Тема 1 «а». Вселенная и Солнечная система
Оборудование: циркули, измерители, линейки с миллиметровым делением, звездная карта неба.
Вопросы для собеседования:
1. Современные представления о составе, строении и происхождении Вселенной (Метагалактики).
2. Галактика «Млечный путь» и место в ней Солнечной системы.
3. Солнечная система и место в ней Земли.
4. Сравнительная характеристика природных условий ближайших к нам планет – Марса и Венеры,
5. В чем проявляются различия между природными условиями Луны и Земли и чем они обусловлены?
6. Влияние Луны на процессы, происходящие в географической оболочке.
7. Отличие астероидов от метеоритов.
8. Сущность гипотез Канта – Лапласа, О. Ю. Шмидта, В. Г. Фесенкова, Г. В. Войткевича о происхождении Солнечной системы.
9. Как пользоваться накладной картой звездного неба?
10. Способы ориентирования по звездам.
11. Многолетние целевые программы исследований Космоса в России.
Методические рекомендации (по К. К. Кудло, Минск, 1985)
Земля – одно из бесчисленных тел Вселенной, которые под действием силы тяготения и центробежной силы группируются в различные вращательные системы и оказывают определенное влияние друг на друга. Поэтому изучение Земли как единого целого и отдельно взятых оболочек невозможно без рассмотрения положения ее во Вселенной, без учета влияния Космоса.
Благодаря современной технике человечество проникло взором в глубины Вселенной на расстояние n-1022 км, т. е. на несколько миллиардов световых лет, и значительно расширило свои знания о ней. Основная масса вещества Вселенной (98 %) содержится в звездах и представляет собой горячий ионизированный газ – плазму. Межзвездное пространство заполнено чрезвычайно разреженным газом и мелкой пылью, образующими местами гигантские газовые и пылевые туманности.
Звезды – самосветящиеся небесные тела. Они находятся на разной стадии эволюции, поэтому их объем, масса, плотность, светимость весьма различны. Единой, общепризнанной точки зрения на происхождение звезд нет. В течение длительного времени (около 200 лет) постепенно складывалась стройная (классическая) система представлений об образовании звезд путем уплотнения (сгущения) газово-пылеватой материи под действием сил тяготения и магнитного поля. При этом гравитационная энергия переходит в кинетическую, а последняя – в тепловую. Когда температура достигает нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции, тип которых с повышением температуры изменяется. «Облако» начинает светиться, образуется звезда. Она находится под воздействием двух сил – гравитации и газового давления, которые обычно уравновешивают друг друга, и звезда существует в течение длительного времени. Если температура внутри звезды очень высокая, давление газов преобладает над гравитацией и звезда увеличивается в размерах, превращаясь в красный гигант. Если увеличивающаяся звезда двойная, она становится неустойчивой, сбрасывает газовую оболочку и вспыхивает как новая звезда. Когда интенсивные ядерные реакции с выделением огромного количества энергии происходят в наружных слоях звезды, она взрывается, как сверхновая.
По мере выгорания радиоактивного топлива гравитационные силы становятся преобладающими над давлением газов и звезда начинает сжиматься. Звезда с массой, до 1,2 солнечной массы при этом превращается в белого карлика, с массой 1,2–2 солнечной массы – в нейтронную звезду, а с массой более 2 солнечных – в черную дыру, где гравитационная сила столь велика, что ни свет, ни какие-либо другие частицы не могут выйти наружу.
Новая концепция происхождения звезд развивается с конца 50-х годов ХХ в. акад. В. А. Амбарцумяном и его учениками. Согласно этой гипотезе, звезды образуются путем взрыва сгустков сверхплотной дозвездной материи (протозвезд). Гипотеза носит пока полуэмпирический характер и нуждается в дальнейшем накоплении материала наблюдений.
Звезды во Вселенной образуют различные системы. Более 60 % звезд объединены в небольшие системы из 2 – 10 звезд, вращающихся около общего для них центра тяжести. Грандиозные по количеству звезд и размерам звездные системы называются галактиками. Распределяются они во Вселенной неравномерно, образуя группы, скопления и грандиозные вращающиеся системы -сверхгалактики. В настоящее время известно около 20 сверхгалактик. Доступная для наблюдений часть Вселенной называется Метагалактикой. Характерная, ее особенность – расширение во всех направлениях. Пока неизвестно, расширяется ли вся Вселенная, так как Метагалактика -лишь часть Вселенной.
