Физика природной среды 1. Земля и космос

Физика природной среды
1. Земля и космос
Содержание
1.1. Галактика и космические поля.
Галактика. Солнечная орбита. Магнитные поля Галактики.
1.2. Солнце и Солнечная система
Солнце. Планеты Солнечной системы.
1.3. Основные параметры и ротационный
режим системы Земля – Луна
Земля. Ротационный режим Земли. Луна и приливы на Земле.
Приливы и изменения угловой скорости вращения Земли.
2
Скопление галактик CL 0939
3
Типы галактик
• Эллиптические (М87)
• Спиральные (М51)
• Неправильные (М82)
4
М87
Галактика: М87
Тип: эллиптическая
Созвездие: Дева
Дистанция: 60 M св.г.
Угловой размер: 7’
5
М51
Галактика: М51
Тип: спиральная
Созвездие: Гончие Псы
Дистанция: 37 M св.г.
Угловой размер: 11’×7’
6
М82
Галактика: М82
Тип: неправильная
Созвездие: Большая
Медведица
Дистанция: 12 M св.г.
Угловой размер: 9’×4’
7
Местная группа галактик
№ Галактика
Созвездие
Дистанция
Размер
1
Млечный Путь
Стрелец*
28 k св. г.**
100 k св. г.
2
Андромеда М31
Андромеда
2,9 М св. г.
3°×1°
3
Большое Магелланово
Облако
Золотая
рыба
179 k св. г.
10°
4
Малое Магелланово
Облако
Тукан
210 k св. г.
4,5°×2,5°
3
2
4
*Расположение
центра
Галактики
**Расстояние от
Солнца до
центра
Галактики
8
Столкновение Андромеды и
Млечного Пути
9
Строение Нашей Галактики
• Из расчетов следует, что общее число звезд в нашей
Галактике достигает 100 млрд., одной из которых
является Солнце.
• Установлено, что в районе Солнца каждая вторая звезда
является двойной.
• Имеются системы из трех, четырех и более звезд.
• В Галактике обнаружены и более сложные звездные
системы – рассеянные и шаровые скопления, состоящие
из совокупности звезд от нескольких десятков до
нескольких тысяч.
• Около 100 миллиардов звезд Галактики составляют 98
% ее массы.
• Остальные 2 % вещества находятся в распыленном
состоянии в виде газа и межзвездной пыли.
10
Схема распределения звезд и шаровых
скоплений Галактики
Проекции: а – «сбоку», б — «сверху». Подсистемы Галактики: I –
сферическая (гало); III – промежуточная сферическая; III – диск; IV – старая
плоская; V – молодая плоская; Я – ядро. Кружочки соответствуют шаровым
скоплениям. Положение Солнца отмечено крестиком
11
Размер Галктики
• Расстояние от Солнца до ее центра R0 = 8,5
кпк.
• Круговая скорость вращения V0 на расстоянии
R0 равна 25 км/(с∙кпк).
• Галактический год равен 250 млн. лет
12
Галактика Млечный Путь
13
Галактический центр
• Галактический центр — сравнительно небольшая область в центре
нашей Галактики, радиус которой составляет около 1000 парсек и
свойства которой резко отличаются от свойств других её частей.
• Галактический центр находится на расстоянии 8,5 кпк от нашей
Солнечной системы, в направлении созвездия Стрельца.
• В галактической плоскости сосредоточено большое количество
межзвёздной пыли, благодаря которой свет, идущий от
галактического центра, ослабляется в 1012 раз. Поэтому центр
невидим в оптическом диапазоне.
• Галактический центр наблюдается в радиодиапазоне, а также в
диапазонах инфракрасных, рентгеновских и гамма-лучей.
• По всей видимости, в самом центре ядра Галактики находится
сверхмассивная чёрная дыра массой около 3,7 миллионов масс
Солнца, что показано исследованием орбит близлежащих звёзд
14
Орбиты звёзд, ближайших к Sgr A*
15
Объект Стрелец А*
16
Крабовидная туманность
Галактика :М1
Тип: остаток сверхновой
Дата рождения: 4.7.1054
Созвездие: Телец
Дистанция: 6 k св. г.
Угловой размер: 6’×4’
17
Магнитные поля Галактики
• В Галактике имеется магнитное поле, силовые
линии которого параллельны плоскости Млечного
Пути и направлены вдоль ее спиральных ветвей.
• Индукция магнитного поля в межзвездном
пространстве неодинаковая. Она характеризуется
средним значением порядка 1 нТл.
• Верхний предел индукции магнитного поля в
районах созвездий Кассиопеи, Тельца и Стрельца
1...4 нТл, в Крабовидной туманности ~ 50 нТл.
