Dvojplanéte Zem - Mesiac

Dvojplanéte Zem - Mesiac Tvar Mesiaca, ktorý sa mení od úzkeho kosácika až po plný Mesiac, umožnil ludom prvé urcovanie casových intervalov. Opakovanie týchto fáz po štyroch týždnoch dalo základ kalendárnemu mesiacu. Mesiac bol prvým kozmickým telesom, ktorého vzdialenost od Zeme bola zmeraná a aj prvým, na ktorom ludia pristáli. Pohyb Mesiaca po oblohe sa dal merat s velkou presnostou, pretože sa dal vztiahnut na polohy hviezd. Vzdialenost Mesiaca od Zeme urcil už v 3. Storocí pred Kristom grécky astronóm Hipparchos z velkosti zemského tiena na mesiaci. Jeho metóda bola exaktná a výsledok velmi dobrý: vzdialenost Mesiaca od nás sa rovná 60 polomerom zeme. Až v 17. Storocí, ked sa zacala používat metóda paralaxy (uhol medzi smermi k objektu z dvoch koncov základne známej dlžky) bol Hipparchov údaj potvrdený a spresnený. V súcasnosti poskytuje výsledky presné na centimetre laserová metóda. Pri známej rýchlosti svetla vychádza pre vzdialenost 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 vidiet. Táto skutocnost je výsledkom slapových síl. Je pravdepodobné, že v dávnych dobách sa mesiac otácal rýchlejšie, bol ovela bližšie k Zemi a jeho povrch nebol ešte stuhnutý. Na pologuli privrátenej k Zemi vytvorila zemská prítažlivost vzdutie polotuhej mesacnej látky, ktoré zaostávalo a brzdilo rotáciu. Ked mesacný povrch stuhol, ale jadro Mesiaca zostalo ešte tekuté, trením o stuhnutú povrchovú vrstvu dalej spomalovalo 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 ovela 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 spomalovaní mesacnej rotácie vyplýva, že aj tvar Mesiaca sa musel menit. Jeho os, ktorá dnes smeruje k Zemi, sa mala zretelne predlžit a Mesiac mal mat 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. Svedcí to o tom, že Mesiac po svojom roztopení (ako chladné teleso sa roztopil až následnými dopadmi meteoridov alebo ostatnej zárodocnej hmoty) rýchlo vychladol. Cas od jedného novu k druhému je synodický mesiac s priemerným trvaním 29,53059 dna. To je dlžka jedného dna na mesiaci, za ten cas sa tam vystrieda den a noc, 15 dní je tam Slnko nad obzorom, 15 dní je tam trvalá noc. Dlžka synodického mesiaca znacne kolíše (plus mínu cely den). Mesiac sa otáca stálou rýchlostou. Oproti tomu pohyb Mesiaca voci Zeme je rýchlejší alebo pomalší. Tým vzniká jav nazývaný librácia v dlžke, ktorý umožnuje vidiet trochu za okraj Mesiaca. Obdobne pri librácii v šírke vidíme za severný alebo južný okraj mesacného kotúca. 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, co je prípad, ked je teleso na opacnej strane od Zeme ako Slnko. Keby obiehal okolo Slnka ako napr. Mars, nikdy by nenastal nov, ku ktorému dochádza iba vtedy, ked je teleso od zeme v rovnakom smere ako Slnko. Co nás oprávnuj teda k tomuto tvrdeniu, že Mesiac obieha okolo Slnka? Najzákladnejší fyzikálny zákon o všemocnej gravitácii. V systéme dvoch telies je to jednoduché: gravitacné pole hmotnejšieho telesa prinúti menej hmotné, aby obiehalo okolo telesa hmotného. V systéme troch a viacerých telies okrem hmotnosti závisí ešte od vzdialenosti zúcastnených objektov. Výpocet pre trojicu Slnko, Zem, Mesiac ukazuje, že Slnko vplýva na Mesiac dvakrát väcšou silou ako zem, a preto mesiac obieha okolo Slnka, a nie okolo Zeme. Aby obiehal okolo Zeme, musel by byt od Zeme vzdialený nanajvýš 250-tisíc km. V skutocnosti je Mesiac 384-tisíc km daleko, a preto jeho pohyb riadi Slnko, a zem vyvoláva iba poruchy jeho pohybu. Oznacenie Mesiaca ako družice Zeme nie je preto z hladiska 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 splnat niektoré podmienky, a jednou z nich je zachovanie celkového uhlového momentu ich pohybu v priebehu casu. Tento moment sa skladá z dvoch castí: z rotacného momentu pohybu oboch zložiek okolo ich vlastných osí a z obežného momentu ich pohybov okolo ich spolocného tažiska. Tak Zem, ako aj Mesiac sú nedokonale deformovatelné telesá schopné prenášat uhlový moment prostredníctvom