Форма, размеры и орбита Земли. Сравнение ее с другими планетами солнечной системы

В течение последних 20-25 лет мы узнали о Земле больше, чем за предыдущие столетия. Новые данные были получены в результате применения геофизических методов, сверхглубокого бурения, космических аппаратов, с помощью которых изучалась не только Земля, но и другие планеты Солнечной системы. Планеты Солнечной системы делятся на две группы - планеты типа Земля и планеты-гиганты типа Юпитер. Планеты земной группы - это Земля, Марс, Венера, Меркурий. Часто к этой группе относят и Плутон, исходя из его небольших размеров. Эти планеты характеризуются относительно некрупными размерами, высокой плотностью, значительной скоростью вращения вокруг оси, небольшой массой. Они сходны между собой как по химическому составу, так и по внутреннему строению. К планетам-гигантам относятся наиболее удаленные от Солнца планеты - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Их размеры во много раз превосходят размеры планет земной группы, а плотность значительно ниже (табл. 1). Среди планет Солнечной системы по удаленности от Солнца Земля занимает третье место (рис. 1). Она отстоит от него на расстоянии (среднее) 149⋅10⁶ км. Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, удаляясь в течение года максимально (в афелии) на расстояние 152,1⋅10⁶ км и приближаясь (в перигелии) на 147,1⋅10⁶ км.

Таблица 1. Планеты Солнечной системы

Рис. 1. Планеты земной группы Солнечной системы и их спутники

Вопросы определения формы и размера Земли неразрывно связаны друг с другом и решались учеными параллельно. Известно, что еще в 530 г. до н. э. Пифагор пришел к выводу о шарообразности Земли, а со времени Птолемея это представление сделалось широко распространенным. В 1669-1676 гг. французский ученый Пикар измерил дугу Парижского меридиана и определил величину радиуса Земли - 6372 км. В действительности форма Земли отличается большей сложностью и не соответствует ни одной правильной геометрической фигуре. Она определяется размерами планеты, скоростью вращения, плотностью и многими другими факторами. Приняты следующие постоянные величины Земли: радиус полярный - 6356,863 км, радиус экваторный - 6378,245 км, средний радиус Земли 6371,11 км. Средняя величина дуги в 1° по меридиану принята равной 111 км. Исходя из этого, ученые считают, что площадь поверхности Земли равна 510 млн. км², ее объем- 1,083⋅10¹² км³, а масса - 6⋅10²⁷ г. Из геометрических фигур Земля близка к двухосному эллипсоиду вращения, получившему название эллипсоида Красовского (по имени, советского геодезиста профессора Ф. Н. Красовского). Но реальная форма Земли отличается от какой-либо геометрической фигуры, ведь лишь неровности рельефа на Земле имеют амплитуду около 20 км (высочайшие горы - 8-9 км, глубоководные впадины - 10-11 км). Несколько ближе к геометрически сложной фигуре Земли состоит геоид. За поверхность геоида принимается поверхность океана, мысленно продолженная под материки таким образом, что в любой ее точке направление силы тяжести (отвесная линия) будет перпендикулярна к этой поверхности. Наибольшее совпадение фигуры Земли с геоидом мы имеем в океане. Правда, последние измерения показали, что и на акватории имеются отклонения до 20 м (на суше отклонения достигают ±100-150 м).

Как правило, изучая положение Земли среди других планет Солнечной системы и ее строение, планету рассматривают совместно с Луной и систему Земля-Луна называют двойной планетой, из-за относительно большой массы Луны.

Луна - единственный естественный спутник Земли, движется вокруг нашей планеты по эллиптической орбите на расстоянии в среднем 384⋅10³ км. Она гораздо ближе к Земле, чем другие небесные тела, поэтому первые шаги сравнительной планетологии относятся к изучению Луны. В течение последних лет благодаря успехам космических исследований накоплен значительный материал о ее рельефе и строении. Советские автоматические станции и американские астронавты доставили на Землю лунный грунт. Мы имеем детальные фотоснимки как видимой, так и невидимой стороны Луны, на основе которых составлена ее тектоническая карта. На поверхности Луны выделяются относительно пониженные участки, так называемые "моря", заполненные магматическими породами типа базальтов. Широко развиты зоны горного ("континентального") рельефа, который особенно преобладает на обратной стороне Луны. Основные черты ее поверхности созданы магматическими процессами. Рельеф Луны испещрен кратерами, причем многие из них возникли в результате падения метеоритов. В целом для лика Луны характерна асимметрия в расположении "морей" и "континентов", которая наблюдается и на Земле. На рельеф Луны воздействуют метеориты, колебания температуры в течение лунных суток, космическое излучение. Сейсмические данные показали, что Луна имеет слоистое строение. В нем выделяется кора мощностью 50-60 км, ниже ее до глубин 1000 км располагается мантия. Возраст лунных пород составляет 4,5⋅10⁹ лет, что позволяет считать ее ровесником нашей планеты. В составе лунного грунта преобладают минералы: пироксены, плагиоклазы, оливин, ильменит, а для "суши" характерны породы типа анортозитов. Все эти компоненты встречаются на Земле. Диаметр Луны - 3476 км, ее масса в 81 раз меньше массы Земли. В недpax Луны нет тяжелых элементов - ее средняя плотность равна 3,34 г/см³, ускорение силы тяжести в 6 раз меньше, чем на Земле. На Луне отсутствуют гидросфера и атмосфера.

