Стивен Маран - Астрономия для "чайников"
Ось Земли направлена "вверх" сквозь Северный полюс и "вниз" — сквозь Южный. Когда Земля находится на одной стороне своей орбиты, ось, направленная "вверх", указывает тоже примерно в сторону Солнца, поскольку в полдень в Северном полушарии Солнце находится высоко в небе. Через шесть месяцев ось, направленная "вверх", теперь будет указывать в противоположную сторону от Солнца. На самом деле, ось всегда направлена в одном и том же направлении в космосе, но теперь Земля находится с противоположной стороны от Солнца.
Лето приходит в Северное полушарие, когда ось, направленная через Северный полюс вверх, указывает примерно в сторону Солнца. В этой ситуации Солнце в полдень находится выше над горизонтом, чем во все остальные сезоны года, поэтому оно лучше освещает Северное полушарие и дает больше тепла. В это же самое время ось, проходящая вниз через Южный полюс, направлена от Солнца, поэтому Солнце в полдень находится ниже над горизонтом, чем в любое другое время года, и хуже освещает Южное полушарие. В это время в Австралии наступает зима.
Летом светлого времени суток больше, чем зимой, потому что Солнце находится выше над горизонтом. Поэтому ему требуется больше времени, чтобы сначала подняться на эту высоту, а потом — спуститься. И, поскольку день длится дольше, в это время года теплее.
По мере того как Земля движется по орбите вокруг Солнца, кажется, что Солнце перемещается по небу по некой окружности, которая называется эклиптикой (об этом говорилось в главе 3). Плоскость эклиптики наклонена к плоскости экватора точно под таким же углом, как ось Земли — 23,5°. С этой точки зрения определим следующие понятия.
Момент пересечения небесного экватора центром видимого солнечного диска. Весеннее равноденствие наступает, когда Солнце переходит из южного полушария небесной сферы в северное и обычно происходит около 21 марта. Осеннее равноденствие бывает около 23 сентября. Вблизи равноденствия продолжительность дня в средних широтах примерно равна продолжительности ночи.
Когда Солнце переходит из южного полушария небесной сферы в северное, т. е. пересекает небесный экватор "снизу вверх", наступает первый день весны, который называется днем весеннего равноденствия. Он приходится на 20–21 марта. В Южном полушарии Земли наступает астрономическая осень, а в Северном — астрономическая весна. Вблизи равноденствия продолжительность дня в средних широтах примерно равна продолжительности ночи.
Когда Солнце достигает самой высокой (северной) точки на эклиптике, это день летнего солнцестояния. Приходится примерно на 21–22 июня. С этого дня в Северном полушарии начинается астрономическое лето, а в Южном — астрономическая зима.
Когда Солнце переходит из северного полушария небесной сферы в южное, т. е. пересекает небесный экватор "сверху вниз", это начало осени, день осеннего равноденствия. Обычно он приходится примерно на 23 сентября. В Южном полушарии Земли наступает астрономическая весна, а в Северном — астрономическая осень.
Когда Солнце достигает самой нижней (южной) точки на эклиптике, это день зимнего солнцестояния. Приходится примерно на 21–22 декабря. С этого дня в Северном полушарии начинается астрономическая зима, а в Южном — астрономическое лето.
В Северном полушарии летнее солнцестояние приходится на день, когда светлое время суток наибольшее в году. В этот день Солнце поднимается на самую высокую точку над горизонтом, поэтому ему требуется больше всего времени, чтобы подняться на эту высоту, а потом спуститься. Аналогично, зимнее солнцестояние в Северном полушарии приходится на день, когда светлое время суток наименьшее в году.
Ну вот, пожалуй, и все, что я хотел сказать о времени и временах года.
