Соседи планеты Земля

Международный детский творческий фестиваль
«Апельсин»
Номинация: наука, исследования
Соседи планеты Земля
Автор: Поскотинова Анастасия, 10 лет
Россия, Челябинская область, город Озёрск
Научный руководитель: Шумков Владислав Петрович
педагог дополнительного образования
МБОУ ДОД «Дворец творчества детей и молодёжи»
2012
Содержание
Введение
3
I. Теоретическая часть
1. От теории Лапласа к первому закону Кеплера
4
2. Где же может возникнуть жизнь?
6
3. Жизнь на Марсе существовала!?
8
4. Будущее за Венерой?
11
II Практическая часть
1. Наблюдения в телескоп Венеры и Марса
14
Выводы по работе
16
Список используемой литературы
17
2
ВВЕДЕНИЕ
Земля - колыбель человечества,
но нельзя же вечно жить в колыбели!
К.Э. Циолковский
Удивительно, но факт. В XXI веке совершенно неясен вопрос о происхождении жизни на Земле и других форм жизни во Вселенной. Поэтому нас
заинтересовал вопрос о возможности существования жизни на ближайших к
Земле соседях - планетах1 Венера и Марс.
Представления о том, что разумная жизнь существует не только на
нашей планете, но и широко распространена во множестве других миров,
возникли в незапамятные времена, когда астрономия ещё только зарождалась
как наука.
Так, например, большинство греческих философов считали, что наша
Земля не является единственным обиталищем разумной жизни.
В настоящее время астрономы наблюдают космические тела на различной стадии развития: образовавшиеся недавно и в далёком прошлом, быстро
"стареющие" или почти "застывшие" в своём развитии. Сравнивая многочисленные данные наблюдений с физическими процессами, которые могут происходить при различных условиях в космическом пространстве на открытых
экзопланетах2, учёные пытаются объяснить, как возникают небесные тела.
Нет ничего более волнующего, чем поиски жизни и разума во Вселенной.
Цель работы
- познакомиться с теориями о происхождении Солнечной
системы;
- изучить условия существования биологической жизни;
- рассмотреть теоретическую возможность существования
жизни на ближайших планетах.
Задачи работы
- провести сравнительную характеристику Земли, Марса
и Венеры;
- провести наблюдения планет с помощью телескопарефлектора;
- проанализировать результаты наблюдений и сделать
выводы.
1
Планета – это небесное тело, которое вращается вокруг Солнца
2
Экзопланета - планета, обращающаяся вокруг звезды за пределами Солнечной системы.
3
I Теоретическая часть
1. От теории Лапласа к первому закону Кеплера
К настоящему моменту существует множество гипотез происхождения
Солнечной системы, сменявших одна другую на протяжении последних двух
столетий.
Хочется остановиться на гипотезе, предложенной французским математиком Лапласом в книге «Изложение системы мира», вышедшей в свет в
1796 году.
Гипотеза Лапласа была результатом осмысления астрономических
наблюдений и расчетов движений тел под действием ньютоновской силы тяготения.
Лаплас считал, что Солнечная система рождена из очень горячей газовой туманности, находящейся в состоянии вращения вокруг молодого
Солнца. Постепенно туманность остыла и под действием тяготения начала
сжиматься. С уменьшением ее размеров она вращалась все быстрее. Из-за
быстрого вращения центробежные силы стали сравнимы с силой тяготения,
туманность сплющилась, и превратилась в околосолнечный диск, который
стал разбиваться на кольца. Чем ближе к Солнцу было кольцо, тем оно вращалось быстрее. Вещество каждого кольца постепенно остыло. Т.к. вещество
в кольце было распределено неоднородно, отдельные его сгустки под действием силы тяготения начали сжиматься и собираться вместе. В конце концов, кольцо из сгустков превратилось в протопланету3.
Данная гипотеза выдержала испытание временем. Она просуществлвала более ста лет. В рамках этой гипотезы учёным не удалось дать ответы на
вопросы, связанные с движением планет. Однако, физические эффекты
«остывания» и «гравитационного сжатия», которыми пользовался Лаплас,
являются главными и в современных моделях образования Солнечной системы.