18
Солнечная орбита
• Наряду с движением Солнца вокруг центральных масс Галактики по
орбите, близкой к эллиптической, плоскость этой орбиты вращается
вокруг центра Галактики в направлении, обратном направлению
движения Солнца.
• Это обратное смещение за время между двумя последовательными
прохождениями Солнца через перигалактий (наименьшее
расстояние от центра Галактики до Солнца) или апогалактий
достигает 61°. Аномалистический период равен 176 млн. лет.
• Момент последнего прохождения Солнца через апогалактий был 76
млн. лет тому назад.
• Расстояние от центра Галактики в перигалактии R1 = 7,12 кпк, а в
апогалактий R2 = 8,59 кпк, расстояние в настоящее время – 7,2 кпк.
• Линейная скорость в перигалактии 250 км/с, в апогалактий – 207
км/с.
19
Солнце
20
Солнце
• Солнце – одна из звезд Галактики, вокруг которой вращаются девять
планет, включая Землю.
• Среднее расстояние от Земли до Солнца, составляющее 149,6 млн.
км, часто принимают в качестве астрономической единицы (а.е.) для
измерения расстояний в космосе.
• Радиус Солнца составляет 696 тыс. км или 109 радиусов Земли,
масса – 1,99 ∙1033 г или 332 тыс. масс Земли, средняя плотность –
1,41 г/см3 или 0,256 средней плотности Земли.
• Сила гравитации на поверхности Солнца в 28 раз больше силы
гравитации на поверхности Земли.
• Солнце – это огромный раскаленный газовый шар, вращающийся в
том же направлении, что и Земля. Вращение Солнца неравномерно –
на экваторе значительно быстрее, чем у полюсов. Период вращения
Солнца у экватора составляет около 25 сут., у полюсов – 33 сут.
21
Пятна на Солнце
22
Пятна на Солнце
• Одной из особенностей Солнца является наличие
на его поверхности пятен. Солнечные пятна
представляют собой выход мощных «жгутов» –
трубок магнитных силовых линий.
Напряженность магнитного поля в крупных
пятнах достигает 240 кА/м.
• В образовании и размещении пятен на Солнце
наблюдается 11-летний цикл, по истечении
которого полярность пятен в разных полушариях
меняется на обратную. Полный цикл
пятнообразования на Солнце составляет 22 года.
23
Вспышка на Солнце
24
Вспышки на Солнце
• Наблюдаемое излучение Солнца возникает в относительно тонком
(порядка 700 км) внешнем слое, называемом фотосферой. Его
эффективная температура порядка 6000 К. Температура внутри
Солнца превышает 10 млн. К.
• Солнечную радиацию в целом условно можно разделить на два типа:
электромагнитные волны и заряженные частицы.
– Электромагнитные волны представляют собой ультрафиолетовые лучи,
видимый свет и радиоволны.
– Заряженные частицы образуют так называемый солнечный ветер,
скорость которого вблизи Земли достигает 400 км/с при концентрации
частиц 1...10 протонов/см3. Потоки плазмы солнечного ветра увлекают
за собой в межпланетное пространство и солнечные магнитные поля.
Индукция этих полей вблизи орбиты Земли составляет около 5 нТл.
• Общее количество энергии, излучаемой Солнцем в 1 с, составляет
3,86∙1021 Дж. Надолю Земли приходится одна двухмиллионная ее
часть. Тем не менее, за год Земля получает 6,1∙1024 Дж, а за
галактический год – 1,22∙1033 Дж. Этой энергии вполне хватает для
обеспечения протекания любых тектонических явлений на Земле.
25
Солнечная ситема
26
Основные параметры планет
Солнечной системы
Параметр
Меркурий
Венера
Земля
Марс
Юпитер
Сатурн
Уран
Нептун
Плутон
57,9
108,2
149,6
227,9
778,3
1427
2870
4497
5900
Период обращения, сут.
88
224,7
365,26
687,0
4,33.103
10,76.103
30,68.103
60,19.103
91,0.103
Период вращения, сут.
58,6
243 (обр.)
1
1,026
0,410
0,426
0,448 (обр.)