Наша Галактика (Млечный путь) объединяет более 150 млрд. звезд и более 100 млн туманностей. По форме она напоминает двояковыпуклую линзу с диаметром около 85 000 и толщиной 10 000 световых лет. Солнце находится в средней плоскости Галактики на расстоянии около 34 000 световых лет от центра. Поэтому с Земли она видна как бы с ребра в виде световой полосы, проходящей по небосводу. Звезды концентрируются в галактической плоскости и особенно около центра Галактики, образуя центральное сгущение. Через ядро проходит ось вращения Галактики. Солнечная система (вместе с Землей) полный оборот вокруг центра Галактики совершает за 210 – 240 млн лет. Приблизительно через такой же промежуток времени на Земле отмечается наступление ледниковых эпох и циклов тектогенеза. Ряд ученых отмечает, что ледниковые эпохи обусловлены влиянием космических туманностей, а горообразование – воздействием галактических сил тяготения.
Солнечная система–одна из множества различных по размерам и сложности систем, составляющих Галактику. Кроме Солнца, в Солнечной системе 9 больших планет, тысячи малых планет (астероидов), миллионы комет, метеорное вещество.
Солнце – звезда средней величины и светимости. Оно представляет собой раскаленный газовый шар, диаметр которого в 109, а масса в 333 000 раз больше Земли. Температура на его поверхности около 6 000°, а в центре достигает 12–16 млн. градусов. Солнце непрерывно излучает в мировое пространство огромное количество энергии в виде тепловых, световых и других лучей. Около одной двухмиллиардной доли этой энергии достигает нашей планеты, однако и ее достаточно для развития жизни на Земле. Лучистая энергия звезд составляет только одну стомиллионную долю поступающей солнечной энергии, а космические излучения–две миллиардные.
Видимое излучение Солнца характеризуется большим постоянством, а ультрафиолетовая и рентгеновская части солнечного спектра. и корпускулярное излучение изменяются с изменением солнечной активности. Существуют 11-, 22-, 80-, 90-летние и другие циклы. Цикличность солнечной активности имеет следствием цикличность целого ряда явлений в географической оболочке.
Под влиянием притяжения Солнца все планеты Солнечной системы обращаются вокруг него по эллиптическим (близким к круговым); орбитам, лежащим почти в одной плоскости. Одновременно с поступательным движением по орбитам планеты (кроме Венеры и Урана) и их спутники вращаются вокруг своих осей в направлении орбитального движения.
По своим физическим характеристикам планеты Солнечной системы объединяются в две группы, разграниченные в пространстве поясом астероидов.. Планеты, движущиеся внутри этого пояса и поэтому часто называемые внутренними (земными) (Меркурий, Венера, Земля, Марс), небольшие по размерам и массе, имеют, твердую поверхность, сравнительно высокую среднюю плотность, близкую к плотности Земли (5,52 г/см3), и обладают атмосферами (кроме Меркурия).
Внешние планеты, движущиеся за кольцом астероидов, образуют группу планет-гигантов (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Они характеризуются большими размерами и массами, быстрым вращением, сравнительно небольшой плотностью, не имеют твердой поверхности. Последняя планета Солнечной системы – Плутон пока еще плохо изучена и ее трудно причислить к той или иной группе.
Малые планеты (астероиды) имеют небольшие размеры и неправильную угловатую форму. Они вращаются вокруг Солнца по очень вытянутым орбитам. Астероиды могут пересекать пути движения больших планет, что делает возможным захват их этими планетами.
Еще меньше размеры комет. Кометы состоят из ядра, головы и хвоста. Ядро кометы – это глыба льда с включениями твердых частиц. При приближении к Солнцу происходит испарение льдов и распыление твердых частиц. Ядро окутывается газовой оболочкой, образуя голову, а выделяющиеся из ядра газ и пыль создают хвост. Орбиты движения комет имеют форму очень вытянутых эллипсоидов и даже порабол. Кометы – недолго живущие тела Солнечной системы; с каждым полетом вблизи Солнца ядро кометы теряет газы и пыль и со временем распадается, образуя метеорные потоки.
Метеорное вещество – твердые частички различных размеров, масса которых в основном измеряется граммами. Попадая в атмосферу Земли, они нагреваются и сгорают, оставляя на небе мгновенный след, напоминающий падающую звезду. Метеорное тело: долетевшее до поверхности Земли, называется метеоритом. За счет падения метеоритов масса Земли ежегодно увеличивается приблизительно на 10 млн. т. На месте падения крупных метеоритов образуются метеорные кратеры. Аризонский метеорный кратер имеет диаметр 1200 м и глубину 200 м.