С древнейших времен считалось, что небесные тела движутся по «идеальным кривым» - окружностям. Философы утверждали, что небесное
устройство, в отличие от земного, совершенно по своей гармонии, а поскольку совершеннейшими из геометрических фигур являются окружность и сфера, значит, планеты движутся по окружности.
3
Протопланета – начальная стадия образования планеты.
4
Рисунок 1. Геоцентрическая система Птолемея
В теории Николая Коперника, создателя гелиоцентрической системы
мира, круговое движение также не подвергалось сомнению.
Рисунок 2. Гелиоцентрическая система мира Коперника
Иоганн Кеплер, изучая движение Марса, обнаружил, что орбита Марса
не окружность, она имеет вытянутую форму эллипса. До него это просто не
приходило в голову никому из астрономов.
И. Кеплер исследовал движения всех известных в то время планет и метематически вывел три закона движения планет относительно Солнца. Эти
законы применимы не только к движению планет, но и к движению их естественных и искусственных спутников4.
Первый закон Кеплера (1609 г.) гласит: «Все планеты движутся по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце».
Степень вытянутости орбит у всех планет разная, но все эллиптические
орбиты роднит одно - Солнце расположено в одном из двух фокусов эллипса.
Рисунок 3. Орбита вращения планеты
Из современных источников мы знаем, что, орбита Венеры почти круговая (расстояние от Земли составляет 40 млн. км), а орбита Марса самая
4
Спутник – естественные тела, обращающиеся вокруг планет.
5
вытянутая. Поэтому расстояние до Земли изменяется от 55 млн. км до 110
млн. км.
2. Где может возникнуть жизнь?
Проблема возникновения жизни на Земле - есть одна из основных проблем естествознания.
Так как известно, что планетных систем, сходных с Солнечной системой, в Галактике насчитывается несколько миллиардов, вполне естественно
предполагать, что где-то может возникнуть и развиваться жизнь…
Астрономы называют пять условий для зарождения жизни.
1. Планеты не могут обращаться вокруг звезды5 слишком близко или
слишком далеко. Необходимо, чтобы температуры их поверхностей были
благоприятны для развития жизни.
2. Массы образовавшихся планет не должны быть ни слишком большими, ни слишком маленькими. В первом случае гигантские атмосферы этих
планет, богатые водородом и его соединениями, исключают возможность
развития жизни. Во втором случае за время эволюции атмосферы будут рассеиваться (тому пример Меркурий).
3. Высокоорганизованная жизнь может быть только на планетах, обращающихся вокруг достаточно старых звезд, возраст которых насчитывает несколько миллиардов лет.
4. Звезда в течение нескольких миллиардов лет не должна менять своей
светимости.
5. Звезда не должна быть кратной, ибо в противном случае орбитальное
движение планет было бы существенно отлично от кругового, и резкие, если
не катастрофические, изменения температуры поверхности планеты исключили бы возможность развития на ней жизни.
Из выше сказанного К.Э. Циолковский сделал вывод, что «на крупных
планетах с газовыми оболочками была, есть или будет жизнь».
Рассмотрим факторы, которые могут привести к возможности заселения
других планет, их терраформированию6.
Практическое значение этого явления обусловлено необходимостью
обеспечить существование и развитие человечества. С течением времени
рост населения Земли, экологические и климатические изменения могут создать ситуацию, когда недостаток пригодной для обитания территории поставит под угрозу дальнейшее существование и развитие нашей цивилизации
5
Звезда – это огромный раскаленный газовый шар.
Терраформирование (лат. terra— земля и forma— вид) - это изменение климатических условий
планеты, спутника или же иного космического тела для приведения атмосферы, температуры и
экологических условий в состояние, пригодное для обитания земных животных и растений
6
6
на Земле. Сегодня эта задача представляет в основном теоретический интерес, но в будущем может получить развитие и на практике.
По мнению американского астрофизика Су-Шу Хуанг вокруг любой
звезды существует определённая область - зона жизни, за границы которой
орбиты обитаемых планет не должны выходить. Для этого пригодны звёзды,
богатые химическими элементами: углерод, кислород, азот, сера, фосфор.
Солнце является такой звездой, а наша Земля движется в середине его «зоны
жизни». Венера и Марс находятся вблизи границ этой зоны.
