перигею й найменша біля апогею (за максимального віддалення від Землі). Тому Місяць у своєму русі по орбіті то забігає вперед, то відстає. Ця нерівномірність руху по еліптичній орбіті, поєднуючись із рівномірним осьовим обертанням, сприяє тому, що ми бачимо місячну кулю злегка розвернутою то вправо, то вліво. Це явище називають лібрацією за довготою.

Місяць змінює своє видиме положення на небі не тільки відносно зір, а й відносно Сонця. Тому із Землі ми бачимо в різних пропорціях освітлену та неосвітлену його частини (мал. 212). Лінію, яка відокремлює освітлену частину Місяця від неосвітленої, називають термінатором.

Мал. 212. Фази Місяця

Зовнішній вигляд Місяця або його фазу (різну форму видимої частини місячного диску, що викликані обертанням навколо Землі), можна характеризувати як описово, так і числом.

У сполученні Місяць повернутий до Землі своїм неосвітленим боком і його взагалі не видно. Ця фаза називається новим місяцем. Приблизно через сім діб Місяць видно на небі у формі півкруга. Ця фаза називається першою чвертю, а відповідна їй конфігурація — східною квадратурою. Місяць при цьому перебуває на кутовій відстані 90° на схід від Сонця. Приблизно у протистоянні з Сонцем настає фаза повного місяця, або повня (Ф = 1). Ще через сім діб він буде в західній квадратурі, відповідна їй фаза — третя, або остання, чверть, де, як і в першій, Ф = 0,5.

Інтервал часу, що минув між двома послідовними однойменними фазами Місяця, тобто синодичний період Місяця, триває 29 діб 12 год 44 хв 2,9 с.

Сидеричний період обертання Місяця

Синодичний період обертання Місяця

Це час, протягом якого Місяць повертається в задану позицію поміж зір: 27,321 661 діб (27 діб 7 год 43 хв 11,5 с)

Це час, що минув між двома послідовними однойменними фазами Місяця: 29,530 589 діб (29 діб 12 год 44 хв 2,9 с)

Як бачимо, тривалості сидеричного й синодичного періодів неоднакові (табл. 9). Причина розбіжності полягає в тому, що поки Місяць здійснює оберт навколо Землі, Земля повертається на деякий кут, рухаючись по орбіті навколо Сонця. Тому після закінчення сидеричного періоду Місяць має пройти далі по своїй орбіті, щоб посісти те саме положення відносно Сонця й Землі.

Система «Земля — Місяць». Земля й Місяць, унаслідок дії взаємного тяжіння, як показав Леонард Ейлер, рухаються навколо спільного центра мас по еліпсах, причому розміри земного еліпса невеликі. Центр мас системи, своєю чергою, рухається по орбіті навколо Сонця. Отже, орбітальний рух Землі ускладнюється: протягом однієї половини синодичного місяця вона опиняється ближче до Сонця, ніж спільний центр, а протягом другої половини — навпаки. Крім того, вона трохи відхиляється то на схід, то на захід. Унаслідок цього довготи Сонця та близьких світил періодично змінюються на певну величину.

Система «Земля — Місяць» деякими вченими розглядається не як система планета-супутник, а як подвійна планета, оскільки розмір і маса Місяця досить великі. У результаті цього обертання системи «Земля — Місяць» відбувається не навколо центра Землі, а навколо центра мас системи Земля-Місяць, розташованого на відстані 1700 км над поверхнею Землі (мал. 213, с. 274).

Мал. 213. Система «Земля — Місяць»

У цьому центрі сили притягання й відцентрові сили зрівноважуються. У всіх інших точках їх взаємодія веде до утворення припливів і відпливів.

Якщо уявити, що вся поверхня Землі вкрита океаном, то ділянки води, найближчі до Місяця, у певний момент притягуються сильніше, а ділянки, найвіддаленіші від нього (у т. В), — слабкіше, порівняно з ділянками в центрі Землі. Як наслідок, водна оболонка набирає форми еліпсоїда, витягнутого в напрямку до Місяця.

Тяжіння Місяця створює припливні деформації не тільки в гідросфері, а й в атмосфері, викликаючи двічі на добу зміну тиску повітря на кілька міліметрів ртутного стовпчика, і в літосфері, викликаючи підйом поверхні та опускання Землі.

Оскільки Земля обертається швидше від Місяця, то приливна хвиля зміщується вперед у напрямку обертання Землі, випереджаючи Місяць. Наслідком такого випередження є те, що значна частина маси океанських вод (і частина маси всієї Землі) зміщується вперед з лінії, яка з’єднує центри мас Землі та Місяця. Ця зміщена вперед маса притягує до себе Місяць, створюючи силу, що діє перпендикулярно лінії «Земля — Місяць». У результаті на Місяць діє момент сили, що прискорює його обертання по орбіті навколо Землі. Це прискорення супроводжується віддаленням Місяця від центра Землі, що згодом може призвести до втрати Місяця.

