Природничі науки.
Минуле, сучасне та можливе майбутнє людства і біосфери
Розділ ІІ. Виникнення та розвиток Всесвіту і Землі
Блок С. Земля — частина Сонячної системи

C2. Земля та Місяць

.

Завдання C2-

C2-1. “Щаслива” планета з великим супутником
C2-2. (Утворення Місяця)

Додаток C2-3. (Програма “Аполон”)

Додаток C2-4. (Інверсії магнитного поля Землі)

Додаток C2-5. (Пошук позаземного життя)

Завдання C2-

Завдання C2-

Задача C2.

Головні поняття C2.

C2-1. “Щаслива” планета з великим супутником

C2-1.1. Низка удач для земного життя

Зазвичай ми сприймаємо наше існування як факт, що відбувся. Чи могло бути інакше? Проте, згідно з сучасними поглядами, існування людства, як і життя на Землі взагалі — наслідок щасливого сполучення цілого ряду сприятливих випадковостей. Про деякі з них ми вже говорили, з іншими познайомимося зараз.

Сонце розташоване у “помірній” зоні нашої Галактики, на такій відстані від її центру, де йдуть інтенсивні процеси зореутворення та вибухів наднових. Тут протягом існування зорі та її планет можуть спостерігатися достатньо стабільні умови, що дають змогу виникнути складному життю (рис. C2-1.1).  

Рис. C2-1.1.Лише частина зір у Галактиці підходила б для нашого існування. Лише у частині простору Сонячної системи може розташовуватися планета, де існує рідка вода    

Сонце належить до дуже “спокійних” зір; воно існує вже кілька мільярдів років і забезпечує відносно стабільне випромінювання. Існує багато зір, що мають більш коротке життя або суттєво змінюють своє випромінювання з часом.

Сонце утворилося з матеріалу, що, хоча б частково, пройшов через повні життєві цикли зір, а тому збагачений важкими елементами та має різноманітний елементний склад. Лише з такого матеріалу могли утворитися складні хімічні речовини, що є необхідними для існування живих систем.

Таким чином, необхідною умовою нашої появи є величезна передісторія. Повинні були змінитися покоління зірок, щоб матеріал, з якого утворена Сонячна система, отримав достатнє для виникнення життя елементне різноманіття. До речі, мала пройти неосяжна, з точки зору нашого індивідуального досвіду, історія біосфери, щоб в ній виник наш вид, адже еволюція є тривалим процесом. Не будемо вже казати й про те, що для того, щоб сформувати нашу здатність до осмислення проблем буття, які ми з вами зараз розглядаємо, мала пройти велична історія розвитку людської культури.

Крім тривалої передісторії, запорукою нашого буття є  також просторова величність Всесвіту. Більшість його ділянок є непридатними для нас; можна сказати, що наявність планет, на одній з яких з’явилися ми, потребує наявності значно більшої кількості планет з іншими, непридатними для нас умовами.

Ми досі не знаємо, яка частка зір має планети. Подвійні зоряні системи можуть мати планети, але планети в таких системах не мають стійких орбіт. Вірогідно, багато зір просто не має планет і, внаслідок цього, поруч з ними не може розвинутися життя.

Земля є невеликою частиною Сонячної системи, лише однією з 8 планет. Втім, розвинене життя існує лише на ній.

Чи є життя на інших небесних тілах Сонячної системи?

Ми ще не маємо остаточної відповіді на це питання. В усякому разі, іншого небесного тіла за складним життям, порівняно із земним, напевно, у нашій зоряній системі немає.

Чому?

Земля має напрочуд вдалу, з точки зору нашого існування, орбіту. Ця орбіта близька до кругової, і наша планета цілий рік отримує приблизно постійну кількість сонячного тепла. Дуже важливо, що Земля перебуває на такій відстані від Сонця, що на ній можливе існування води в усіх трьох агрегатних станах (рис. C2-1.2). Річ у тім, що переходи води з одного стану у інший, пов’язані з витратами або вивільненням великої кількості енергії.

Рис. C2-1.2.Це велика удача, що на нашій планеті існують усі три агрегатні стани води: рідка вода, льод та пара      

Щоб перетворити увесь лід на C2-1.2 воду, слід витратити дуже велику кількість енергії: вода має дуже високу теплоту плавлення.  Щоб нагріти океан потрібно багато енергії, адже вода має високу питому теплоємність. Щоб перетворити воду у пару, також потрібна велика кількість енергії, адже вода має велику питому теплоту пароутворення. При конденсації пари, охолодженні води, її замерзанні, вся енергія, витрачена на розігрів води та зміну її агрегатних станів, буде вивільнятися, стримуючи зниження температури. Можна сказати, що вода є потужним тепловим буфером (тобто здатна послаблювати зміни температури, що викликані будь-якими причинами).

Втім, якщо воду нагріти так, що вона вся випарується, або ж охолодити так, що вона вся замерзне, її здатність стабілізувати температуру значно знизиться. Наявність води у трьох агрегатних станах підтримує температуру на планеті у достатньо вузьких межах.

