Луна
Луна сама по себе уже уникальна тем, что это единственный сферический спутник на орбите Земли. Считается, что причиной такой формы является то, что ее масса достаточно велика для равномерного притяжения материи по направлению к центру спутника.
Размер Луны составляет чуть более одной четвертой диаметра Земли (3475 км) и это тоже уникальное явление. Пока еще астрономам не удалось обнаружить у какой-либо планеты спутника с большими или хотя бы такими же размерами относительно размеров планеты.
Однако, не смотря на столь значительные для спутника размеры, масса Луны сравнительно невелика. Это же указывает и на низкую плотность спутника. Объяснение этого явления заключается в причине формирования Луны. У ученых есть версия, что в период зарождения Земли с нашей планетой столкнулось какое-то огромное космическое тело размером с Марс. В результате такого столкновения на орбиту Земли было выброшено большое количество внешней мантии и коры. Постепенно объединяясь под действием гравитационных сил, материал сформировал спутник, который мы сегодня знаем как Луну. Учитывая, что внешняя мантия Земли намного менее плотная, чем внутренние слои, такая концепция позволяет в какой-то мере объяснить низкую плотность Луны.
Смотрите также: Суперлуние и “кровавая” Луна: самые популярные вопросы
Наблюдения с Земли позволяют рассмотреть многочисленные кратеры на поверхности Луны. Причина существования такого рельефа достаточно проста. В отличие от Земли, Луна не является геологически активным телом, у нее нет атмосферы, и не наблюдается вулканической активности. Именно поэтому поверхность Луны столетиями остается неизменной.
Фазы Луны
На приведенной ниже схеме выделены восемь различных фаз Луны: полная Луна, растущий месяц, первая четверть, растущая Луна, полнолуние, убывающая луна, третья четверть и спадающий месяц.
19 июля 2007 года, растущая Луна, фаза 0.27
Структура Луны
Луна является дифференцированным космическим телом и по своей структуре подразделяется на кору, мантию и ядро. Несмотря на то, что Луна является вторым (после Ио) по плотности спутником в Солнечной системе, его внутреннее ядро считается очень небольшим по размерам, так как его диаметр составляет всего лишь порядка 700 километров, что является незначительным показателем относительно размеров спутника.
У внутреннего ядра оболочка насыщена железом и имеет радиус около 240 километров. Внешнее же ядро также в основной своей массе состоит из железа, только расплавленного, его толщина составляет примерно 300 километров.
Так же у лунного ядра существует частями расплавленный пограничный слой. Согласно расчетам планетологов, он образовался в результате процессов фракционной кристаллизации огромного магматического океана 4,5 млрд. лет назад. Толщина данного слоя составляет порядка 480 километров.
Как и Земли, мантия Луны состоит в основном из ультраосновных пород, который в отличие от тех, что содержатся в коре, содержат незначительные примеси окислов кремния и достаточно большое количество железа и магния. Оливин и пироксен являются главными породообразующими минералами.
Средняя толщина лунной коры составляет порядка 50 километров. Из-за периодических лунотрясений, вызванных гравитацией Земли, в ней могут появляться трещины.
Гравитационные аномалии
Основная статья: Гравитационная аномалия
Гравитационные аномалии Земли (по данным NASA GRACE — Gravity Recovery And Climate Change). [5].
Гравитационные аномалии применительно к геофизике — отклонения величины гравитационного поля от расчётной, вычисленной на основе той или иной математической модели. Гравитационный потенциал земной поверхности, или геоида, обычно описывается на основании математических теорий с использованием гармонических функций[6]. Эти отклонения могут быть вызваны различными факторами, в том числе:
- Земля не является однородной, её плотность различна на разных участках;
- Земля не является идеальной сферой, и в формуле используется среднее значение величины её радиуса;
- Расчётное значение g
учитывает только силу тяжести и не учитывает центробежную силу, возникающую за счёт вращения Земли; - При подъёме тела над поверхностью Земли значение g
уменьшается («высотная поправка» (см. ниже), аномалия Бугера); - На Землю воздействуют гравитационные поля других космических тел, в частности, приливные силы Солнца и Луны.