Возраст Земли
Радиоактивное датирование — это единственный имеющийся у нас точный способ датирования различных древностей, как на Земле, так и в Солнечной системе. Некоторые химические элементы, такие как уран, имеют разновидности (отличающиеся атомной массой), называемые радиоактивными изотопами. Радиоактивный изотоп превращается в другой изотоп того же самого элемента или в другой элемент со скоростью, определяемой периодом полураспада радиоактивного элемента. Предположим, период полураспада составляет миллион лет. Тогда через миллион лет половина имевшегося первоначально радиоактивного изотопа превратится в другое вещество (называемое дочерним изотопом), а вторая половина останется радиоактивной. Затем за следующий миллион лет в дочерний изотоп превратится половина оставшегося вещества. Таким образом, через два миллиона лет останется только 25 % первоначального количества атомов радиоактивного изотопа. А через три миллиона лет останется только 12,5 % и т. д.
Когда первоначальные атомы радиоактивного изотопа, называемые родительскими атомами, и дочерние атомы оказываются вместе в куске камня (или металла), например в метеорите, ученые могут подсчитать соответствующее количество атомов и определить возраст этого камня. Это называется методом радиоактивного датирования.
Но, согласно методу радиоактивного датирования, самые древние породы на Земле имеют возраст примерно 3,8 миллиарда лет. А Земля, без сомнения, гораздо старше. Эрозия, процессы горообразования и вулканические процессы (извержение расплавленной лавы из недр Земли, а также образование новых вулканов) — все это постоянно оказывает разрушающее влияние на породы на поверхности Земли, поэтому первоначальные породы, из которых состояла поверхность Земли, давно исчезли.
Однако для метеоритов метод радиоактивного датирования дает возраст примерно 4,6 миллиарда лет. Считается, что метеориты — это осколки астероидов, а астероиды — это фрагменты вещества, из которого состояла Солнечная система в самом начале ее образования, когда происходило формирование планет (более подробно об астероидах речь пойдет в главе 7).
Поэтому ученые считают, что возраст Земли и других планет — примерно 4,6 миллиарда лет. Луна, как оказывается, моложе. Но это уже другая история.
Луна, спутник Земли
Диаметр Луны — 3476 км; это немного больше, чем 1/4 часть диаметра Земли. Масса Луны составляет только 1/81 часть массы Земли, а ее плотность примерно в 3,3 раза больше плотности воды, что заметно меньше плотности Земли (поскольку ее плотность в 5,5 раза больше плотности воды). На Луне практически нет атмосферы, только "следы" водорода, гелия, неона и аргона и других элементов в еще меньших количествах. По всей видимости, Луна состоит из твердых каменистых пород (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Кратеры и "моря" (из лавы вулканического происхождения) на поверхности Луны
Фотография любезно предоставлена NASA
Плотность Луны, хотя и меньше средней плотности Земли, такая же, как плотность мантии Земли, т. е. слоя, расположенного между корой и ядром. Средняя плотность Земли больше плотности ее мантии, потому что ядро почти целиком состоит из железа и никеля, которые намного плотнее камня. Плотность ядра Земли больше средней ее плотности, а плотность мантии — меньше средней плотности. Эти различия очень важны, как вы поймете в разделе "Теория возникновения Луны".
Фазы Луны
За исключением времени лунного затмения, одна половина Луны всегда освещена Солнцем, в то время как на другой — ночь. Некоторые люди думают, что это ближняя и дальняя стороны Луны, но это не так. Ближняя и дальняя — это стороны Луны, которые обращены к Земле и от нее соответственно, и это всегда одни и те же стороны (т. е. Луна всегда обращена к Земле одной и той же стороной). А половинки Луны, на которых день или ночь — это полусферы, обращенные к Солнцу и от него соответственно. И они все время меняются по мере движения Луны вокруг Солнца (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Фазы Луны. Наблюдать Луну лучше всего не в полнолуние
Новолуние — это начало месячного лунного цикла, или лунного месяца. В это время ближняя к Земле сторона Луны повернута от Солнца, поэтому она темная и не видна. Первая фаза — молодой лунный серп, или растущая Луна — видна через 24 часа после новолуния (в наиболее благоприятных случаях). Это означает, что освещенная область Луны увеличивается. Во время этой фазы Луна постепенно отходит от положения на одной линии с Землей и Солнцем (в новолуние), одновременно обращаясь вокруг Земли. Одна половина Луны, обращенная к Солнцу, всегда освещена, но в фазе роста большая часть освещенной области повернута от Земли и не видна нам.