Дослідіть буферні властивості води за допомогою імітаційної моделі!

Зона, в якій планета отримує від зорі таку кількість тепла, що на її поверхні може існувати вода в усіх трьох станах, є достатньо вузькою (рис. C2-1.1). Її іноді називають зоною Золотоволоски, маючи на увазі героїню англійської дитячої казки. Золотоволоска раз за разом отримувала по три предмети, один з яких виявлявся завеликим, другий — замалим, а третій — підходив у самий раз; один був занадто гарячим, другий — холодним, а третій мав необхідну температуру тощо. Так от, планети, що ближче до Сонця, ніж зона Золотоволоски, не мають води в усіх трьох станах внаслідок сонячного жару, а ті, що розташовані далі — не отримують достатньої кількості тепла. У зоні Золотоволоски розташовані лише Земля та Марс…

Чи є на Марсі вода в усіх трьох агрегатних станах?

У достатній кількості — ні. Вірогідно, льоду на Марсі достатньо багато, а ось кількість рідкої та газоподібної води є дуже малою. Причина проста — на Марсі занадто холодно.  

Для утримання води в усіх трьох агрегатних станах важливим  є те, що Земля має певні розміри. Якщо вона була б меншою, то не мала б потужного шару атмосфери, адже її тяжіння було б недостатнім,

щоб утримати гази біля себе. Атмосферний тиск був би слабкий, вода кипіла б при відносно невисоких температурах, а водяна пара швидко втрачалася у космічному просторі. Якщо Земля була б великою планетою, як-от планети-гіганти, до її поверхні майже не доходило би сонячне світло.

Яке значення для життя на Землі має те, що поверхня планети добре освітлюється Сонцем?

C2-1.2. Незвично великий супутник

Перелік “удач” Землі на цьому не закінчений. Одна з них може здаватися  не досить важливою. Мова йде про те, що Земля має відносно великий супутник (рис. C2-1.3). Співвідношення діаметрів Землі і Місяця - 4/1, в той час, як діаметр Юпітера перевершує діаметр Каллісто в 20 разів, Сатурн більше Титана по діаметру в 30 разів, а Марс більше Фобоса і Деймоса в 200 і 400 разів.

Рис. C2-1.3. Співвідношення розмірів Землі, Місяця та відстані між ними      

У чому існування великого супутника Землі важливе для нашого життя?

Звісно, тому що Місяць є достатньо великим, він слугує нічним “дзеркалом”, що спрямовує на Землю частину сонячного світла (рис. C2-1.4). Втім, вірогідно, наступні особливості Землі будуть здаватися вам важливішими.

Рис. C2-1.4. Повний Місяць може забезпечувати досить якісне нічне освітлення...      

Космічний простір у межах Сонячної системи не є повністю пустим. Крім іншого, в ньому поширюються випромінені Сонцем заряджені частинки з великою енергією — сонячний вітер. Заходять у Сонячну систему поза і космічні промені з надвисокою енергією, що приходять з далекого космосу. Ці промені — це протони, ядра гелію (альфа-частинки), електрони (бета-частинки) тощо.

Це випромінювання є руйнівним для біологічних систем. Оскільки частинки у його складі характеризуються високою енергією, атмосфера Землі захищає від них недостатньо. Якщо ці космічні промені бомбардували б поверхню планети, вона була б малопридатною для існування складних організмів. На щастя, ці частинки, наближаючись до Землі, викривлюють свої траєкторії та обходять її стороною (рис. C2-1.5).

Рис. C2-1.5. Земля є потужним магнітом. Її магнітне поле відхиляє “сонячний вітер” — потік заряджених частинок, що надходить від Сонця          

Що захищає поверхню Землі від космічних променів?

Магнітне поле Землі! Ви пам’ятаєте, що електричні та магнітні явища — різні прояви однієї з фундаментальних сил природи, електромагнітної взаємодії. Заряди, що не рухаються один відносно одного, формують електричне поле, а рухомі — і електричне, і магнітне. Взаємодія магнітного поля з зарядженими частинками, що швидко рухаються відносно нього, викликає появу сили Лоренца, що відхиляє заряджені частинки убік.

Магнітне поле Землі захищає Землю та навколоземний простір від небезпечних променів. До речі, пілоти навколоземних космічних кораблів також знаходяться під захистом цього поля. А ось, наприклад, американські астронавти, які виконували польоти до Місяця у 1968—1972 рр., були змушені вийти з-під захисту магнітного поля Землі. Вони отримували значні дози космічної радіації, що призвело до погіршення їхнього здоров’я на наступні роки. Одна з причин того, що зараз подібні польоти не виконуються, полягає  в тому, що сучасні норми забороняють завдавати людям настільки шкідливого впливу.

Рис. C2-1.1. Пори року — наслідок нахилу земної вісі. Вірогідно, цей нахил пов’язаний з появою Місяця  

C2-1. Сухий залишок

C2-1. Проблеми для обговорення та завдання

C2-1.1.