Высотная поправка
Первая поправка для стандартных математических моделей, так называемая высотная аномалия (англ.)русск., позволяет учесть изменение величины g
в зависимости от высоты над уровнем моря[7]. Используем значения массы и радиуса Земли:
r E a r t h = 6.371 × 10 6 m {\displaystyle r_{\mathrm {Earth} }=6.371\times 10^{6}\,\mathrm {m} } m E a r t h = 5.9722 × 10 24 k g {\displaystyle m_{\mathrm {Earth} }=5.9722\times 10^{24}\,\mathrm {kg} }
Поправочный коэффициент (Δg) может быть получены из соотношения между ускорением силы тяжести g
и гравитационной постоянной
G
:
g 0 = G m E a r t h / r E a r t h 2 = 9.8196 m s 2 {\displaystyle g_{0}=G\,m_{\mathrm {Earth} }/r_{\mathrm {Earth} }^{2}=9.8196\,{\frac {\mathrm {m} }{\mathrm {s} ^{2}}}} , где: G = 6.67384 × 10 − 11 m 3 k g ⋅ s 2 . {\displaystyle G=6.67384\times 10^{-11}\,{\frac {\mathrm {m} ^{3}}{\mathrm {kg} \cdot \mathrm {s} ^{2}}}.} .
На высоте h
над поверхностью Земли
gh
рассчитывается по формуле:
g h = G m E a r t h / ( r E a r t h + h ) 2 {\displaystyle g_{h}=G\,m_{\mathrm {Earth} }/\left(r_{\mathrm {Earth} }+h\right)^{2}}
Так, высотная поправка для высоты h
может быть выражена:
Δ g h = [ G m E a r t h / ( r E a r t h + h ) 2 ] − [ G m E a r t h / r E a r t h 2 ] {\displaystyle \Delta g_{h}=\left[G\,m_{\mathrm {Earth} }/\left(r_{\mathrm {Earth} }+h\right)^{2}\right]-\left[G\,m_{\mathrm {Earth} }/r_{\mathrm {Earth} }^{2}\right]} .
Это выражение может быть легко использовано для программирования или включения в таблицу. Упрощая и пренебрегая малыми величинами (h
<<
r
Earth), получаем хорошее приближение:
Δ g h ≈ − G m E a r t h r E a r t h 2 × 2 h r E a r t h {\displaystyle \Delta g_{h}\approx -\,{\dfrac {G\,m_{\mathrm {Earth} }}{r_{\mathrm {Earth} }^{2}}}\times {\dfrac {2\,h}{r_{\mathrm {Earth} }}}} .
Используя приведённые выше численные значения выше, и высоту h
в метрах, получим:
Δ g h ≈ − 3.083 × 10 − 6 h {\displaystyle \Delta g_{h}\approx -3.083\times 10^{-6}\,h}
Учитывая широту местности и высотную поправку, получаем:
g ϕ , h = 9.780327 ( 1 + 0.0053024 sin 2 ϕ − 0.0000058 sin 2 2 ϕ ) − 3.086 × 10 − 6 h {\displaystyle g_{\phi ,h}=9.780327\left(1+0.0053024\sin ^{2}\phi -0.0000058\sin ^{2}2\phi \right)-3.086\times 10^{-6}h} ,
где g ϕ , h {\displaystyle \ g_{\phi ,h}} — ускорение свободного падения на широте ϕ {\displaystyle \ \phi } и высоте h
. Это выражение можно также представить в следующем виде:
g ϕ , h = 9.780327 [ ( 1 + 0.0053024 sin 2 ϕ − 0.0000058 sin 2 2 ϕ ) − 3.155 × 10 − 7 h ] m s 2 {\displaystyle g_{\phi ,h}=9.780327\left[\left(1+0.0053024\sin ^{2}\phi -0.0000058\sin ^{2}2\phi \right)-3.155\times 10^{-7}h\right]\,{\frac {\mathrm {m} }{\mathrm {s} ^{2}}}} .