slapového pôsobenia. Rotácia Mesiaca okolo vlastnej osi vždy bola a je synchronizovaná s jeho priemernou uhlovou rýchlostou na obežnej dráhe. Naopak zem dnes ešte stále 27-ktár rýchlejšie rotuje, ako obieha. Slapové úcinky vyvolané Mesiacom smerujú k spomaleniu jej rotácie a k prenosu rotacného momentu na obežný moment sústavy Zem – Mesiac. Tento prenos zväcšuje vzdialenost oboch telies. Slapové trenie spôsobuje spomalenie zemskej rotácie a predlženie dna o 1,5 milisekundy za sto rokov. Postupné predlžovanie dlžky dna prebiehalo pocas geologických dôb v dejinách Zeme a potvrdzujú ho biologické doklady zo životného cyklu morských koralov (súcasné koraly – 365 kruhov, pred 380 miliónmi rokov – 400 kruhov). V súcasnosti sa Mesiac od Zeme vzdaluje rýchlostou 3,2 cm za rok. Skutocnost, že v rotácii Zeme je aj nadalej znacná zásoba uhlového momentu, znamená, že je tu aj zásoba momentu pre mesacné slapy. Ich pomalé pôsobenie bude aj nadalej predlžovat den a mesiac a tento proces prestane iba vtedy, ked sa dosiahne synchronizácia medzi rotáciou a obežným pohybom nielen Mesiaca, ale aj Zeme. Vzdialenost Zeme vzrastie na 1,59 násobok dnešnej vzdialenosti. Dlžka dna na Zemi i na Mesiaci bude dnešných 55 dní, rotacné osi oboch telies budú kolmé na obežnú dráhu, co spôsobí koniec striedania rocných období a bude iba striedanie dlhého dna, pocas ktorého slnecné lúce spália všetko živé – ak nieco také bude ešte existovat – s dlhou nocou. Mesiac na oblohe bude o tretinu menší, ale bude ukazovat zemi stále tú istú tvár. Rozpad sústavy Zem – Mesiac nemožno vylúcit, 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, zatial co Zem ovela väcšiu, asi 5514 kg. m-3. Rýchlost 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: pokial bol zárodok planéty malý, po výbuchu supernovy, ktorá bola 1000-krát tažšia ako Slnko, mal zárodok slabé gravitacné pole a tak bol prírastok polomeru malý, hoci bol naokolo dostatok úlomkov protoplanetárnej hmoty. Postupne však hmotnost vzrastala, cím silnelo gravitacné pole. Preto v urcitej etape polomer planéty rýchle narastal, avšak súcasne sa aj rýchle vycerpávala 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 gravitacného pôsobenia planéty meteor, ktorý obvykle pochádza z pásma asteroidov. Avšak dopadom menšieho meteoritu alebo kozmického prachu (4000 ton/1 den) sa polomer planéty praktický nezmení. Cas akrécie Zeme je pomerne krátky v porovnaní s jej vekom 4,5 miliardy rokov. Podla hornín dovezených expedíciami Apollo a aparatúrami Luna z Mesiaca sa zistilo, že Mesiac je približne rovnako starý ako Zem, takže mesiac oddávna ovplyvnoval procesy na zemi. V dôsledku castého dopadu velkého množstva úlomkov sa uvolnovalo znacné množstvo tepla, ktoré udržovalo tvoriacu sa planétu v polotekutom stave, takže v nej mohla rýchlejšie prebiehat diferenciácia materiálu podla hustoty. Kovy (Fe, Ni) klesali hlbšie, bližšie k stredu Zeme a tak sa zväcšovalo železno-niklové jadro. Nad jadrom zostávali lahšie kremicitanové horniny a plynné frakcie vytvárali primárnu atmosféru planéty. Povrch Zeme bol vtedy pokrytý velkým množstvom kráterov a výlevov magmatických hornín. Takto sa polotekutá planéta diferencovala na 4 základné, chemicky odlišné casti: kovové jadro, kamenný plášt zložený z tažkých kremicitanových hornín, kamennú kôru zloženú z lahších 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 lahko zlucujú 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 lahko zlucujú 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 podla 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 pokryt celý povrch Zeme 3 km vrstvou vody. Pri vzniku Zeme existovala voda iba viazaná v horninách. Teplom sa z nich uvolnovala v podobe pary a iba neskôr kondenzovala. Povrch Zeme možno rozdelit 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 dost komplikovaný pohyb, ktorý možno rozdelit na tri hlavné zložky: rotáciu, obiehanie a presúvanie (transláciu). Pod rotáciou rozumieme otácanie Zeme