Земля і Місяць. Планети земної групи: Меркурій, Венера, Марс і його супутники

Гіпотеза захоплення, розроблена німецьким ученим К. Вейцзеккером, шведським ученим Х. Альфвеном і американським ученим Г. Юри, припускає, що Місяць спочатку був малою планетою, що при проходженні поблизу Землі в результаті впливу тяжіння останньої перетворилася в супутник Землі. Імовірність такої події дуже мала, і, крім того, у цьому випадку варто було б очікувати більшого розходження земних і місячних порід.

Відповідно до третьої гіпотези, що розроблялася радянськими вченими - О. Ю. Шмидтом і його послідовниками в середині 20 століття, Місяць і Земля утворилися одночасно шляхом об'єднання й ущільнення великого роя дрібних часток. Але Місяць у цілому має меншу щільність, чим Земля, тому речовина протопланетного хмари повинна було розділитися з концентрацією важких елементів у Землі. У зв'язку з цим виникло припущення, що першої початку формуватися Земля, оточена могутньою атмосферою, збагаченої відносно летучими силікатами; при наступному охолодженні речовина цієї атмосфери скондесувалося в кільце планетезималей, з яких і утворився Місяць. Остання гіпотеза на сучасному рівні знань (70-і роки 20 століття) представляється найбільш кращої.

Новий етап дослідження Місяця. Не дивно, що перший політ космічного апарата вище навколоземної орбіти був спрямований до Місяця. Ця честь належить радянському космічному апарату "Місяць-l", запуск якого був здійснений 2 січня 1958 року. Відповідно до програми польоту через кілька днів він пройшов на відстані 6000 кілометрів від поверхні Місяця. Пізніше в тому ж році, у середині вересня подібний апарат серії "Місяць" досяг поверхні природного супутника Землі.

Ще через рік, у жовтні 1959 року автоматичний апарат "Місяць-3", оснащений апаратурою для фотографування, провів зйомку зворотної сторони Місяця (близько 70 % поверхні) і передав її зображення на Землю. Апарат мав систему орієнтації з датчиками Сонця і Місяця і реактивних двигунів, що працювали на стиснутому газі, систему керування і терморегулювання. Його маса 280 кілограм. Створення "Місяця-3" було технічним досягненням для того часу, принесло інформацію про зворотну сторону Місяця: виявлені помітні розходження з видимою стороною, насамперед відсутність протяжних місячних морів.

У лютому 1966 року апарат "Місяць-9" доставив на Місяць автоматичну місячну станцію, що зробила м'яку посадку і передала на Землю кілька панорам прилеглої поверхні - похмурої кам'янистої пустелі. Система керування забезпечувала орієнтацію апарата, включення гальмової ступіні по команді від радіолокатора на висоті 75 кілометрів над поверхнею Місяця і відділення станції від її безпосередньо перед падінням. Амортизація забезпечувалася надувним гумовим балоном. Маса "Місяця-9" близько 1800 кілограм, маса станції близько 100 кілограм.

Наступним кроком у радянській місячній програмі були автоматичні станції "Місяць-16, -20, -24" , призначені для забору ґрунту з поверхні Місяця і доставки його зразків на Землю. Їхня маса була близько 1900 кілограм. Крім гальмової рухової установки і посадкового пристрою, до складу станцій входили грунтозабірний пристрій, злітна ракетна ступінь з апаратом, що повертається, для доставки ґрунту. Польоти відбулися в 1970, 1972 і 1976 роках, на Землю були доставлені невеликі кількості ґрунту.

Ще одну задачу вирішували "Луна-17, -21" (1970, 1973 року). Вони доставили на Місяць самохідні апарати - місяцеходи, керовані з Землі по стереоскопічному телевізійному зображенню поверхні. "Місяцехід- 1 " пройшов шлях близько 10 кілометрів за 10 місяців, "Місяцехід-2" - близько 37 кілометрів за 5 мес. Крім панорамних камер на місяцеходах були встановлені: грунтозабірний пристрій, спектрометр для аналізу хімічного складу ґрунту, вимірник шляху. Маси місяцеходів 756 і 840 кг.