Познакомившись с Луной, мы переходим к рассказу о Меркурии. Это ближайшая к Солнцу планета, имеющая сильно вытянутую эллиптическую орбиту. Диаметр Меркурия в 2,6 раза меньше земного, в 1,4 раза больше лунного и составляет 4880 км. Плотность планеты - 5,44 г/см³ - близка к плотности Земли. Меркурий вращается вокруг своей оси за 58,65 земных суток со скоростью на экваторе 12 км в час, а период вращения вокруг Солнца составляет 88 наших суток. Температура на поверхности планеты достигает +415°С на освещенных Солнцем участках и опускается до -123°С на теневой стороне. Благодаря высокой скорости вращения Меркурий обладает крайне разряженной атмосферой. Планета - яркое светило, но увидеть его на небе не так просто. Дело в том, что, находясь вблизи Солнца,

Рис. 2. Фотографии планет земной группы и их спутников, полученные с межпланетных автоматических станций типа 'Зонд', 'Маринер', 'Венера', 'Вояджер': 1 - Земли; 2 - Деймос; 3 - Фобос; 4 - Меркурий; 5 - Марс; 6 - Венера; 7 - Луна

Меркурий всегда виден недалеко от солнечного диска. Всего 6-7 лет назад о поверхности Меркурия знали очень мало, так как телескопические наблюдения с Земли давали возможность различать на ней лишь отдельные кольцевые объекты диаметром до 300 км. Новые данные о поверхности Меркурия были получены с помощью американской космической станции "Маринер-10", которая пролетала вблизи Меркурия и передала на Землю телевизионное изображение планеты. Станция сфотографировала более половины поверхности планеты. На основании этих снимков в СССР была составлена геологическая карта Меркурия. Она показывает распределение структурных образований, их относительный возраст и дает возможность восстановить последовательность развития рельефа Меркурия. Изучая снимки поверхности этой планеты, можно найти аналогию в строении Луны и Меркурия. Наиболее многочисленные формы рельефа Меркурия - кратеры, цирки, крупные оваловидные депрессии, "заливы" и "моря". Например, "море" Жары имеет диаметр 1300 км. У кольцевых структур с диаметром свыше 130 км хорошо видно строение внутренних склонов и днища. Некоторые из них затоплены более молодыми вулканическими лавовыми потоками. Кроме кольцевых структур метеоритного происхождения, на Меркурии обнаружены вулканы. Крупнейший из них - Мауна Лоа - имеет диаметр основания 110 км, а диаметр вершинной кальдеры 60 км. На Меркурии развиты системы глубинных разломов - трещины. В рельефе они часто выражены уступами, протягивающимися на десятки и сотни километров. Высота уступов - от нескольких метров до трех километров. Они, как правило, имеют изогнутую и извилистую форму, напоминая земные надвиги. Известно, что надвиги возникают в условиях сжатия, поэтому вполне возможно, что Меркурий находится в условиях сильного сжатия. Вероятно, определенную роль в направлении этих уступов играют сжимающие силы. Подобные геодинамические условия существовали в прошлом и на Земле.

Вторая по порядку от Солнца планета - Венера, находящаяся от него на расстоянии 108,2⋅10⁶ км. Орбита почти круговая, радиус планеты 6050 км, средняя плотность 5,24 г/см³. В противоположность Меркурию найти ее очень легко. По силе блеска Венера - третье светило неба, если первым считать Солнце, а вторым - Луну. Это самое близкое к нам крупное небесное тело после Луны. Поэтому, казалось бы, мы должны подробно знать строение поверхности планеты. На самом деле это не так. Плотная атмосфера Венеры толщиной около 100 км скрывает от нас ее поверхность, поэтому она недоступна для непосредственного наблюдения. Что же находится под этим облачным покровом? Эти вопросы всегда интересовали ученых. За последнее десятилетие ученые получили ответ на многие из вопросов. Исследования поверхности Венеры проводились двумя путями - с помощью спускаемых аппаратов на поверхность планеты и с помощью радиолокационных методов (с искусственных спутников Венеры и с помощью наземных радиотелескопов). 22 и 25 октября спускаемые аппараты АМС "Венера-9" и "Венера-10" впервые передали панорамные изображения поверхности Венеры. АМС "Венера-9, 10" стали искусственными спутниками Венеры. Радиолокационное картографирование проводилось американским космическим аппаратом "Пионер - Венера". Оказалось, что строение Венеры примерно такое же, как строение Луны, Марса. На Венере были обнаружены аналогичные кольцевые структуры и трещины. Рельеф сильно расчленен, что указывает на активность процессов, породы близки к базальтам. Венера практически не обладает магнитным полем, оно в 3000 раз слабее земного.