Рис.4. Вид Земли из космоса
В результате благоприятных факторов на Земле образовался океан. Благодаря ультрафиолетовому излучению Солнца, молниям постоянных гроз,
падению комет и многочисленным извержениям вулканов появлялись новые
сложные химические соединения… 4 миллиарда лет назад возникли молекулы, из которых образовались первые простые формы жизни - сине-зеленые
водоросли, превращающие солнечный свет и углекислый газ в энергию. В качестве «побочного продукта» появлялся газообразный кислород, который собирался в атмосфере.
Всё шло в направлении от простого к сложному, к разнообразию структур, форм, свойств. В живых организмах добавлялось стремление к самосохранению, к долговечности. Борьба за существование способствовала увеличению разнообразия форм в животном мире.
Пройдет много времени и на Земле появится человек. Он научится
наблюдать за звёздами и планетами Солнечной системы, строить космические аппараты и запускать их в космос…
Так какая же Земля в настоящее время?
1. Атмосфера Земли содержит 78% азота, 21% кислорода, 1% инертных газов, 0,03% углекислого газа и в незначительных количествах другие газы.
2. Давление и плотность в атмосфере убывают с высотой. Половина воздуха содержится в нижних 5,6 км, а почти вся вторая половина сосредоточена до
высоты 11,3км. На высоте 95 км плотность воздуха в миллион раз ниже, чем у
поверхности.
7
3. Водная оболочка - гидросфера (греч. hydor - «вода») покрывает более
70% поверхности планеты. Масса земной атмосферы в 275 раз меньше массы
гидросферы.
4. Вокруг своей оси Земля вращается не перпендикулярно плоскости своей
орбитыне прямо, а немного под наклоном (угол наклона земной оси - 66,50), благодаря этому происходит смена времён года. В том полушарии, которое наклонено
к Солнцу, наступает лето, а на другом в это время приходит зима. На экваторе всего
два времени года: сезон дождей и сезон засухи.
5. На поверхности нашей планеты диапазон температур, в пределах которых может существовать жизнь, от +60°С до -90°С. Средние температуры
на поверхности нашей планеты почти идеально подходят для развития жизни.
4. Жизнь на Марсе существовала!?
Мир учёных говорит о том, что в далёком прошлом жизнь на Марсе
могла существовать. Так, в 1996 году, американские ученые опубликовали
статью, заявляющую об открытии существования микроорганизмов и других
признаков органической жизни на Марсе.
В веществе метеорита, попавшего на Землю с Марса и упавшего в Антарктиде, были найдены органические соединения, схожие с продуктами
жизнедеятельности земных бактерий.
Это стало свидетельством того, что жизнь на Марсе могла существовать.
Рис. 5. Фотофантазия. Вид Марса из космоса
Значит ли это, что когда-то на Марсе был другой климат? Из книг и бесед с педагогом я узнала, что есть несколько фактов, подтверждающих это.
1. На Марсе существуют длинные системы долин протяженностью в
сотни километров, похожие на высохшие русла земных рек. Некоторые особенности рельефа напоминают выглаженные ледниками участки.
2. Очень старые кратеры почти стерты с лица Марса. Современная атмосфера не могла вызвать такого разрушения.
8
3. Учёный из Канады, Арнольд Бутройд, настаивает, что средняя температура Марса была гораздо выше, чем сейчас. И вода могла течь сама по себе. Несколько миллиардов лет назад Солнце было на 7% тяжелее и светило в
полтора раза ярче.
4. Крисс Маккей из НАСА сравнивает Марс с Антарктидой, где мороз
вполне марсианский, а реки текут и даже озера имеются. По мнению ученого,
реки и озера могли питаться подтаивающими ледниками, особенно на склонах в пустотах под слежавшимся льдом или снегом, где повышено давление.
Полярные шапки состоят из двух составляющих: сезонной— углекислого газа и вековой— водяного льда.
Из всего этого можно сделать вывод, что в прошлом на поверхности
Марса существовали вода и простейшие формы жизни.
В настоящее время учеными доказано, что жизни на Марсе нет.
Что именно привело к серьезным изменениям климата на Марсе?
Одной из причин могло стать столкновение Марса с огромным метеоритом. В результате чего орбита планеты стала эллиптической.
Другой - снижение солнечной активности и разрежение атмосферы
Марса.
Рис.6. Рисунок художников – фантастов. Восход Солнца на Марсе.