0,658
6,4
Угол наклона оси
28°
3°
23°27'
23°59'
3°05'
26°44'
82°5'
28°48'
–
Угол наклона орбиты к
эклиптике
7°0'
3°24'
0°
1°51'
1°18'
2°29'
0°46'
1°46'
17°08'
Средний радиус,
тыс. км
2,439
6,05
6,371
3,39
69,72
57,9
24,54
25,0
1,8
Масса, ед. массы Земли
0,055
0,815
1
0,108
317,9
95,2
14,6
17,2
0,1
Объем, ед. объема Земли
0,06
0,88
1
0,15
1316
755
67
57
0,1
Средняя плотность, г/см3
5,4
5,2
5,52
3,9
1,3
0,7
1,2
1,7
–
0
0
0,003
0,009
0,06
0,1
0,06
0,02
–
0,37
0,88
1
0,38
2,64
1,15
1,17
1,17
–
Среднее расстояние от Солнца,
млн км
Сжатие, отн. ед.
Сила тяжести, ед. с.т. на Земле
27
Меркурий
28
Венера
29
Земля
30
Марс
31
Юпитер
Ганимед
Ио
32
Сатурн
33
Уран
34
Нептун
35
Сравнение астрономических
объектов
36
К определению формы Земли
1 – земной эллипсоид; 2 –
геоид,  – превышения
геоида над эллипсоидом
Экваториальный радиус
земного эллипсоида
a1 = 6,378160 . 103 км,
полярный радиус
а3 = 6,356778 . 103 км,
Сжатие земного
эллипсоида  = (а1 –
а3) / а1 = (298,247)-1.
37
Геоид
• В качестве следующего приближения к реальной форме Земли
принимают геоид. Геоид представляет собой одну из уровенных
поверхностей гравитационного потенциала Земли, совпадающую с
невозмущенной поверхностью морей и океанов, продолженную под
континенты. Эта поверхность наиболее близко совпадает с земным
эллипсоидом, отклоняясь от него не более чем на 120 м. В
геодезической практике геоид используется для восстановления
истинной поверхности Земли.
• Геоид обычно характеризуется отклонениями от земного эллипсоида
(референц-эллипсоида). Их можно определить несколькими
способами: 1) по аномалиям гравитационного поля; 2) путем
изучения особенностей траекторий движения искусственных
спутников Земли; 3) на морях и океанах путем прямого измерения
расстояний с помощью лазерного альтиметра, установленного на
искусственном спутнике Земли, орбита которого известна. На слайде
ниже приведена схема одной из карт высот геоида, полученная
вторым способом.
38
Схема геоида, соответствующего
модели GEM-10C
Высоты геоида в метрах
39
Параметра ротационного режима
Земли
1. Прецессия
2. Нутация земной оси вращения
3. Изменение положения оси вращения
(полюсов) по отношению к земной
поверхности
4. Изменение угловой скорости вращения Земли
40
Ротационный режим Земли
• Вследствие сжатия фигуры Земли и притяжения
Солнца и Луны земная ось с периодом около 26
тыс. лет описывает конус, угол полураствора
которого равен 23°,5. Это явление называют
прецессией земной оси.
• На равномерное прецессионное движение оси
вращения Земли накладываются небольшие ее
колебания относительно среднего положения,
именуемые нутацией. Нутация земной оси
складывается из движений с различными
периодами, максимальный из них равен 18,6 года.
Максимальное отклонение земной оси от среднего положения достигает 9",21.
41
Прецессионно-нутационное
движение оси вращения Земли
42
Ротационный режим Земли
• Тщательными астрономическими наблюдениями
установлено, что положение оси вращения (полюсов)
по отношению к поверхности Земли не остается
неизменным. Ежегодно полюсы описывают вокруг
некоторых центров эллиптические, близкие к круговым,
траектории с близгодовым периодом (1,0 и 1,2 года) и
средним радиусом порядка 0",2.
• На слайде ниже приведена траектория Северного
полюса вращения за три года и кривая перемещения
годовых центров Северного полюса за 66 лет,
полученных путем скользящего осреднения по 6летним интервалам. Эта кривая свидетельствует о
наличии региональной составляющей перемещения
полюсов по поверхности Земли со средней скоростью
порядка 10 см/год.
43
Астрономические данные о
перемещении полюсов
а – траектория Северного географического полюса с 1950 по 1953 г.;
б – траектория годовых центров Северного полюса с 1900 по 1966 г.
44
Неравномерность вращения Земли
•
Отклонение угловой скорости от среднего значения слагается из
следующих компонентов:
1) вековые вариации;
2) нерегулярные изменения;
3) периодические колебания, которые условно можно разделить на долгопериодные
(периоды больше года), сезонные и короткопериодные.
• Вековые вариации угловой скорости вращения Земли устанавливаются
астрономическими методами путем периодического изучения координат
Солнца, Луны и планет, а в последнее время – с помощью
палеонтологического метода. В частности, относительное увеличение
продолжительности суток за 1 млн. лет, полученное по астрономическим
данным – 2,155 ± 0,214, а по данным палеонтологии – 2,150 ± 0,097.
