Dvojplanéte Zem - Mesiac
Tvar Mesiaca, ktorý sa mení od úzkeho kosáčika až po plný Mesiac, umožnil ľuďom prvé určovanie časových intervalov. Opakovanie týchto fáz po štyroch týždňoch dalo základ kalendárnemu mesiacu. Mesiac bol prvým kozmickým telesom, ktorého vzdialenosť od Zeme bola zmeraná a aj prvým, na ktorom ľudia pristáli. Pohyb Mesiaca po oblohe sa dal merať s veľkou presnosťou, pretože sa dal vztiahnuť na polohy hviezd.
Vzdialenosť Mesiaca od Zeme určil už v 3. Storočí pred Kristom grécky astronóm Hipparchos z veľkosti zemského tieňa na mesiaci. Jeho metóda bola exaktná a výsledok veľmi dobrý: vzdialenosť Mesiaca od nás sa rovná 60 polomerom zeme. Až v 17. Storočí, keď sa začala používať metóda paralaxy (uhol medzi smermi k objektu z dvoch koncov základne známej dĺžky) bol Hipparchov údaj potvrdený a spresnený. V súčasnosti poskytuje výsledky presné na centimetre laserová metóda. Pri známej rýchlosti svetla vychádza pre vzdialenosť Mesiaca od Zeme hodnota 384 405 km (60 polomerov).
Mesiac rotuje okolo svojej osi tak, že k Zemi je obrátený stále tou istou stranou, odvrátená strana mesiaca nie je nikdy vidieť. Táto skutočnosť je výsledkom slapových síl. Je pravdepodobné, že v dávnych dobách sa mesiac otáčal rýchlejšie, bol oveľa bližšie k Zemi a jeho povrch nebol ešte stuhnutý. Na pologuli privrátenej k Zemi vytvorila zemská príťažlivosť vzdutie polotuhej mesačnej látky, ktoré zaostávalo a brzdilo rotáciu. Keď mesačný povrch stuhol, ale jadro Mesiaca zostalo ešte tekuté, trením o stuhnutú povrchovú vrstvu ďalej spomaľovalo rotáciu až na dnešnú hodnotu. Túto hypotézu vyslovil G. H. Darwin, syn známeho anglického prírodovedca Ch. Darwina. Podobný vplyv mal Mesiac na Zem, ale pretože hmota mesiaca je 81-krát menšia ako hmota zeme, bol vplyv oveľa menší. No je isté, že aj dnes majú príliv a odliv vplyv na zemskú rotáciu. So zmenou rýchlosti rotácie sa menil aj tvar Mesiaca.
Z teoretických úvah o spomaľovaní mesačnej rotácie vyplýva, že aj tvar Mesiaca sa musel meniť. Jeho os, ktorá dnes smeruje k Zemi, sa mala zreteľne predĺžiť a Mesiac mal mať tvar elipsoidu s troma osami nerovnako dlhými. Merania však ukazujú, že os smerujúca k Zemi je sotva o 2 km dlhšia ako ostatné osi a mesiac nemá žiadne sploštenie. Svedčí to o tom, že Mesiac po svojom roztopení (ako chladné teleso sa roztopil až následnými dopadmi meteoridov alebo ostatnej zárodočnej hmoty) rýchlo vychladol.
Čas od jedného novu k druhému je synodický mesiac s priemerným trvaním 29,53059 dňa. To je dĺžka jedného dňa na mesiaci, za ten čas sa tam vystrieda deň a noc, 15 dní je tam Slnko nad obzorom, 15 dní je tam trvalá noc. Dĺžka synodického mesiaca značne kolíše (plus mínu cely deň).
Mesiac sa otáča stálou rýchlosťou. Oproti tomu pohyb Mesiaca voči Zeme je rýchlejší alebo pomalší. Tým vzniká jav nazývaný librácia v dĺžke, ktorý umožňuje vidieť trochu za okraj Mesiaca. Obdobne pri librácii v šírke vidíme za severný alebo južný okraj mesačného kotúča.