Какой же Марс сейчас? Шесть сходств Марса с Землёй.
1. Марсианские сутки составляют 24 часа 39 минут, что очень близко к
земным.
2. Площадь поверхности Марса составляет около 28 % земной - чуть
меньше площади суши на Земле (которая составляет 29 % от всей земной поверхности).
3. Наклон оси Марса к плоскости эклиптики составляет 64,8°, а земной 66,5°. В результате этого на Марсе, как на Земле, есть смена времён года.
Климат Марса можно сравнить с климатом высокогорных областей на Земле
в ясные дни. Днём на Марсе солнечное излучение очень редко поглощается
облаками или туманами. В течение ночи тепло быстро отдаётся поверхно9
стью в пространство, и наступает резкий холод. Это - климат крайностей.
Средняя температура составляет -400С. Минимальная температура опускается до -1250С.
4. У Марса есть атмосфера. Несмотря на то, что она разряжена, она даёт
некоторую защиту от солнечной и космической радиации.
5. Недавние исследования НАСА подтвердили наличие воды на Марсе
на полюсных шапках.
6. Параметры марсианского грунта близки к земным, и на марсианской
почве теоретически можно было бы выращивать растения.
Различия Марса с Землёй.
1. Атмосфера на Марсе разрежена состоит, в основном, из углекислого
газа (около 95%) и малых добавок азота (около 3%), аргона (примерно 1,5%)
и кислорода (0,15%). Концентрация водяного пара невелика, и она существенно меняется в зависимости от сезона. Разреженная атмосфера Марса
плохо удерживает тепло.
2. Давление атмосферы на Марсе в 100 раз меньше давления Земли. Весеннее таяние полярных шапок приводит к резкому повышению давления
атмосферы и перемещению больших масс газа в противоположное полушарие. Скорость дующих при этом ветров составляет 10-40 м/с, иногда до 100
м/с. Ветер поднимает с поверхности большое количество пыли, что приводит
к пылевым бурям. Сильные пылевые бури практически полностью скрывают
поверхность планеты. Пылевые бури оказывают заметное воздействие на
распределение температуры в атмосфере Марса.
3. Год Марса (687 земных или 668 марсианских суток) почти вдвое
длиннее земного, а значит, дольше длятся и сезоны.
4. На поверхности Марса нет воды в жидком агрегатном состоянии.
5. Марс находится дальше от Солнца, количество достигающей его поверхности солнечной энергии примерно вдвое меньше, чем на Земле.
6. Магнитное поле планеты приблизительно в 800 раз слабее, чем на
Земле.
Из всего сказанного можно сделать вывод о том, что на сегодняшний
день Марс является «привлекательным объектом» для будущего заселения.
Рис.7. Рисунок художников – фантастов. Марс в XXII веке
10
План колонизации Марса привлекает человечество в первую очередь изза большого запаса различных полезных ископаемых на планете: меди, железа, вольфрама, рения, урана и других.
Рис.8. Этапы терраформирования Марса
5. Будущее за Венерой?
Венеру в недавнем прошлом астрономы считали почти точной копией
молодой Земли. Строились догадки, что скрывается под её облачным слоем:
тёплые океаны, папоротники, динозавры?
Рис.9. Фотография Венеры с космического аппарата
Но из-за близости к Солнцу Венера совсем не похожа на Землю.
1. Атмосфера Венеры состоит, в основном, из углекислого газа (около
96%) и малых добавок азота (около 4%), в небольших концентрациях другие
газы (метан, аммиак, окислы азота). Углекислый газ в атмосфере Венеры
удерживает тепло, поэтому температура там поднимается до 470°С.
Высокая температура атмосферы у поверхности объясняется действием
парникового эффекта: согласно данным прямых измерений, значительная
часть солнечного излучения (3 - 4%) достигает поверхности и нагревает её, а
сильная непрозрачность для собственного инфракрасного излучения плотной
11
углекислой атмосферы с примесью водяного пара препятствует остыванию
поверхности.
Плотные венерианские облака представляют собой капельки серной
кислоты в довольно высокой концентрации.
2. Атмосферное давление у поверхности Венеры в 90 раз больше давления на Земле, а плотность атмосферы в 35 раз превышает плотность земной.