• На слайде ниже приведены графики изменения угловой скорости вращения
Земли в течение фанерозоя, выраженной количеством суток в
астрономическом году.
• Они свидетельствуют о систематическом замедлении вращения нашей
планеты. Однако это замедление происходит не линейно, а нарушается
периодическими и нерегулярными колебаниями угловой скорости
45
Графики изменения угловой скорости
вращения Земли
а – графики изменения
числа дней в году,
установленные
палеонтологическими
методами (1 – по
замерам
астрономического
года, 2 – по замерам
синодического
месяца); б – график
изменения
продолжительности
суток с 1825 по 1950
гг.; в – изменение
среднегодовой
продолжительности
суток с 1900 по 1966
гг.; г – вид кривых
колебания
продолжительности
суток в течение года
46
Луна и приливы на Земле
• Параметры Луны: масса – 7,35∙1025 г, средний радиус –
1,738 тыс. км, средняя плотность – 3,34 г/см3, период
вращения (сидерический месяц) – 27,321661 сут. Луна
обращается вокруг Земли по эллиптической орбите,
большая полуось которой равна 384,4 тыс. км, а малая
– на 21 тыс. км меньше.
• Плоскость орбиты Луны наклонена к эклиптике на угол
5°,9. Характерной особенностью орбиты Луны является
непрерывное изменение ее основных характеристик
(полуосей эллипса и угла наклона плоскости лунной
орбиты к эклиптике), происходящее под действием
возмущений, обусловленных притяжением Солнца и
других планет, а также отклонениями форм Земли и
Луны от сферической. Все это приводит к изменениям
условий взаимодействия Земли и Луны.
47
Луна и приливы на Земле
•
•
•
•
•
Под влиянием лунного притяжения в Земле возникают своеобразные
приливы, проявляющиеся в виде подъемов и сопутствующих им опускании
земной поверхности на материках или водной поверхности в акваториях
морей и океанов, волнообразно перемещающихся по поверхности Земли
вслед за движением Луны.
Сложность траектории Луны обусловливает также сложный характер
приливных движений в земной коре. Под влиянием лунного притяжения
уровневая поверхность Земли (геоид) могла бы подняться максимум на 35,6
см, а опуститься – максимум на 17,8 см, т.е. диапазон колебаний мог бы
составить 53,4 см.
На лунные приливные деформации геоида накладываются аналогичные
солнечные, диапазон изменения которых несколько меньше. Он составляет
24,6 см.
Следовательно, суммарное лунно-солнечное влияние может привести к
максимальным колебаниям геоида в 78 см.
Реальные изменения геоида, в связи с реологическими свойствами верхних
оболочек Земли, составляют всего 65 % от приведенной выше величины,
т.е. ~ 51 см.
48
Схема образования приливов в Земле (а) и их
роль в изменении угловой скорости вращения
Земли (б)
з – угловая скорость вращения Земли; л— угловая скорость обращения Луны вокруг Земли; F1 и F2 –
силы взаимодействия приливных волн с Луной, разность которых создает момент, приводящий к
изменению угловой скорости вращения Земли; 1 – изменение угловой скорости вращения Земли; 2 –
изменение ускорения движения Солнца вокруг центра Галактики и; А – апогалактий; П –
перигалактий; О – современная эпоха
49
Приливы и изменения угловой
скорости вращения Земли
•
•
•
•
•
Первое относительное изменение скорости обращения Луны должно происходить
по тем же причинам, по которым изменяется круговая скорость обращения Земли,
т.е. в результате уменьшения скорости поступательного движения системы Земля –
Луна за время перемещения от апогалактия к перигалактию, как и ее увеличение
при движении Солнечной системы в обратном направлении.
Второе относительное изменение скорости обращения Луны должно происходить в
том же масштабе в результате увеличения круговой скорости движения Земли
(также и бариентра).
Таким образом, при прохождении Солнечной системы через апогалактий
орбитальная круговая скорость Луны должна быть максимальной, а при
прохождении через перигалактий – минимальной.
В связи с определенными реологическими свойствами верхних оболочек Земли
экстремумы главных приливных волн оказываются смещенными от оси Земля –
Луна. Направление этого смещения определяется соотношением угловых скоростей
вращеия Земли и обращения Луны вокруг барицентра Земля – Луна.
При смещении экстремумов приливных волн от линии Земля – Луна в направлении
вращения Земли под действием лунного притяжения образуется пара сил,
тормозящая вращение Земли, а при смещении в обратном направлении возникает
момент сил, ускоряющий вращение Земли
50