Зворотним наслідком усього цього є те, що на береги материків, коли вони «набігають» на припливну хвилю, діє протилежно спрямована сила, яка «гальмує» їх. Таким чином Місяць створює прикладений до планети момент сили, який уповільнює обертання Землі. Раніше вона оберталася набагато швидше.

На Місяць припливні сили впливають ще більше, адже Земля набагато масивніша й більша. Саме цим пояснюється встановлена рівність періодів обертання Місяця навколо своєї осі та навколо Землі.

Сонячне тяжіння також спричиняє припливи і відпливи, але через значно більшу віддаленість Землі від Сонця вони у 2,2 раза менші, ніж місячні.

Сонячні та Місячні затемнення. З усіх астрономічних явищ, напевне, найбільшу увагу людей привертають Сонячні та Місячні затемнення. Затемнення Сонця відбувається в той момент, коли тінь від Місяця досягає поверхні Землі, затемнення Місяця — коли земна тінь покриває Місяць.

Хоча Місяць через кожні 29,5 доби перебуває між Сонцем і Землею, проте затемнення відбуваються набагато рідше, бо площина орбіти Місяця нахилена до екліптики під кутом 5°. Затемнення Місяця або Сонця можуть відбутися тільки в тому разі, коли Місяць перебуває поблизу вузла орбіти. Вузли місячної орбіти зміщуються в космічному просторі, тому затемнення відбуваються в різні пори року. Період повторення затемнень, або сарос, знали ще єгипетські жерці 4000 років тому. Хоча сонячні затемнення відбуваються частіше за місячні, їх набагато складніше побачити, бо повне сонячне затемнення видно в межах досить вузької смуги Землі, на яку падає місячна тінь. У той же час затемнення Місяця можна спостерігати відразу на всій півкулі.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

• 1. Чому вода на поверхні Місяця не може існувати в рідкому стані?
• 2. Чому з поверхні Землі ми бачимо тільки одну півкулю Місяця?
• 3. Чому поверхня Місяця значно густіше вкрита кратерами, ніж поверхня Землі?

ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ

3.1 Спостерігач фіксує вигляд неба регулярно в той самий зоряний час і постійно бачить Сонце на горизонті. У якому місці Землі і в який зоряний час це може відбутися?

3.2. Коли Земля буває найближче до Сонця і коли – найдалі? У чому причина зміни відстані від Землі до Сонця?

3.3. Якби орбіта Землі мала форму кола, то як відрізнялися б пори року від тих, які існують зараз? Як змінилися б пори року, якщо ексцентриситет земної орбіти збільшився до 0,5?

3.4. Які спостереження показують, що Земля рухається під дією сили тяжіння Сонця?

3.5 Як можна відрізнити зростаючий Місяць від спадаючого?

3.6. Як можна пояснити той факт, що Місяць постійно повернений до Землі одним боком?

3.7. Як розрахувати час падіння Місяця на Землю у випадку раптового припинення його руху навколо Землі?

3.8. Чому радіус диска Місяця, освітленого попелястим світлом, здається меншим, ніж радіус світлого серпа?

3.9. Що спільного в усіх планет? У чому подібність і в чому відмінність планет земної групи від планет-гігантів?

3.10. Які планети мають найбільш витягнуті орбіти? Орбіта якої планети найбільше схожа до кола?

3.11. Чому Юпітер сплюснутий до полюсів, а Сонце із Землі має вигляд круглого диска при тій самій газовій природі?

3.12. Марс найкраще видно із Землі під час протистояння? Які умови видимості в цей час Землі з Марса?

3.13. Земля для Марса, як Венера для Землі, є нижньою планетою. Через які інтервали часу можна бачити Землю з Марса у східній елонгації?

3.14. На яких планетах виявлено полярні шапки?

3.15. Усі планети через наявність молекул зі швидкостями, більшими від швидкостей витікання, гублять свої атмосфери. Чому ж атмосфери існують?

3.16*. Температура Венери, визначена радіометричним методом, є дуже низька (-54 °С). Як це узгоджується з дуже високою температурою на її поверхні і в нижніх шарах атмосфери?

3.17*. Як можна пояснити, що Сатурн з меншою швидкістю обертання навколо осі, ніж у Юпітера, більше стиснений біля полюсів, ніж Юпітер?

3.18*. Чи існують подвійні астероїди?

3.19*. Чи бувають комети без хвостів?

3.20*. Як пояснити те, що найбільше метеорів видно в передранкові години, а увечері метеорів видно менше?

3.21*. Які космічні тіла можна спостерігати тільки тоді, коли вони проходять через земну атмосферу?