Самым близким к Земле космическим телом является Луна – единственный естественный спутник нашей планеты. Обращаясь вокруг Земли навстречу суточному вращению звезд, Луна совершает полный оборот за 27 суток 7 ч 43 мин (сидерический месяц). Вид Луны (фаза) постоянно меняется. Это обусловлено двумя причинами: 1) Луна – холодное тело и светит отраженным солнечным светом; 2) вследствие ее движения вокруг Земли взаимное положение в пространстве Земли, Луны и Солнца все время изменяется. Промежуток времени между двумя одинаковыми фазами Луны называется синодическим месяцем. Он длиннее сидерического (29 суток 12 ч 44 мин). Видимое движение Луны по небесной сфере происходит под углом 5° к плоскости земной орбиты. Точки пересечения орбит Земли и Луны называются лунными узлами. Если новолуние совпадает с лунным узлом, то тогда Луна, Земля и Солнце находятся на одной прямой и наблюдается затмение Солнца. Затмение Луны бывает в полнолуние, совпадающее с лунным узлом.
Масса Луны в 81 раз меньше массы Земли, а сила притяжения на ней в 6 раз меньше, чем на Земле. Обладая малой силой притяжения, Луна не смогла удержать около себя атмосферу. Нет на Луне и воды. Из-за отсутствия атмосферы температура наружного слоя Луны подвержена большим колебаниям: от +130˚ С на дневной стороне до –150° на ночной. Характерная форма лунного рельефа кратеры, образованные от падения метеоритов, которые с огромной скоростью в безвоздушной среде ударяются о лунную поверхность.
Система Земля – Луна имеет общий центр тяжести, расположенный в Земле на расстоянии 0,73 земного радиуса. В этом центре сила притяжения и центробежная сила равны между собой. Во всех других точках на поверхности Земли они не равны и их взаимодействие ведет к образованию приливов и отливов. Приливную волну образует также взаимодействие Земли с Солнцем, однако Солнце расположено в 390 раз дальше от Земли, Чем Луна. Поэтому приливообразующая сила Солнца В 2,2 раза меньше приливообразующей силы Луны. Лунные и солнечные приливообразующие силы могут складываться или вычитаться в зависимости от взаиморасположения Солнца, Земли и Луны. Так как приливная волна двигается навстречу вращению Земли, то она замедляет суточное вращение Земли примерно на 24 с за 1 млн лет. Снижение скорости вращения Земли со временем отражается на ее фигуре – уменьшается сжатие, что вызывает значительную деформацию земной коры.
С древних времен звезды были и остаются надежными ориентирами, по которым люди определяют стороны горизонта и время ночи.
При изучении вида звездного неба пользуются понятием небесной сферы – воображаемой сферы произвольного радиуса, к внутренней поверхности которой как бы «подвешены» звезды (см. рис. 1). Точка О, в которой находится наблюдатель-центр небесной сферы. Точка Z небесной сферы, расположенная над головой наблюдателя, называется зенитом, а противоположная ей Z' – надиром. Плоскость, проведенная через центр небесной сферы перпендикулярно отвесной линии ZZ', называется истинным (или математическим) горизонтом. Он делит небесную сферу на две полусферы, одна из которых находится над ним и доступна наблюдениям, а другая не видна, поскольку скрыта земной поверхностью.
Суточное вращение небесной сферы является отражением вращения Земли. Ось POP' суточного вращения небесной сферы называется осью мира, а точки пересечения небесной сферы с осью мира – полюсами мира. Северный полюс мира Р лежит над горизонтом в Северном полушарии небесной сферы на расстоянии около 1 градуса от Полярной звезды. Южный полюс мира находится в Южном полушарии небесной сферы, и вблизи него нет ярких звезд.
Большой круг QQ' небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к оси мира, называется небесным экватором. Небесный экватор делит небесную сферу на два полушария–Северное и Южное. Небесный экватор пересекается с истинным горизонтом в двух диаметрально противоположных точках–востока Е и запада W.
Большой круг Р Z S Р' Z' N небесной сферы, проходящий через полюсы мира, зенит и надир, называется небесным меридианом. Он пересекается с истинным горизонтом в двух диаметрально противоположных точках – точке юга S и точке севера N. Диаметр небесной сферы NOS, проходящий через точки севера и юга, именуется полуденной линией.