Obieha Mesiac okolo Zeme? Ak ste odpovedali áno, nemáte pravdu. Mesiac neobieha okolo Zeme, ale okolo Slnka. Protitvrdenie znie: keby Mesiac obiehal okolo Slnka tak ako napr. Venuša, nikdy by nenastal spln, čo je prípad, keď je teleso na opačnej strane od Zeme ako Slnko. Keby obiehal okolo Slnka ako napr. Mars, nikdy by nenastal nov, ku ktorému dochádza iba vtedy, keď je teleso od zeme v rovnakom smere ako Slnko. Čo nás oprávňuj teda k tomuto tvrdeniu, že Mesiac obieha okolo Slnka? Najzákladnejší fyzikálny zákon o všemocnej gravitácii. V systéme dvoch telies je to jednoduché: gravitačné pole hmotnejšieho telesa prinúti menej hmotné, aby obiehalo okolo telesa hmotného. V systéme troch a viacerých telies okrem hmotnosti závisí ešte od vzdialenosti zúčastnených objektov. Výpočet pre trojicu Slnko, Zem, Mesiac ukazuje, že Slnko vplýva na Mesiac dvakrát väčšou silou ako zem, a preto mesiac obieha okolo Slnka, a nie okolo Zeme. Aby obiehal okolo Zeme, musel by byť od Zeme vzdialený nanajvýš 250-tisíc km. V skutočnosti je Mesiac 384-tisíc km ďaleko, a preto jeho pohyb riadi Slnko, a zem vyvoláva iba poruchy jeho pohybu. Označenie Mesiaca ako družice Zeme nie je preto z hľadiska fyziky vhodné, a preto považujeme Mesiac za rovnocenného partnera Zeme a systém Zem – Mesiac nazývame dvojplanétou.
Sústava Zem – Mesiac tvorí uzavretý dynamicky systém, ktorého správanie musí spĺňať niektoré podmienky, a jednou z nich je zachovanie celkového uhlového momentu ich pohybu v priebehu času. Tento moment sa skladá z dvoch častí: z rotačného momentu pohybu oboch zložiek okolo ich vlastných osí a z obežného momentu ich pohybov okolo ich spoločného ťažiska. Tak Zem, ako aj Mesiac sú nedokonale deformovateľné telesá schopné prenášať uhlový moment prostredníctvom slapového pôsobenia. Rotácia Mesiaca okolo vlastnej osi vždy bola a je synchronizovaná s jeho priemernou uhlovou rýchlosťou na obežnej dráhe. Naopak zem dnes ešte stále 27-ktár rýchlejšie rotuje, ako obieha. Slapové účinky vyvolané Mesiacom smerujú k spomaleniu jej rotácie a k prenosu rotačného momentu na obežný moment sústavy Zem – Mesiac. Tento prenos zväčšuje vzdialenosť oboch telies. Slapové trenie spôsobuje spomalenie zemskej rotácie a predĺženie dňa o 1,5 milisekundy za sto rokov. Postupné predlžovanie dĺžky dňa prebiehalo počas geologických dôb v dejinách Zeme a potvrdzujú ho biologické doklady zo životného cyklu morských koralov (súčasné koraly – 365 kruhov, pred 380 miliónmi rokov – 400 kruhov).
V súčasnosti sa Mesiac od Zeme vzďaľuje rýchlosťou 3,2 cm za rok. Skutočnosť, že v rotácii Zeme je aj naďalej značná zásoba uhlového momentu, znamená, že je tu aj zásoba momentu pre mesačné slapy. Ich pomalé pôsobenie bude aj naďalej predlžovať deň a mesiac a tento proces prestane iba vtedy, keď sa dosiahne synchronizácia medzi rotáciou a obežným pohybom nielen Mesiaca, ale aj Zeme. Vzdialenosť Zeme vzrastie na 1,59 násobok dnešnej vzdialenosti. Dĺžka dňa na Zemi i na Mesiaci bude dnešných 55 dní, rotačné osi oboch telies budú kolmé na obežnú dráhu, čo spôsobí koniec striedania ročných období a bude iba striedanie dlhého dňa, počas ktorého slnečné lúče spália všetko živé – ak niečo také bude ešte existovať – s dlhou nocou. Mesiac na oblohe bude o tretinu menší, ale bude ukazovať zemi stále tú istú tvár. Rozpad sústavy Zem – Mesiac nemožno vylúčiť, isté však je, že taký proces by trval dlhšiu dobu, než aká je vyhradená pre život na Zemi.