Первый человек на Луне
На поверхности Луны посчастливилось погулять двенадцати представителям человечества. Начало положил Нил Армстронг в 1969 году в рамках миссии Apollo 11, а последним на текущий момент был Джин Сернан в 1972 году с миссией Apollo 17. С 1972 года полеты людей на Луну были прекращены, а изучение спутника Земли осталось в сфере автоматических космических аппаратов.
В ближайшем будущем человек может вновь посетить Луну. С этим связаны планы ведущих космических агентств, таких как NASA, Роскосмос и ЕКА. Возможно, уже в 2020-х годах на Луне появится первая космическая станция.
Первый шаг человека на Луне
“Это один маленький шаг для человека, но гигантский скачок для всего человечества”, — эту знаменитую фразу произнес Нил Армстронг спустившись на поверхность Луны.
Тектонические разломы
Девушка поднялась на крышу поймать сигнал Сети, чтобы не пропустить занятия
Не стоит читать натощак: что подают на завтрак, обед и ужин собакам Елизаветы II
Руководство “Канн” представило фильмы-участников фестиваля 2020 года
В земной коре существуют зоны субдукции – места, где одна часть тектонической плиты погружается в мантию и уходит под другую часть земной коры. Эти зоны субдукции являются своего рода «слабыми местами» тектонической активности, и именно вблизи от них чаще всего происходят сильные землетрясения.
Исходя из этих данных, группа ученых из Университета Токио предложила следующую гипотезу: поскольку зоны субдукции являются чаще всего глубокими разломами, возможно, гравитационной силы Луны достаточно, чтобы повлиять на расхождение тектонических плит. Даже если приливного захвата Луны может не хватить для инициации движения целой плиты, он может стать причиной небольших трещин, которые, в свою очередь, создают эффект снежного кома и приводят к сильным сотрясениям.
Интересные факты о Луне
• У Луны нет темной стороны. Обе стороны Луны получают одно и то же количество солнечного света, но с учетом того, что Луна связана с Землей приливными силами, земляне всегда могут наблюдать только одну ее сторону. Эта сторона отражает солнечный свет и люди могут рассматривать ее даже невооруженным взглядом, тогда информация о так называемой «темной стороне» была получена при помощи космических аппаратов.
• Отливы и приливы на Земле осуществляются именно при помощи Луны. Они возникают как результат ее гравитационного притяжения. Приливы происходят на той стороне Земли, которая в данный момент обращена к Луне, тогда как на другой стороне происходят отливы.
• Каждый год Луна медленно удаляется от Земли, примерно на 3,8 сантиметров. По расчетам ученых данный процесс будет продолжаться еще 50 миллиардов лет.
• Если бы вы находились на Луне, то весили бы намного меньше. Лунная гравитация гораздо слабее, чем гравитация Земли. Это связано с тем, что ее масса значительно меньше. То есть ваш вес на Луне составил бы всего лишь одну шестую (около 16,5%) от вашего земного веса.
• В 50-е годы США планировало взорвать атомную бомбу на Луне. Секретный проект был разработан в разгар холодной войны и носил название «Проект A119». Основной целью такого неординарного плана было продемонстрировать СССР военное и космическое превосходство. К счастью, затея так и не была осуществлена.
• У Луны нет атмосферы. Поверхность спутника Земли абсолютно не защищена от космических лучей, метеоритов, астероидов, комет и солнечных ветров. Вот почему на Луне наблюдают такие огромные колебания температуры, а вся ее поверхность покрыта кратерами. Отсутствие атмосферы также означает, на Луне невозможно услышать ни единого звука, а небо всегда черное.