Опираясь на основные точки и круги небесной сферы, можно с большой точностью определять видимые положения небесных светил числовыми величинами, называемыми небесными координатами.
Изучение звездного неба проводят в заранее выбранном месте, защищенном от электрического освещения. Во время наблюдений желательно иметь карманные фонарики, бинокли, компасы.
Все небо разделено на 88 созвездий, которые можно находить по характерному для них расположению звезд. Так как в созвездия входят звезды разной яркости, то для облегчения ориентирования принято следующее стандартное обозначение: ярчайшая из звезд созвездия обозначается буквой альфа (а), вторая по яркости звезда – буквой бета (Р) и т. д. Вместе с тем яркие звезды в созвездиях имеют еще и собственные имена.
Положение звезд относительно горизонта постоянно меняется вследствие суточного вращения Земли вокруг оси и годичного – вокруг Солнца. Оно различно в разные часы одних и тех же суток н в одни и те же вечерние часы разных месяцев года. Быстро и точно установить положение звезд относительно горизонта для любого момента времени можно с помощью подвижной карты звездного неба. С карты и накладного круга надо снять копии и наклеить их на плотный картон. В накладном круге следует сделать внутренний вырез по одной из замкнутых линий с определенной широтой места, в котором предполагается пользоваться картой.
Пользуются картой следующим образом: накладной круг кладут на карту так, чтобы нужный нам час (часы отмечены по краю накладного круга) пришелся против даты, соответствующей дате нашего наблюдения (месяц и числа отмечены на краю звездной карты). Тогда в вырезе накладного круга будут находиться те созвездия и звезды, которые в данный момент оказываются над горизонтом. Соответствие показаний карты с наблюдаемой картиной звездного неба будет полным, если карту приподнять перед собой, обратив ее край с надписью «север» к северной точке горизонта.
Осмотр неба обычно начинают с самых ярких звезд и относительно их запоминают расположение более слабых. Следуя этому правилу, знакомство со звездным небом лучше начать с отыскания подобной ковшу фигуры, образованной семью яркими звездами. Ковш входит в созвездие Большой Медведицы. Если через две крайние звезды в ковше Большой Медведицы (а и (3) провести прямую и на ней мысленно отложить 5 раз расстояние между этими звездами, то встретим Полярную звезду, главную звезду Малой Медведицы. Откуда произошли эти названия?
ЗЕМЛЯ И ВСЕЛЕННАЯ
Задания
1. Укажите положение нашей планеты в Галактике (рис. 30, практикум 1, стр. 31) и в Солнечной системе и сделайте соответствующие чертежи.
2. Объясните, почему Луна все время повернута к Земле одной и той же стороной. Сделайте соответствующий чертеж.
3. Воспроизведите рисунок 31(практикум 1, стр. 31) и объясните, почему наблюдатель с Земли видит различные фазы Луны. А какие фазы Земли видит наблюдатель с Луны?
4. Воспроизведите рисунок 32 (практикум 1, стр. 32), а, б и объясните возникновение солнечных и лунных затмений.
5. В какие фазы Луны возможны лунные, а в какие – солнечные затмения?
6. Почему затмения не повторяются каждый месяц (одно солнечное и одно лунное), а происходят значительно реже?
7. Воспроизведите рисунок 33(практикум 1, стр.32) и объясните образование приливов и отливов. Каковы высоты прилива в открытом океане, наиболее высоких приливов в заливах Мирового океана, в твердом теле Земли? Почему приливные выступы превращаются в приливную волну? Почему приливы чередуются с отливами?
8. Повторите в тетради рисунок 34 (практикум 1, стр. 35), а, б и дополните его, показав положение и фазы Луны.
9. В какие фазы Луны наблюдаются максимальные и минимальные приливы и почему? Какое космическое тело вызывает приливы, показанные на чертеже горизонтальной штриховкой, а какое – приливы, показанные без штриховки?
10. Используя данные таблицы 6 (практикум 1, стр. 33), составьте для одной из планет Солнечной системы и Земли сравнительную характеристику.
11. Опираясь на сравнение астрономических характеристик и данные научной и научно-популярной литературы, составьте краткую физико-географическую характеристику данной планеты, отвечая на следующие вопросы: Может ли планета удерживать атмосферу? Есть ли на этой планете смена времен года, и если есть, то с чем она связана – с изменением расстояния от Солнца (с эксцентриситетом орбиты) или с наклоном оси? Велики или малы суточные контрасты температуры и почему? Как влияет атмосфера на температурный режим планеты? Каков состав атмосферы? Приведите имеющиеся в литературе данные относительно рельефа планеты (если избрана планета земной группы). Чем отличается эта планета от планет земной группы (если избрана одна из больших планет)? Оцените физико-географические условия для выяснения возможности существования биосферы на данной планете.