Mesiac má priemernú hustotu 3340 kg. m –3, zatiaľ čo Zem oveľa väčšiu, asi 5514 kg. m-3. Rýchlosť pohybu Mesiaca okolo Zeme je asi 1 km. s-1. Geometrický prierez Mesiaca je 9,491 . 1012 m2 a Zeme 1,275 . 1014 m2.
VZNIK A VÝVOJ ZEME: pokiaľ bol zárodok planéty malý, po výbuchu supernovy, ktorá bola 1000-krát ťažšia ako Slnko, mal zárodok slabé gravitačné pole a tak bol prírastok polomeru malý, hoci bol naokolo dostatok úlomkov protoplanetárnej hmoty. Postupne však hmotnosť vzrastala, čím silnelo gravitačné pole. Preto v určitej etape polomer planéty rýchle narastal, avšak súčasne sa aj rýchle vyčerpávala zásoba okolitého materiálu, takže v poslednej etape sa rast polomeru spomalil, až sa nakoniec ustálil na známej hodnote. Napriek tomu sa aj dnes dostane do blízkosti gravitačného pôsobenia planéty meteor, ktorý obvykle pochádza z pásma asteroidov. Avšak dopadom menšieho meteoritu alebo kozmického prachu (4000 ton/1 deň) sa polomer planéty praktický nezmení. Čas akrécie Zeme je pomerne krátky v porovnaní s jej vekom 4,5 miliardy rokov. Podľa hornín dovezených expedíciami Apollo a aparatúrami Luna z Mesiaca sa zistilo, že Mesiac je približne rovnako starý ako Zem, takže mesiac oddávna ovplyvňoval procesy na zemi.
V dôsledku častého dopadu veľkého množstva úlomkov sa uvoľňovalo značné množstvo tepla, ktoré udržovalo tvoriacu sa planétu v polotekutom stave, takže v nej mohla rýchlejšie prebiehať diferenciácia materiálu podľa hustoty. Kovy (Fe, Ni) klesali hlbšie, bližšie k stredu Zeme a tak sa zväčšovalo železno-niklové jadro. Nad jadrom zostávali ľahšie kremičitanové horniny a plynné frakcie vytvárali primárnu atmosféru planéty. Povrch Zeme bol vtedy pokrytý veľkým množstvom kráterov a výlevov magmatických hornín. Takto sa polotekutá planéta diferencovala na 4 základné, chemicky odlišné časti: kovové jadro, kamenný plášť zložený z ťažkých kremičitanových hornín, kamennú kôru zloženú z ľahších hornín a na plynnú atmosféru. Pre atmosféru sú charakteristické atmofilné prvky (interné plyny, N a H). Kyslík sem nepatrí, pretože tvorí 50% hmotnosti litosféry a až 90% jej objemu. Litofilné prvky sa ľahko zlučujú s O2 a tvoria minerály hornín kamenného obalu (Li, Be, B, C, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, Cl, K, Ca, Sc, Ti, Cr, Mn, Ra, Ac, Th, Pa, U). Chalkofilné prvky sa ľahko zlučujú so sírou, selénom a telúrom (S, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po) a nezodpovedá im žiadna vrstva. Siderofilné prvky sú pomenované podľa meteorického železa (Fe, Co, Ni, Mo, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt). Dôležitým obalom Zeme je hydrosféra, ktorú dnes vytvára predovšetkým svetový oceán, ktorý by mohol pokryť celý povrch Zeme 3 km vrstvou vody. Pri vzniku Zeme existovala voda iba viazaná v horninách. Teplom sa z nich uvoľňovala v podobe pary a iba neskôr kondenzovala.