okolo vlastnej osi raz za den, obiehanie je planetárny pohyb po dráhe okolo Slnka raz za rok a translácia Zeme je prejavom obiehavého pohybu celej slnecnej sústavy okolo stredu Galaxie rýchlostou asi 250 km/s, takže jeden obeh trvá približne 200 miliónov rokov. Rotácia Zeme spôsobuje striedanie dna a noci, vplýva na cirkuláciu atmosféry, pohyby oceánskych vôd a na dalšie javy. Dôsledkom obežného pohybu Zeme okolo Slnka je striedanie rocných období s vplyvmi na živé organizmy a atmosferickú cirkuláciu. Translacný 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. Dlžka hlavnej polosi je 149,6 milióna km, excentricita e = 0,017, takže ide takmer o kruhovú dráhu. Dôsledkom II. Keplerovho zákona (Za rovnaký cas opíše heliocentrický sprievodic urcitej 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 case jarnej rovnodennosti. Najbližšie k Slnku (v perihéliu) sa zem nachádza v case zimného slnovratu, a to vo vzdialenosti 147,1 mil. km, najdalej (v aféliu) sa nachádza v case letného slnovratu, vo vzdialenosti 152,1 mil. km. Priemerná rýchlost pohybu Zeme po tejto orbite je 29,77 km. s-1. Rotacná os Zeme je sklonená voci kolmici na ekliptiku o uhol 23°27´, co má význam pre ožarovanie zeme slnecnými lúcmi, ako aj na pohyb rotacnej osi Zeme vzhladom na kolmicu k ekliptike. Rotácia je dalším dôležitým pohybom, ktorý naša planéta neustále vykonáva. Najznámejším dôsledkom zemskej rotácie je zdanlivý pohyb slnecného kotúca a iných nebeských telies po oblohe, striedanie dna a noci. Rotácia Zeme nám umožnuje dva spôsoby merania casu: hviezdny a slnecný, podla toho, ci rotacnú periódu Zeme meriame podla kulminácií zvolenej hviezdy alebo Slnka. Záujem o zemský magnetizmus vzrástol, ked Kolumbus na ceste do nového sveta zistil, že magnetická strelka sa odchyluje od skutocného smeru na sever a tieto odchýlky sú na rôznych miestach Zeme odlišné. Tým vlastne objavil magnetickú deklináciu, jeden z tzv. elementov geomagnetického pola Zeme. Uhol vychýlenia charakterizujeme magnetickou inklináciou. Prvou a bezpochyby úspešnou snahou o teoretické vysvetlenie prícin zemského magnetizmu bola Gilbertova kniha O magnete, magnetických telesách a o velkom magnete – Zemi. Podla jeho predstáv je zem velký magnet a zdroje zemského magnetizmu sa nachádzajú v zemskom vnútri. Postupne pribúdali dalšie poznatky o o zemskom magnetizme: odlišná poloha geomagnetických a geografických pólov, putovanie pólov a tiež väcšia intenzita GMP v blízkosti južného pólu. Posledný fakt svedcí o tom, že geomagnetická os neprechádza stredom Zeme. Najnovšie poznatky ukazujú, že od stredu zeme ju v súcasnosti delí vzdialenost 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 velmi 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 rotacnou 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 spolahlivou informáciou o ložiskách nerastných surovín. Vonkajšie magnetické pole nedosahuje ani 1% velkosti vnútorného pola. Okrem skúmania priestorového rozloženia magnetického pola Zeme je nemenej závažné aj sledovanie a pochopenie jeho casových zmien. Dlhodobé zmeny pola sú pomalé, je pre ne charakteristická periodicita až niekolko desiatok rokov na rozdiel od rýchlych variácií GMP, ktoré sú zretelné 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 rozlicných 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 pola by permanentný magnet, vo forme valca pri polomere 200 km, musel byt 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 väcších výškach sa zvyšuje nerovnorodost zloženia aj odchýlky od sférického tvaru. Tlakom slnecného 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 rozlíšit niekolko atmosférických vrstiev s charakteristicky dynamickými vlastnostami 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. Hmotnost celej atmosféry Zeme je 5,29 . 1018 kg. jej hustota exponenciálne klesá s výškou, preto podstatnú cast atmosféry tvorí troposféra, na ktorú sa zväcša vztahujú 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