12. Оцените астрономические характеристики Земли с точки зрения существования биосферы. Какие именно характеристики важны и почему?
13. Выполните практическое занятие по теме «Земля и Вселенная».
План практического занятия:
· Луна, фазы Луны, приливы и отливы, солнечные и лунные затмения. Влияние Луны на географическую оболочку.
· Галактики, их типы. Наша Галактика – Млечный Путь.
· Кометы.
· Метеориты.
· Сравнительная характеристика Земли и планет Солнечной системы (Меркурий, Венера, Марс, Сатурн, Юпитер, Уран).
Задания
1. Обобщая материал темы «Земля и Вселенная», выделите основные процессы, происходящие в географической оболочке, вызванные воздействием Солнца, Луны, Космоса на нашу планету. Как Земля воспринимает это воздействие?
2. Используйте книгу С. В. Калесника «Общие географические закономерности Земли» (М.: Мысль, 1970. – С. 10–13. С. 16– 20).
3. Прочитайте книгу Я. Г. Каца, А. Г. Рябухина «Космическая геология» (М.: Просвещение, 1984). Напишите отзыв на эту книгу. Понравилась ли вам она? Что нового вы узнали о других планетах? Что нового вы узнали о нашей Земле, сравнивая ее с другими планетами? Какие важные особенности отличают Землю от других планет? О чем захотелось вам рассказать детям на уроке или во время внеклассной беседы?
4. Прочитайте книгу М. М. Колтуна «Солнце и человечество» (М.: Детская литература, 1981). Напишите отзыв на эту книгу. Понравилась ли вам она? Что нового узнали вы о строении и жизни Солнца, о значении его для Земли и человечества?
5. О чем бы вы рассказали детям на уроке или во время внеклассной беседы?
6. Прочитайте книгу В. И. Комарова «Приглашение к звездам» (М.: Детская литература, 1985). Напишите отзыв на эту книгу. Понравилась ли вам она? Какая глава показалась наиболее интересной? Что нового вы узнали о Солнечной системе, о созвездиях, об интересных небесных явлениях? О чем захотелось рассказать детям на уроке или во время внеклассной беседы?
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ
Найдите в предложенных вариантах заданий правильный ответ на следующие вопросы:
Вариант 1.
1. Где расположено наше Солнце в Галактике?
а) является центром Галактики;
б) расположено в ядре Галактики;
в) расположено в основной плоскости диска Галактики, но не в центре, а ближе к краю.
2. По каким орбитам движутся планеты вокруг Солнца:
а) по окружностям;
б) по эллипсам близким к окружностям;
в) по пораболам.
3. В каком направлении движутся планеты по своим орбитам?
а) все планеты движутся вокруг Солнца в одном направлении, как Земля (в прямом);
б) все планеты движутся вокруг Солнца в прямом направлении, кроме Венеры и Урана.
4. Точка пересечения небесной сферы с осью мира называется:
а) зенит;
б) полюс мира.
5. Если в процессе движения вокруг Земли Луна оказывается на небе между Землёй и Солнцем, то:
а) мы видим Луну как узкий серп;
б) мы видим на небе полный диск Луны;
в) мы совсем не видим Луны.
Вариант 2.
1. Какие тела, кроме Солнца, входят в Солнечную систему?
а) кометы;
б) звёзды;
в) планеты;
г) метеорные тела;
д) спутники планет;
е) астероиды;
ж) искусственные спутники Земли.
2. В каком направлении вращаются вокруг своей оси планеты Солнечной системы?
а) все планеты вращаются вокруг оси в направлении вращения вокруг Солнца;
б) все планеты, кроме Венеры и Урана, вращаются вокруг оси в направлении вращения вокруг солнца.
3. Самая высокая точка небесной сферы, расположенная над головой наблюдателя, называется…
а) полюс мира;
б) зенит.
4. Если серп Луны обращён выпуклостью вправо, то …
а) Луна растёт (Луна «молодая»);
б) Луна убывает (Луна «старая»).
5. Лунные затмения могут быть только во время …
а) новолуния;
б) первой четверти;
в) полнолуния;
г) последней четверти.