Космічні апарати "Рейнджер" розроблялися для одержання знімків під час падіння, починаючи з висоти близько 1600 кілометрів до кількох сотень метрів над поверхнею Місяця. Вони мали систему тривісної орієнтації і були оснащені шістьма телевізійними камерами. Апарати при посадці розбивалися, тому одержувані зображення передавалися відразу ж, без запису. Під час трьох удалих польотів були отримані великі матеріали для вивчення морфології місячної поверхні. Зйомки "Рейнджеров" поклали початок американській програмі фотографування планет.

Конструкція апаратів "Рейнджер" подібна з конструкцією перших апаратів "Маринер", що були запущені до Венери в 1962 році. Однак подальше конструювання місячних космічних апаратів не пішло цим шляхом. Для одержання докладної інформації про місячну поверхню використовувалися інші космічні апарати - "Лунар Орбитер". Ці апарати з орбіт штучних супутників Місяця фотографували поверхня з високим дозволом.

Одна з цілей польотів складалася в одержанні високоякісних знімків із двома дозволами, високим і низької, з метою вибору можливих місць посадки апаратів "Сервейор" і "Аполлон" за допомогою спеціальної системи фотокамер. Знімки виявлялися на борті, сканувалися фотоелектричним способом і передавалися на Землю. Число знімків обмежувалося запасом плівки (на 210 кадрів). У 1966-1967 роках було здійснено п'ять запусків "Лунар орбитер" (всі успішні). Перші три "Орбитера" були виведені на кругові орбіти з невеликим нахиленням і малою висотою; на кожнім з них проводилася стереознімання обраних ділянок на видимій стороні Місяця з дуже високим дозволом і зйомка великих ділянок зворотної сторони з низьким дозволом. Четвертий супутник працював на набагато більш високій полярній орбіті, він вів зйомку всієї поверхні видимої сторони, п'ятий, останній "Орбитер" вів спостереження теж з полярної орбіти, але з менших висот. "Лунар орбитер-5" забезпечив зйомку з високим дозволом багатьох спеціальних місць на видимій стороні, здебільшого на середніх широтах, і зйомку значної частини зворотної з малим дозволом. У кінцевому рахунку зйомкою із середнім дозволом була покрита майже вся поверхня Місяця, одночасно йшла цілеспрямована зйомка, що мало неоціненне значення для планування посадок на Місяць і її фотогеологічні дослідження.

Додатково було проведене точне картирование гравітаційного полючи, при цьому минулому виявлені регіональні концентрації мас (що важливо і з наукового погляду, і для цілей планування посадок) і встановлений значний зсув центра мас Місяця від центра її фігури. Вимірялися також потоки радіації і мікрометеоритів.

Апарати "Лунар орбитер" мали систему тривісної орієнтації, їхня маса складала близько 390 кілограмів. Після завершення картографування ці апарати розбивалися об місячну поверхню, щоб припинити роботу їхніх радіопередавачів.

Польоти космічних апаратів "Сервейор", що призначалися для одержання наукових даних і інженерної інформації (такі механічні властивості, як, наприклад, несуча здатність місячного ґрунту), внесли великий вклад у розуміння природи Місяця, у підготовку посадок апаратів "Аполлон".

Автоматичні посадки з використанням послідовності команд, керованих радаром із замкнутим контуром, були великим технічним досягненням того часу. "Сервейори" запускалися за допомогою ракет "Атлас-Центавр" (криогенні верхні ступіні "Атлас" були іншим технічним успіхом того часу) і виводилися на перелітні орбіти до Місяця. Посадкові маневри починалися за 30 - 40 хвилин до посадки, головний гальмовий двигун уключався радаром на відстані близько 100 кілометрів до крапки посадки. Кінцевий етап (швидкість зниження близько 5 м/с) проводився після закінчення роботи головного двигуна і скидання його на висоті 7500 метрів. Маса "Сервейора" при запуску складала близько 1 тонни і при посадці - 285 кілограм. Головний гальмовий двигун являв собою твердопаливну ракету масою близько 4 тонн Космічний апарат мав тривісну систему орієнтації.