Povrch Zeme možno rozdeliť na kontinenty a oceány. Kontinenty pokrývajú 29% povrchu našej planéty, ich priemerná nadmorská výška je 850 m. Oceány a moria tvoria zvyšných až 71%.
Zem ako planéta vykonáva dosť komplikovaný pohyb, ktorý možno rozdeliť na tri hlavné zložky: rotáciu, obiehanie a presúvanie (transláciu). Pod rotáciou rozumieme otáčanie Zeme okolo vlastnej osi raz za deň, obiehanie je planetárny pohyb po dráhe okolo Slnka raz za rok a translácia Zeme je prejavom obiehavého pohybu celej slnečnej sústavy okolo stredu Galaxie rýchlosťou asi 250 km/s, takže jeden obeh trvá približne 200 miliónov rokov. Rotácia Zeme spôsobuje striedanie dňa a noci, vplýva na cirkuláciu atmosféry, pohyby oceánskych vôd a na ďalšie javy.
Dôsledkom obežného pohybu Zeme okolo Slnka je striedanie ročných období s vplyvmi na živé organizmy a atmosferickú cirkuláciu. Translačný pohyb okolo stredu galaxie s periódou 200 miliónov rokov má vplyv na geologické cykly. (obr.1) Obežný pohyb Zeme prebieha po eliptickej dráhe, v ohnisku ktorej sa nachádza Slnko. Dĺžka hlavnej polosi je 149,6 milióna km, excentricita e = 0,017, takže ide takmer o kruhovú dráhu. Dôsledkom II. Keplerovho zákona (Za rovnaký čas opíše heliocentrický sprievodič určitej planéty rovnakú plochu) je, že planéta sa pohybuje rýchlejšie na úseku eliptickej dráhy bližšom k Slnku (perihéliu) a pomalšie na úseku vzdialenejšom od Slnka (aféliu).
Rovina eliptickej dráhy Zeme sa nazýva ekliptika. Na tejto ekliptike sú významné body: perihélium a tzv. jarný bod, v ktorom sa Zem nachádza v čase jarnej rovnodennosti. Najbližšie k Slnku (v perihéliu) sa zem nachádza v čase zimného slnovratu, a to vo vzdialenosti 147,1 mil. km, najďalej (v aféliu) sa nachádza v čase letného slnovratu, vo vzdialenosti 152,1 mil. km. Priemerná rýchlosť pohybu Zeme po tejto orbite je 29,77 km. s-1. Rotačná os Zeme je sklonená voči kolmici na ekliptiku o uhol 23°27´, čo má význam pre ožarovanie zeme slnečnými lúčmi, ako aj na pohyb rotačnej osi Zeme vzhľadom na kolmicu k ekliptike.
Rotácia je ďalším dôležitým pohybom, ktorý naša planéta neustále vykonáva. Najznámejším dôsledkom zemskej rotácie je zdanlivý pohyb slnečného kotúča a iných nebeských telies po oblohe, striedanie dňa a noci. Rotácia Zeme nám umožňuje dva spôsoby merania času: hviezdny a slnečný, podľa toho, či rotačnú periódu Zeme meriame podľa kulminácií zvolenej hviezdy alebo Slnka.
Záujem o zemský magnetizmus vzrástol, keď Kolumbus na ceste do nového sveta zistil, že magnetická strelka sa odchyľuje od skutočného smeru na sever a tieto odchýlky sú na rôznych miestach Zeme odlišné. Tým vlastne objavil magnetickú deklináciu, jeden z tzv. elementov geomagnetického poľa Zeme. Uhol vychýlenia charakterizujeme magnetickou inklináciou. Prvou a bezpochyby úspešnou snahou o teoretické vysvetlenie príčin zemského magnetizmu bola Gilbertova kniha O magnete, magnetických telesách a o veľkom magnete – Zemi. Podľa jeho predstáv je zem veľký magnet a zdroje zemského magnetizmu sa nachádzajú v zemskom vnútri. Postupne pribúdali ďalšie poznatky o o zemskom magnetizme: odlišná poloha geomagnetických a geografických pólov, putovanie pólov a tiež väčšia intenzita GMP v blízkosti južného pólu. Posledný fakt svedčí o tom, že geomagnetická os neprechádza stredom Zeme.