Ближайший сосед Земли со стороны, противоположной к Солнцу,- Марс. Он легко может быть найден на небе благодаря своему красному цвету. Марс расположен на расстоянии от Солнца в 206,7⋅10⁶ км в перигее и 227,9⋅10⁶ км в апогее, имеет вытянутую орбиту. Расстояние от Земли до Марса сильно меняется от 400⋅10⁶ км до 101,2⋅10⁶ км во время великих противостояний. Свой путь вокруг Солнца Марс проходит за 687 дней, а его сутки длятся 24 ч 33 мин 22 с. Ось планеты наклонена к плоскости орбиты на 23,5°, поэтому, как и на Земле, на Марсе есть климатическая зональность. Марс в два раза меньше Земли, его радиус по экватору составляет 3394 км, полярный радиус меньше на 30-50 км. Плотность планеты равна 3,99 г/см³, сила тяжести в 2,5 раза меньше, чем на Земле. Климат холоднее земного: температура почти всегда ниже 0°, за исключением экваториальной зоны, где она достигает +220С. На Марсе, как и на Земле, два полюса: северный и южный. Когда на одном - лето, то на другом - зима.

Несмотря на свою удаленность, по степени изученности Марс приближается к Луне. С помощью советских автоматических станций "Марс" и американских станций "Маринер" и "Викинг" проводилось систематическое изучение планеты. По фотографиям поверхности Марса составлены геоморфологическая и тектоническая карты планеты. На них выделены участки "континентов" и "океанов", отличающиеся не только морфологией рельефа, но, как и на Земле, строением коры. В целом поверхность Марса имеет асимметричное строение, большая часть ее занята "морями", подобно другим планетам земной группы, она изобилует кратерами. Происхождение этих кратеров связано с интенсивной метеоритной бомбардировкой поверхности. На ней обнаружены крупные вулканы, самый большой из которых - Олимп - имеет высоту 27 км. Среди линейных структур наиболее выразительны рифтовые долины, которые протягиваются на многие тысячи километров. Крупные разломы подобно глубоким рвам разрывают структуры "материков" и "океанов". Верхняя оболочка планеты осложнена системой ортогональных и диагональных разломов, формирующих блоковую структуру. Наиболее молодые образования в рельефе Марса - эрозионные долины и кряжистые формы. На поверхности интенсивно протекают процессы выветривания.

Открытая в 1930 г. планета Плутон самая далекая в Солнечной системе. Она максимально удаляется от Солнца на 5912⋅10⁶ км и приближается на 4425⋅10⁶ км. Плутон резко отличается от гигантских планет и по своим размерам близок к планетам земной группы. Сведения о нем неполные, и даже самые сильные телескопы не дают представления о строении его поверхности (см. табл. 1).

Мы рассмотрели некоторые характеристики планет земной группы. Даже беглый обзор позволяет выявить черты сходства и различия между ними. Факты говорят, что Меркурий развивался по тем же законам, как наша Луна. Многие черты строения рельефа Меркурия свойственны Марсу, Венере и Земле. Интересно, что взгляд на Землю из космоса также указывает на широкое развитие кольцевыми линейных структур на нашей планете. Природа некоторых кольцевых структур связывается с метеоритными "шрамами". Конечно, стадии структурного развития планет не одинаковы. Но этим и интересна сравнительная планетология, что, изучая рельеф, вещественный состав, тектонические структуры верхних оболочек других планет, мы можем раскрыть страницы древней истории нашей планеты и проследить ее развитие. Наряду с планетами земной группы изучаются и планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Они во многом сходны между собой и сильно отличаются от планет земной группы (см. табл. 1). Их массы намного превышают земную, а средние плотности, наоборот, меньше. Эти планеты имеют большие радиусы и " быстро вращаются вокруг своей оси. Планеты-гиганты изучены пока слабо. Трудность их изучения связана с гигантским удалением от Земли. В изучении планет-гигантов наиболее интересные результаты дают автоматические межпланетные станции. Оказалось, что эти планеты очень активны. Недавно с американской станции "Вояджер" были получены детальные фотографии Юпитера и его спутников. Исследование планет продолжается.