Материал: Влияние Луны как естественного спутника на планету Земля

Влияние Луны как естественного спутника на планету Земля

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский государственный аэрокосмический университет

имени академика М.Ф. Решетнева»

Научно-образовательный центр

«Институт космических исследований и высоких технологий»

Кафедра технической физики

Отчет по учебной (ознакомительной) практике

Влияние Луны как естественного спутника на планету Земля

Направление: 011200.62 «Физика»

Выполнила:

Студентка 3 года обучениягруппы БФ12-01

Персман Кристина Викторовна

Руководитель:

к.ф.-м.н., доцент

Паршин Анатолий Сергеевич

Красноярск 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

.        ЛУНА

.1      Происхождение Луны

.2      Движение Луны

.3      Форма Луны

.4      Фазы Луны

.5      Внутреннее строение Луны

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

.        МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

.1      Приливы и отливы

.2      Землетрясения и Луна

.        РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ       

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ      

ВВЕДЕНИЕ

Луна своим воздействием оказывает очень большое влияние на планету Земля и имеет очень большую роль в ее, а главное, нашем существовании, не меньшем чем Солнце. Чтобы понять ее роль в нашей жизни, откинемся на 4,5 миллиарда лет назад, когда Солнечная система была ещё молода, а у Земли ещё не было Луны. Наша планета летала вокруг Солнца в одиночестве, бомбардируемая кометами, астероидами, словно в гигантском космическом бильярде. В наши дни уже не найти шрамов от столь древних ударов. Некоторые из триллионов, летавших в космосе обломков, соединились в протопланету Тейю. Орбита, которой выводила её к столкновению с Землёй. Удар по молодой Земле был скользящий. Ядра планет слились воедино, а огромные массы расплавленной породы была выброшена на околоземную орбиту. Так как это вещество было жидким, то оно легко собралось в сферический объект, ставший Луной.

Хотя масса Луны в 27 млн раз меньше массы Солнца, она в 374 раза ближе к Земле и оказывает на нее сильное влияние, вызывая поднятия воды (приливы) в одних местах и отливы в других. Это происходит каждые 12 ч 25 мин, так как Луна делает полный оборот вокруг Земли за 24 ч 50 мин.

Луна является попутчицей Земли в космическом пространстве. Ежемесячно Луна совершает полное путешествие вокруг Земли. Она светится только светом, отраженным от Солнца.

Луна - единственный спутник Земли и единственный внеземной мир, который посетили люди. Изучая его, человек научился использовать его свойства для своих нужд, не причиняя при этом вреда окружающей среде.

1.ЛУНА

.1 Происхождение Луны

Происхождение Луны окончательно еще не установлено. Проблема в том, что у нас слишком много предположений и слишком мало фактов. Все это происходило настолько давно, что ни одну из гипотез невозможно проверить.

Теорий в разное время было предложено немало. Наиболее вероятными считались три взаимоисключающих гипотезы. Одна - гипотеза захвата, согласно которой Луна сформировалась независимо от Земли и была позднее захвачена ее гравитационным полем. Другая - гипотеза совместного образования, согласно которой Земля и Луна сформировались из единого газопылевого облака. И третья - гипотеза центробежного отделения, согласно которой Луна оторвалась от Земли под действием центробежных сил.

Однако анализ доставленных американскими астронавтами образцов лунного грунта поставил все эти гипотезы под сомнение. Ученым пришлось выдвинуть новую - гипотезу столкновения, согласно которой Луна сформировалась в результате столкновения протопланеты Земля с другим крупным космическим телом - протопланетой Тейя.