• На Луне происходят толчки. Гравитационное притяжение Земли приводит к небольшим лунотрясениям, которые происходят в нескольких километров под поверхностью и образуют небольшие разрывы и трещины. Считается, что Луна имеет расплавленное ядро как у Земли.
• Луна является пятым по величине естественным спутником в Солнечной системе. Она намного меньше, чем главные спутники Сатурна и Юпитера, но при этом она является самым большим спутником относительно планеты, вокруг которой она вращается. Одна из самых популярных теорий утверждает, что Луна была когда-то частью Земли и сформировалась при столкновении с огромным объектом.
• Так называемый «Человек на Луне» — известная оптическая иллюзия, которая видна при взгляде на поверхность Луны с Земли. Это результат контраста между светлыми и темными лунными равнинами.
Иллюзия «Человек на Луне»
• На поверхности Луны более полумиллиона кратеров.
Ускорение свободного падения
Основная статья: Ускорение свободного падения
В неинерциальных системах отсчёта ускорение свободного падения численно равно силе тяжести, воздействующей на объект единичной массы.
Ускорение свободного падения на поверхности Земли g
(обычно произносится как
«Же»
) варьируется от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах[2]. Стандартное («нормальное») значение, принятое при построении систем единиц, составляет
g
= 9,80665 м/с²[3][4]. Стандартное значение (англ.)русск.
g
было определено как «среднее» в каком-то смысле на всей Земле, оно примерно равно ускорению свободного падения на широте 45,5° на уровне моря. В приблизительных расчётах его обычно принимают равным 9,81; 9,8 или 10 м/с².
В СМИ и научно-популярной литературе g
нередко используется как внесистемная единица силы тяжести, применяемая, например, для оценки величины перегрузок при тренировках лётчиков и космонавтов, а также силы тяготения на других небесных телах (см. раздел
Сравнение силы тяготения на Земле с другими небесными телами
).
Получение значения g из закона всемирного тяготения
Согласно закону всемирного тяготения, сила земной гравитации, действующая на тело, определяется формулой
F = G m 1 m 2 r 2 = ( G m 1 r 2 ) m 2 {\displaystyle F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}}=\left(G{\frac {m_{1}}{r^{2}}}\right)m_{2}} ,
где r
— расстояние между центром Земли и телом (см. ниже),
m
1 — масса Земли и
m
2 — масса тела.
Кроме того, согласно второму закону Ньютона, F
=
ma
, где
m
— масса и
a
— ускорение,
F = m 2 g {\displaystyle F=m_{2}g}
Из сопоставления двух формул видно, что
g = G m 1 r 2 {\displaystyle g=G{\frac {m_{1}}{r^{2}}}}
Таким образом, чтобы найти получить значение ускорения силы тяжести g
на уровне моря, необходимо в формулу подставить значения гравитационной постоянной
G
, массы Земли (в килограммах)
m
1 и радиуса Земли (в метрах)
r
:
g = G m 1 r 2 = ( 6.67384 × 10 − 11 ) 5.9722 × 10 24 ( 6.371 × 10 6 ) 2 = 9.8196 m ⋅ s − 2 {\displaystyle g=G{\frac {m_{1}}{r^{2}}}=(6.67384\times 10^{-11}){\frac {5.9722\times 10^{24}}{(6.371\times 10^{6})^{2}}}=9.8196{\mbox{m}}\cdot {\mbox{s}}^{-2}}
Следует отметить, что эта формула правомерна для сферического тела при допущении, что вся его масса сосредоточена в его центре. Это позволяет нам использовать величину радиуса Земли для r
.
Существуют значительные неопределенности значений r
и
m
1, а также значения гравитационной постоянной
G
, которую трудно точно измерить.
Если G
,
g
и
r
известны, то решение обратной задачи позволит получить величину массы Земли.