Прекрасний інструментарій уключав двох камер для панорамного огляду місцевості, невеликий ківш для риття траншеї в ґрунті і (в останніх трьох апаратах) альфа-аналізатор для виміру зворотного розсіювання альфа - часток з метою визначення елементного складу ґрунту під посадковим апаратом. Ретроспективно результати хімічного експерименту багато чого прояснили в природі поверхні Місяця і її історій. П'ять із семи запусків "Сервейорів" були успішними, усі опустилися в екваторіальній зоні, крім останнього, котрий сіл у районі викидів кратера Тихо на 41° ю.ш. "Сервейор-6" був у деякому змісті піонером - першим американським космічним апаратом, запущеним з іншого небесного тіла (але всього лише до другого місця посадки в декількох метрах осторонь від першого).

Пілотовані космічні апарати "Аполлон" були наступними в американській програмі досліджень Місяця. Після "Аполлона" польоти на Місяць не проводилися. Ученим довелося задовольнятися продовженням обробки даних від автоматичних і пілотованих польотів у 1960 - е і 1970 - е роки. Деякі з них передбачали експлуатацію місячних ресурсів у майбутньому і направили свої зусилля на розробку процесів, що змогли б перетворити місячний ґрунт у матеріали, придатні для будівництва, для виробництва енергії і для ракетних двигунів. При плануванні повернення до досліджень Місяця без сумніву знайдуть застосування як автоматичні, так і пілотовані космічні апарати.

Аполлон - 11” до Місяця протягом 3.5 - х років було спрямовано шість експедицій (“Аполлон - 12” - “Аполлон - 17”), п'ять з який пройшли цілком успішно. На кораблі “Аполлон - 13” з - за аварії на борті довелося змінити програму польоту, і замість посадки на Місяць був зроблений її обліт і повернення на Землю. Усього на Місяці побувало 12 астронавтів, деякі пробули на Місяці кілька доби, у тому числі до 22 годин поза кабіною, проїхали на самохідному апараті кілька десятків кілометрів. Ними був виконаний досить великий обсяг наукових досліджень, зібрано понад 380 кілограмів зразків місячного ґрунту, вивчення яких займалися лабораторії США й інших країн. Роботи над програмою польотів на Місяць велися й у СРСР, але в силу декількох причин не були доведені до кінця. Тривалість сейсмічних коливань на Місяці в кілька разів більша, ніж на Землі, видимо, зв'язана із сильною тріщинуватістю верхньої частини місячної “кори”.

У листопаду 1970 АМС “Місяць-17” доставила на Місяць у Море Дощів місячний самохідний апарат "Місяцехід-1", що за 11 місячних днів (чи 10.5 місяців) пройшов відстань у 10 540 м і передав велику кількість панорам, окремих фотографій поверхні Місяця й іншу наукову інформацію. Установлений на ньому французький відбивач дозволив за допомогою лазерного променя вимірити відстань до Місяця з точністю до часток метра. У лютому 1972 АМС “Місяць-20” доставила на Землю зразки місячного ґрунту, вперше узяті у важкодоступному районі Місяця. У січні 1973 АМС “Місяць-21” доставила в кратер Лемонье (Море Ясності) “Місяцехід-2” для комплексного дослідження перехідної зони між морськими і материковими рівнинами. “Місяцехід-2” працював 5 місячних днів (4 місяці), пройшов відстань близько 37 кілометрів.