Гипотеза гигантского столкновения

 <https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Big_Splash_Theia.gif?uselang=ru>

Рисунок 1 - столкновение Земли с Тейей

Гипотеза столкновения была предложена Уильямом Хартманом <https://en.wikipedia.org/wiki/William_Kenneth_Hartmann> и Дональдом Дэвисом в 1975 году. По их предположению, протопланета (её назвали Тейя <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%B9%D1%8F_(%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B0)>) размером примерно с Марс <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%80%D1%81_(%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B0)> столкнулась с прото-Землей на ранней стадии её формирования, когда наша планета имела примерно 90 % нынешней массы. Удар пришёлся не по центру, а под углом (почти по касательной). В результате большая часть вещества ударившегося объекта и часть вещества земной мантии были выброшены на околоземную орбиту. Из этих обломков собралась прото-Луна и начала обращаться по орбите с радиусом около 60 000 км. Земля в результате удара получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения.

Гипотеза столкновения в настоящее время считается основной, поскольку она хорошо объясняет все известные факты о химическом составе и строении Луны, а также и физические параметры системы Земля-Луна. Первоначально большие сомнения вызывала возможность столь удачного соударения (косой удар, невысокая относительная скорость) такого крупного тела с Землей. Но затем было предположено, что Тейя сформировалась на орбите Земли, в одной из точек Лагранжа <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%BE%D1%87%D0%BA%D0%B8_%D0%9B%D0%B0%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B6%D0%B0> системы Солнце-Земля. Такой сценарий хорошо объясняет и низкую скорость столкновения, и угол удара, и нынешнюю, почти точно круговую орбиту Земли.

Для объяснения дефицита железа на Луне приходится принимать допущение, что ко времени столкновения (4,5 млрд лет назад) и на Земле, и на Тейе уже произошла гравитационная дифференциация, то есть выделилось тяжёлое железное ядро и образовалась лёгкая силикатная мантия. Однозначных геологических подтверждений этому допущению не найдено.

Если бы Луна так или иначе оказалась на орбите Земли в столь далёкое время и после этого не претерпевала существенных потрясений, то на её поверхности по расчётам якобы успел бы скопиться многометровый слой оседающей из космоса пыли <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%80%D0%B3%D1%83%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%BB%D1%83%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B9_%D0%BF%D1%8B%D0%BB%D0%B8>, что не было подтверждено при посадках космических аппаратов на лунную поверхность.

.2 Движение Луны

Луна движется вокруг Земли со средней скоростью 1,02 км/сек по приблизительно эллиптической орбите в том же направлении, в котором движется подавляющее большинство других тел Солнечной системы, то есть против часовой стрелки, сели смотреть на орбиту Луны со стороны Северного полюса мира. Большая полуось орбиты Луны, равная среднему расстоянию между центрами Земли и Луны, составляет 384 400 км (приблизительно 60 земных радиусов). Вследствие эллиптичности орбиты и возмущений расстояние до Луны колеблется между 356 400 и 406 800 км. Период обращения Луны вокруг Земли, так называемый сидерический (звездный) месяц равен 27,32166 суток, но подвержен небольшим колебаниям и очень малому вековому сокращению. Движение Луны вокруг Земли очень сложно, и его изучение составляет одну из труднейших задач небесной механики.

Эллиптическое движение представляет собой лишь грубое приближение, на него накладываются многие возмущения, обусловленные притяжением Солнца, планет и сплюснутостью Земли. Главнейшие из этих возмущений, или неравенств, были открыты из наблюдений задолго до теоретического вывода их из закона всемирного тяготения. Притяжение Луны Солнцем в 2,2 раза сильнее, чем Землей, так что, строго говоря, следовало бы рассматривать движение Луны вокруг Солнца и возмущения этого движения Землей. Однако, поскольку исследователя интересует движение Луны, каким оно видно с Земли, гравитационная теория, которую разрабатывали многие крупнейшие ученые, начиная с И. Ньютона, рассматривает движение Луны именно вокруг Земли. В 20 веке пользуются теорией американского математика Дж. Хилла, на основе которой американский астроном Э. Браун вычислил (1919) математические, ряды и составил таблицы, содержащие широту, долготу и параллакс Луны. Аргументом служит время.