3.22*. Чому космічний корабель, що відлітає на Місяць зі штучного супутника Землі, може не мати обтічної форми?

3.23*. Виберіть відповіді на запитання: які величини змінюються під час посадки космічного апарата на Місяць, порівняно з їхніми значеннями на Землі? 1) Маса астронавта; 2) вага астронавта; 3) сила ваги, що діє на астронавта.

3.24*. Що втримує штучний супутник Землі на орбіті?

3.25*. Штучний супутник Землі одного разу запустили уздовж меридіана, а іншого – уздовж екватора в бік обертання Землі. У якому випадку було витрачено менше енергії?

ПЕРЕВІР СВОЮ ΚΟΜПЕΤΕНТНІСТЬ

Контрольні запитання

1. Де на Землі тривалість дня протягом року не змінюється?

2. Коли Марс видно на небі цілу ніч?

3. Чи можна Венеру побачити в той час, коли вона найближче до Землі?

4. Чому Меркурій важко побачити на небі, хоча він буває яскравіший за Сіріус?

5. Чому спостереження в космосі дають більше інформації, ніж наземні телескопи?

6. Сьогодні Місяць спостерігався в першій чверті. Чи буде завтра Місяць відбивати сонячне світло опівночі?

7. Венера розміщена далі від Сонця, ніж Меркурій, але чому температура на її поверхні вища, ніж на Меркурії?

8. Які є докази того, що на поверхні Марса колись була вода в рідкому стані?

9. Які особливості планет-гігантів?

10. Чому Юпітер можна вважати дуже схожим на зорю?

11. Що спричиняє гелієві дощі на Сатурні?

12. Чим пояснюється дивовижне забарвлення Іо?

13. Про що свідчать численні кратери на супутниках Юпітера?

14. Які супутники планет мають атмосферу?

15. Чим відрізняється метеор від метеорита?

16. Хвіст комети притягується до Сонця чи відштовхується від нього?

Що я знаю і вмію робити

• Я вмію розв’язувати астрономічні задачі

1. Обчисліть, за який час світло долітає від Сонця до Землі; до Нептуна; до межі Сонячної системи. Швидкість світла вважати рівною 300 000 км/с.

2. Астероїд обертається навколо Сонця з періодом 3 роки. Чи може цей астероїд зіткнутися із Землею, якщо він в афелії; перебуває на відстані 3 а. о. від Сонця?

3. Кажуть, що деякі люди мають такий гострий зір, що навіть неозброєним оком розрізняють великі кратери на Місяці. Обчисліть достовірність цих фактів, якщо найбільші кратери на Місяці мають діаметр 200 км, а середня відстань до Місяця 380 000 км.

• Я вмію користуватися картою зоряного неба

4. Чи можна користуватися нашою картою зоряного неба на поверхні інших планет Сонячної системи? Під час міжпланетних польотів? На планетах, які обертаються навколо інших зір?

• Я вмію проводити астрономічні спостереження

5. За допомогою бінокля або шкільного телескопа можна спостерігати Галілеєві супутники Юпітера. Визначте моменти затемнення одного із цих супутників – коли він зникає за диском Юпітера.

ТЕСТОВІ ЗАВДАННЯ

1. На Землі спостерігається затемнення Місяця. Що побачать у цей час на Місяці космонавти?

Б кульмінацію Сонця

В затемнення Сонця

Г затемнення Місяця

2. Повний Місяць перебуває на горизонті. У який час доби можна спостерігати таке явище в Україні?

3. Якими із цих приладів космонавти можуть користуватися на поверхні Місяця?

4. На яких планетах земної групи у хмарах виявлено сірчану кислоту?

5. Яка планета земної групи має найгустішу атмосферу?

6. Які планети обертаються навколо осі у зворотному напрямку?

А Венера, Юпітер

Б усі планети-гіганти

В Юпітер, Сатурн

7. На якій із цих планет спостерігається найбільша тривалість дня?

8. Чому інколи кільця Сатурна зникають?

Б ховаються за Сатурн

В закриваються іншими планетами

Г площина кільця збігається з променем зору спостерігача

Д закриваються хмарами

9. Який з великих супутників рухається навколо планети у зворотному напрямку?

10. Який із супутників має густу азотну атмосферу з домішками метану?

11. На яких супутниках виявлено постійно діючі вулкани?

12. Метеором називають явище, коли.

А зорі падають на Землю

Б каміння падає на Землю

В порошинки згоряють у повітрі

Г блискавки спостерігаються в повітрі

Д пил викидається в атмосферу

13. Із чого складається ядро комети?

А з льоду та пилу

Б із заліза В з каміння

Г із розжарених газів

14. З якою найменшою швидкістю метеорити влітають в атмосферу Землі?