Місячний ґрунт. Усюди, де робили посадки космічні апарати, Місяць покритий так називаним реголітом. Це різнозернистий уламково-пиловий шар товщиною від декількох метрів до декількох десятків метрів. Він виник у результаті дроблення, перемішування і спікання місячних порід при падіннях метеоритів і мікрометеоритів. Унаслідок впливу сонячного вітру реголіт насичений нейтральними газами. Серед уламків реголіту знайдені частки метеоритної речовини. По радіоізотопах було встановлено, що деякі уламки на поверхні реголіту знаходилися на тому самому місці десятки і сотні мільйонів років. Серед зразків, доставлених на Землю, зустрічаються породи двох типів: вулканічні (лави) і породи, що виникли за рахунок роздроблення і розплавлювання місячних утворень при падіннях метеоритів. Основна маса вулканічних порід подібна з земними базальтами. Очевидно, такими породами складені всього місячного моря. Крім того, у місячному ґрунті зустрічаються уламки інших порід, подібних із земними і так називаним KREEP - порода, збагачена калієм, рідкоземельними елементами і фосфором. Очевидно, ці породи являють собою уламки речовини місячних материків. “Місяць-20” і “Аполлон-16”, що зробили посадки на місячних материках, привезли відтіля породи типу анортозитів. Усі типи порід утворилися в результаті тривалої еволюції в надрах Місяця. По ряду ознак місячні породи відрізняються від земних: у них дуже мало води, мало калію, натрію й інших летучих елементів, у деяких зразках дуже багато титана і заліза. Вік цих порід, обумовлений по співвідношеннях радіоактивних елементів, дорівнює 3 - 4.5 млрд. років, що відповідає найдавнішим періодам розвитку Землі.

Внутрішня будова Місяця. (Слайд 6)Структура надр Місяця також визначається з урахуванням обмежень, що накладають на моделі внутрішньої будівлі дані про фігуру небесного тіла і, особливо про характер поширення Р - і S - хвиль. Реальна фігура Місяця, виявилася близької до сферично рівноважного, а з аналізу гравітаційного потенціалу зроблений висновок про те, що її щільність несильно змінюється з глибиною, тобто на відміну від Землі немає великої концентрації мас у центрі.

Самий верхній шар представлений корою, товщина якої, визначена тільки в районах улоговин, складає 60 км. Дуже імовірно, що на великих материкових площах зворотної сторони Місяця кора приблизно в 1,5 рази могутніше. Кора складена виверженими кристалічними гірськими породами - базальтами. Однак по своєму мінералогічному складі базальти материкових і морських районів мають помітні відмінності. У той час як найбільш древні материкові райони Місяця переважно утворені світлою гірською породою - анортозитами (майже що цілком складаються із середнього й основного плагіоклазу, з невеликими домішками піроксену, олівіну, магнетиту, титаномагнетиту й ін.), кристалічні породи місячних морів, подібно земним базальтам, складені в основному плагіоклазами і моноклінними піроксенами (авгітами). Імовірно, вони утворилися при охолодженні магматичного розплаву на чи поверхні поблизу її. При цьому, оскільки місячні базальти менш окислені, чим земні, це означає, що вони кристалізувалися з меншим відношенням кисню до металу. У них, крім того, спостерігається менший зміст деяких летучих елементів і одночасно збагаченість багатьма тугоплавкими елементами в порівнянні з земними породами. За рахунок домішок олівінів і особливо ільменіту райони морів виглядають більш темними, а щільність їхніх порід, що складають, вище, ніж на материках.

У самому центрі, очевидно, знаходиться невелике рідке ядро радіусом менш 350 кілометрів, через яке не проходять поперечні хвилі. Ядро може бути залізосульфідним або залізним; в останньому випадку воно повинно бути менше, що краще погодиться з оцінками розподілу щільності по глибині. Його маса, імовірно, не перевищує 2 % від маси всього Місяця. Температура в ядрі залежить від його складу і, видимо, укладена в межах 1300 - 1900 ДО. Нижній границі відповідає припущення про збагаченість важкої фракції місячного проторечовини сіркою, переважно у виді сульфідів, і утворенні ядра з евтектики Fe - Fe з температурою плавлення (слабко залежної від тиску) близько 1300 ДО. З верхньою границею краще погодиться припущення про збагаченість проторечовини Місяця легкими металами (Mg, Са, Na, Аl), що входять разом із кремнієм і киснем до складу найважливіших породоутворюючих мінералів основних і ультраосновних порід - піроксенів і олівінів. Останньому припущенню сприяє і знижений зміст у Місяці заліза і нікелю, на що вказує її низька середня площа. (Слайд 7)