Плоскость орбиты Луны наклонена к эклиптике под углом 5о8”43”, подверженным небольшим колебаниям. Точки пересечения орбиты с эклиптикой, называются восходящим и нисходящим узлами, имеют неравномерное попятное движение и совершают полный оборот по эклиптике за 6794 суток (около 18 лет), вследствие чего Луна возвращается к одному и тому же узлу через интервал времени - так называемый драконический месяц, - более короткий, чем сидерический и в среднем равный 27.21222 суток, с этим месяцем связана периодичность солнечных и лунных затмений. Луна вращается вокруг оси, наклоненной к плоскости эклиптики под углом 88°28', с периодом, точно равным сидерическому месяцу, вследствие чего она повернута к Земле всегда одной и той же стороной.

Такое совпадение периодов осевого вращения и орбитального обращения не случайно, а вызвано трением приливов, которое Земля производила в твердой или некогда жидкой оболочке Луны. Однако сочетание равномерного вращения с неравномерным движением по орбите вызывает небольшие периодические отклонения от неизменного направления к Земле, достигающие 7° 54' по долготе, а наклон оси вращения Луны к плоскости ее орбиты обусловливает отклонения до 6°50' по широте, вследствие чего в разное время с Земли можно видеть до 59 % всей поверхности Луны (хотя области близ краев лунного диска видны лишь в сильном перспективном ракурсе); такие отклонения называются либрацией Луны. Плоскости экватора Луны, эклиптики и лунной орбиты всегда пересекаются по одной прямой (закон Кассини).

1.3 Форма Луны

Форма Луны очень близка к шару с радиусом 1737 км, что равно 0,2724 экваториального радиуса Земли. Площадь поверхности Луны составляет 3,8 * 107 км2, а объем 2,2 * 1025см3. Более детальное определение фигуры Луны затруднено тем, что на Луне, из за отсутствия океанов, нет явно выраженной уровненной поверхности по отношению к которой можно было бы определить высоты и глубины; кроме того, поскольку Луна повернута к Земле одной стороной, измерять с Земли радиусы точек поверхности видимого полушария Луны (кроме точек на самом краю лунною диска) представляется возможным лишь на основании слабого стереоскопического эффекта, обусловленного либрацией.

Изучение либрации позволило оценить разность главных полуосей эллипсоида Луны. Полярная ось меньше экваториальной, направленной в сторону Земли, примерно на 700 м и меньше экваториальной оси, перпендикулярной направлению на Землю, на 400 м. Таким образом, Луна под влиянием приливных сил, немного вытянута в сторону Земли. Масса Луны точнее всего определяется из наблюдений её искусственных спутников. Она в 81 раз меньше массы земли, что соответствует 7.35 *1025г. Средняя плотность Луны равна 3,34 г. см3(0.61 средней плотности Земли). Ускорение силы тяжести на поверхности Луны в 6 раз больше, чем на Земле, составляет 162.3 см. сек2и уменьшается на 0.187 см. сек2при подъеме на 1 километр. Первая космическая скорость 1680 м. сек, вторая 2375 м. сек. Вследствие малого притяжения Луна не смогла удержать вокруг себя газовой оболочки, а также воду в свободном состоянии.

1.4 Фазы Луны

Смена фазы Луны обусловлена переменами в условиях освещения Солнцем тёмного шара Луны при её движении по орбите. С изменением взаимного расположения Земли, Луны и Солнца терминатор (граница между освещённой и неосвещённой частями диска Луны) перемещается, что и вызывает изменение очертаний видимой части Луны.

Продолжительность полной смены фаз Луны (так называемый синодический месяц) непостоянна из-за эллиптичности лунной орбиты, и варьируется от 29,25 до 29,83 земных солнечных суток. Средний синодический месяц составляет 29,5305882 суток (29 суток 12 часов 44 минуты 2,82 секунды).