Najnovšie poznatky ukazujú, že od stredu zeme ju v súčasnosti delí vzdialenosť 451 km, ale tá nie je konštantná a mení sa. Magnetické pole Zeme sa delí na tri elementy (horizontálna a vertikálna zložka a deklinácia) a je veľmi slabé. Priemerné hodnoty horizontálnej a vertikálnej zložky a deklinácie sú: H = 20 996 nT (tesla), Z = 42 772 nT a D = 1°09,48´E. Os ekvivalentného magnetického dipólu zviera so zemskou rotačnou osou uhol 11° a pretína zemský povrch v dvoch bodoch. Sú to geomagnetické póly, ktoré sa nachádzajú v blízkosti geografických pólov. Lokálne a regionálne anomálie GMP sú spoľahlivou informáciou o ložiskách nerastných surovín. Vonkajšie magnetické pole nedosahuje ani 1% veľkosti vnútorného poľa. Okrem skúmania priestorového rozloženia magnetického poľa Zeme je nemenej závažné aj sledovanie a pochopenie jeho časových zmien.
Dlhodobé zmeny poľa sú pomalé, je pre ne charakteristická periodicita až niekoľko desiatok rokov na rozdiel od rýchlych variácií GMP, ktoré sú zreteľné a na magnetogramoch – sekulárne variácie. Variácie a samotné vnútorné magntické pole Zeme, sú spôsobené zdrojmi lokalizovanými v zemskom vnútri. Týmito zdrojmi sa vytvára tzv. hlavné magnetické pole. Zemský magnetizmus predstavuje zložitý komplex rozličných javov a procesov, ktorých štúdium otvára cestu poznania nielen zemského vnútra, ale aj blízkého a vzdialenejšieho okolozemského priestoru. Hoci je magnetické pole Zeme slabé (70 000 nT na póloch a 35 000 nT na rovníku), na vytvorenie takéhoto poľa by permanentný magnet, vo forme valca pri polomere 200 km, musel byť dlhý 4000 km.
ATMOSFÉRA: Vzdušný obal tvorí plyn, ktorý sa spolu so zemou pohybuje po obežnej dráhe okolo Slnka. Je pomerne rovnorodý a sférický v menších výškach; vo väčších výškach sa zvyšuje nerovnorodosť zloženia aj odchýlky od sférického tvaru. Tlakom slnečného vetra sa vonkajšie vrstvy atmosféry formujú do pretiahnutého tvaru smerom od Slnka a siahajú do vzdialenosti 20 – 40 polomerov. So vzrastajúcou výškou nad zemou klesá atmosférický tlak a možno rozlíšiť niekoľko atmosférických vrstiev s charakteristicky dynamickými vlastnosťami a odlišným zložením. Do výšky 10 – 12 km siaha troposféra, do 50 km stratosféra, do 80 km mezosféra, do 500 km ionosféra (termosféra), do 1000 km exosféra a do výšky 5000 km a vyššie magnetosféra. Úzke rozhranie medzi sférami sa nazýva pauza. Rozhrania vyšších vrstiev nie sú ostré. Hmotnosť celej atmosféry Zeme je 5,29 . 1018 kg. jej hustota exponenciálne klesá s výškou, preto podstatnú časť atmosféry tvorí troposféra, na ktorú sa zväčša vzťahujú aj údaje o chemickom zložení vzduchu. Teplota atmosféry v troposére plynulo klesá s výškou. Vo výške asi 10 km dosahuje – 55°C, potom vo výške 50 km stúpa až po 0 °C, opätovne minimum – 90 °C dosahuje vo výške 80 km. Vo výške 140 km dosahuje už hodnotu okolo 700 K. Meraním sa zistila teplota až 1500 K.
|