Стародавні учені настирливо прагнули розгадати цей дивний для пробної монети планет, та не змогли цього зробити. Ми тепер знаємо, що їх спроби були невдалі тому, що вони помилково вважали Землю нерухомим центром всього Всесвіту.

Існує легенда, ніби Микола Коперник за усе своє життя жодного разу не бачив Меркурій, що постійно ховається в промінні Сонця. Дійсно, в безсмертній праці Коперника «Про обертання небесних сфер» не наводитися ні одного спостереження цієї планети, виконаного ним самим. В своїх розрахунках руху Меркурія Коперник використовує нагляд Птоломея, його сучасника Теона. Однак, кажучи про труднощі вивчення Меркурія на широті Кракова, Коперник помічає: “... все-таки можна зловити і його, якщо тільки взятися за це з дещо більшою хитрістю”. Звідси можна зробити висновок, що Коперник все ж таки ”ловив ” Меркурій, та вважав за краще використовувати більш точні дані.

Сонце разом з планетами-супутниками складає Сонячну або Планетну систему. Шлях кожної планети приблизно коло, по якому ця планета обходить Сонце. В кожної планети є свій шлях, або своя орбіта, як говорять астрономи.

Чим ближче планета до Сонця, тим менше її орбіта, тим коротше той шлях, який їй доводиться пробігати. Крім того, близька від Сонця планета pyxається по своєму шляху швидше, ніж далека, тому і час обороту планети навкруги Сонця тим коротше, чим ближче вона до Сонця.

Помітивши планети дуже давно, люди придумали для них назви, які збереглися до наших днів. Не розуміючи дійсної причини pyxу планет, люди пояснювали планети бажаннями і примхами тих богів і богинь із релігійних казок – міфів. Так потрапили на сторінки сучасних наукових книг по астрономії такі імена давньоримських богів, як Меркурій – бог торгівлі, Венера – богиня вроди, Марс – бог війни і ін.

Меркурій був відомий з давніх часів. Греки дали цій планеті два імена: Аполлоном вони називали її як вранішню зірку і Гермесом - вечірню. Грецькі астрономи знали, що ці два імена носить одне небесне тіло.

2. Характеристика Меркурія. (Слайд 8)

Меркурій – найближча до Сонця планета Сонячної системи, астрономічний знак. Серед великих планет має найменші розміри: її діаметр 4865 км (0,38 діаметри Землі), маса 3,304*10²³ кг (0,055 маси Землі або 1: 6025000 маси Сонця); середня густина 5,52 г/см³. Меркурій належить до планет земної групи.

Меркурій pyxається навколо Сонця в середньому на відстані 0,384 астрономічні одиниці (58 млн. км) по еліптичній орбіті із великим ексцентриситетом е-0,206; в перигелії відстань до Сонця складає 46 млн.км., в афелії 70 млн.км. Період обігу Меркурія навколо Сонця piвний 88 добам. Лише в 60-х рр. за допомогою наглядів радіолокацій було встановлено, що Меркурій обертається навколо осі в прямому напрямі (тобто як і в орбітальному русі) із періодом 58,65 діб (відносно зірок). Тривалість сонячних діб на Меркурії складає 176 днів. Кутова швидкість осьового обертання Меркурія складає 3/2 орбітального і відповідає кутовій швидкості його pyxу в орбіті, коли планета перебуває в перигелії. На підставі цього можна припустити, що швидкість обертання Меркурія обумовлена приливними силами з боку Сонця.