В фазах Луны, близких к новолунию (в начале первой четверти и в конце последней четверти), при очень узком серпе, неосвещённая часть образует т. н. пепельный свет Луны - видимое свечение неосвещённой прямым солнечным светом поверхности характерного пепельного цвета.

Луна проходит следующие фазы освещения:

.        новолуние - состояние, когда Луна не видна.

.        молодая луна - первое появление Луны на небе после новолуния в виде узкого серпа.

.        первая четверть - состояние, когда освещена половина Луны.

.        прибывающая луна

.        полнолуние - состояние, когда освещена вся Луна целиком.

.        убывающая луна

.        последняя четверть - состояние, когда снова освещена половина луны.

1.5 Внутреннее строение Луны

Рисунок 2 - внутреннее строение луны

Луна, как и Земля, состоит из ярко выраженных слоев: кора, мантия и ядро. Такая структура, как полагают, сформировалась сразу после формирования Луны - 4.5 миллиарда лет назад. Толщина лунной коры составляет, как полагают, 50 км. В толщине лунной мантии случаются луннотрясения, но в отличии от землетрясений, которые вызываются движением тектонических плит, лунотрясения вызваны приливными силами Земли. Ядро Луны, также как и земное ядро, состоит из железа, но его размер значительно меньше и составляет 350 км в радиусе. Средняя плотность Луны 3.3 г/см3.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Цель данного исследования - рассчитать гравитационную силу Луны и объяснить, как она влияет на землетрясения на Земле.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

изучить Луну и ее влияние на Землю;

сравнить силы и процессы, которые влияют на Землю под действием Луны и других планет;

провести анализ землетрясений связанных Луной с планетой Земля;

В дальнейшем будет продолжаться работа по теме «Влияние Луны как естественного спутника на планету Земля» с исследованием действующих явлений Луны. Будет проведен анализ полученных данных, по результатам которые мы получим в процессе вычисления и изучения взаимодействия спутника с планетой.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

.1 Приливы и отливы

Влияние Луны на земной мир существует, но оно не ярко выражено. Его практически нельзя увидеть. Единственное явление, которое зримо демонстрирует воздействие притяжения Луны, - это влияние Луны на приливы и отливы. Наши древние предки связывали их именно с Луной. И были абсолютно правы. Приливы и отливы в некоторых местах настолько сильны, что вода отступает от берега на сотни метров, обнажая дно, где народы, живущие на побережье, собирали дары моря. Но с неумолимой точностью отступившая от берега вода снова накатывает. Если не знать, с какой периодичностью происходят приливы и отливы, можно оказаться вдали от берега и даже погибнуть под наступающей водной массой. Прибрежные народы превосходно знали расписание прихода и ухода вод. Происходит это явление два раза в сутки. Причем приливы и отливы существуют не только в морях и океанах. Все водные источники испытывают влияние Луны. Но вдали от морей это почти незаметно: то вода немного поднимается, то немного опускается. Жидкость - это единственная природная стихия, которая движется за Луной, совершая колебания. Камень или дом не могут притянуться к Луне, потому что имеют твердую структуру. Податливая и пластичная вода наглядно демонстрирует воздействие лунной массы.

Наиболее сильно Луна воздействует на воды морей и океанов с той стороны Земли, которая в данный момент обращена непосредственно к ней. Если посмотреть на Землю в этот момент, то можно заметить, как Луна оттягивает к себе воды мирового океана, приподымает их, и толща вод вспучивается, образуя «горб», а точнее, появляются два «горба» - высокий со стороны, где находится Луна, и менее выраженный с противоположной стороны. «Горбы» точно следуют за движением Луны вокруг Земли. Поскольку мировой океан является единым целым и воды в нем сообщаются, то горбы двигаются то от берега, то к берегу. Поскольку Луна проходит два раза через точки, расположенные друг от друга на расстоянии 180 градусов, то мы наблюдаем два прилива и два отлива.