Для нагляду із Землі Меркурій – важкий об'єкт, оскільки він видимим чином ніколи не віддаляється від Сонця більше ніж на 23⁰, внаслідок чого Меркурій доводиться спостерігати завжди на фоні вечірньої або вранішньої зорі низько над горизонтом. Крім того, в цю пору фаза планети близька до 90⁰ і спостерігач бачить освітленою лише половину її диска. З цієї причини на поверхні Меркурія зафіксовані лише великі темні плями невідомої природи і карта його побудована в найзагальніших рисах. Екватор Меркурія нахилений до площини його орбіти на 7⁰. При наглядах до елонгації (в найбільшому кутовому віддаленні від Сонця) Меркурій має блиск від - 0,3 до +0,6 зоряної величини. Зміни блиску із фазою в Меркурія протікає схоже із Місяцем. Що вказує на однаковий характер нерівностей в цих небесних тіл, та відбивна здатність Меркурія гірше, ніж в Місяця: вона подібна місячним морям. Його сферичне альбедо piвне: візуальне 0,058, теплове 0,09. Визначене шляхом радіолокації в дециметровому діапазоні радіохвиль поперечний перетин диска Меркурія складає всього лише 0,06 від геометричного.

Меркурій, можливо, позбавлений атмосфери, хоча поляризаційні і спектральні нагляди вказують на наявність слабкої атмосфери. Ознаки вуглекислого газу СО₂ спостерігалися на Меркурії спектральним шляхом. Сама верхня межа його вмісту 4 г/см². Сюди може домішуватися азот N₂ або аргон Ar, не знайдені спектроскопічно при нагляді із Землі. Вміст цих газів може бути в кілька разів вище, ніж СО₂. У верхній атмосфері Меркурія вуглекислий газ повинен дисоціювати під впливом сильного ультрафіолетового опромінення з боку Сонця на СО, O, О₂. Тут атоми і молекули можуть легко йти в міжпланетний простір, оскільки друга космічна швидкість на Меркурії дуже невелика

4,3 км/сек.

Розрахункова середня температура Меркурія (знайдена в припущенні, що планета стільки ж випромінює тепла, скільки отримує його від Сонця) на середній відстані від Сонця 505К. Для точки поверхні Меркурія, де Сонце видне в зеніті, обчислена температура 618К, фактично виміряна 613 К. Ця температура збільшується до 400К, коли Меркурій перебуває в перигелії і опускається до 500К в афелії. Виміряне із великими труднощами інфрачервоне випромінювання з неосвітленої частини Меркурія призводить до значення нічної температури Меркурія близько 110К. Можливо, що вона дещо вища, та навряд чи вище 150К. При зміні теплового потоку Меркурія в радіодіапазоні виявляються в середньому (по диску) температури до 400К в сантиметровому діапазоні, 300-400К на міліметрових і дециметрових хвилях. Та ці вимірювання відносяться не до самої поверхні, до деякого (неглибокому) piвня під нею, що підтверджується також відсутністю помітного ефекту фази у вимірюваних теплових потоках. Зіставлення із потоками, виміряними в інфрачервоному діапазоні, дозволяє вивести значення коефіцієнта теплопровідності µ=1/500-1/700, що відповідає аналогічним значенням для Місяця. Припускається, що Меркурій складається із залізного (очевидно, рідкого) ядра, що містить 0,62 всієї маси, оточеного силікатною оболонкою. За допомогою “Марінера” була встановлена присутність в Меркурія сильно розрядженої газової оболонки, що складається головним чином з гелію. Тиск в поверхні планети приблизно в 500 млрд. раз менше ніж в поверхні Землі. Ця атмосфера полягає в динамічній рівновазі: кожний атом гелію перебуває в ній близько 200 днів, після чого покидає планету, його ж місце займає інша частинка із плазми сонячного вітру. Виявилося також, що Меркурій володіє слабким магнітним полем, напруженість якого складає всього 0,7% земного. Нахил осі диполя до осі обертання Меркурія 120 (в Землі 110).