3. На Венере нет времен года, потому что ее ось вращения находится
практически в вертикальном положении. Средняя температура и днём, и ночью около плюс 460С.
4. На Венере практически нет воды, даже в виде водяного пара.
5. Венера вращается в обратную сторону по сравнению с Землёй и другими планетами Солнечной системы. Наклон оси вращения к перпендикуляру плоскости орбиты составляет 178°. Из-за такого необычного сочетания
направлений и периодов вращения и обращения вокруг Солнца смена дня и
ночи на Венере происходит за 117 земных суток, поэтому день и ночь продолжаются по 58,5 суток.
Рис.10. Поверхность Венеры. Гора Маат – вулкан высотой 8 км
Хотя на Венеру опустилось несколько автоматических зондов, поиском
жизни они не занимались: трудно представить себе жизнь в таких условиях.
Несмотря на все различия условий на Венере и Земле, Венера в некотором роде напоминает Землю:
1. планеты практически одинаковы по своему диаметру, имеют схожие
массы, а также значение ускорения силы тяжести (на Венере оно равно 8,9
м/с2).
2. Венера является ближайшим соседом к нашей планете.
12
3. Над поверхностью Венеры, на высоте 50-100 км в атмосфере Венеры
существуют условия, при которых могут существовать некоторые земные
бактерии.
В ходе выполнения теоретической части работы я выяснила, что в
настоящий момент жизнь существует только на Земле. Но в результате терраформирования возможно зарождение жизни на Венере и Марсе.
Поэтому я полностью согласна со словами К.Э. Циолковского: «На
крупных планетах с газовыми оболочками была, есть или будет жизнь!»
13
II. Практическая часть
1. Наблюдения в телескоп Венеры и Марса
Прежде чем мы приступим к наблюдению планет в телескоп нам надо
понять, где могут находиться на звёздном небе Венера и Марс. Рассмотрим
конфигурацию7 планет.
Начинающему наблюдателю трудно определить среди звёзд нахождение
ярких планет. Поэтому лучше воспользоваться сведениями об их расположении из астрономического календаря на текущий год или же зайти на сайт
бесплатного астрономического журнала “Небосвод”.
Вышедшие номера журнала "Небосвод" можно скачать на Интернетресурсе: http://astronet.ru/. На сайте можно найти также «Астрономическую газету» и «Астрономический Вестник».
Наилучшими инструментами для наблюдения планет являются длиннофокусные рефракторы с диаметром объектива 150-300 мм.
Во-первых, при одинаковом диаметре объектива разрешение у рефрактора выше, чем у рефлектора.
Во-вторых, светосильный инструмент всегда уступает длиннофокусному
по разрешающей способности.
В обсерватории астрономического клуба «Парсек» на базе Дворца
творчества детей и молодёжи из оборудования мы использовали телескопрефлектор “Мицар” Д=110 мм и F=1100мм.
С 1 декабря 2011 года я несколько раз наблюдала Венеру вечером, а
Марс - утром.
Рис.11. Наблюдения планет из башни обсерватории ДТДиМ
7
Конфигурация планет - положение Земли и планет относительно Солнца.
14
Наблюдения за Венерой
Венера является «внутренней» планетой, потому что орбита её находится внутри орбиты Земли. Наблюдатель с Земли может её видеть либо
утром, либо вечером.
В декабре 2011 года начался период вечерней видимости Венеры.
Найти её на небе легко после захода Солнца - она является «самой яркой
звездой» на юго-западе.
Вначале я видела почти полный диск Венеры, а в марте планета стала
заметна в фазе первой четверти. Из наблюдений я сделала выводы о том, что
Венера имеет фазы, похожие на фазы Луны.
Рис.12. Мой рисунок. Зарисовка фаз планеты Венера
Наблюдение за Марсом
Марс является «внешней» планетой, потому что орбита его расположена за орбитой Земли. Наблюдатель с Земли может его видеть в темное время
суток.
С декабря Марс поднимался над горизонтом после полуночи на Востоке.
Поэтому удобнее всего его было наблюдать по утрам, пока ещё темно.
В декабре 2011 года Марс, с увеличением в 90 и 180 раз, еле просматривается т.к. расстояние до него более 130 млн.км. Он был размером меньше
горошины.
3 марта 2012 года Марс был в противостоянии, и его можно было
наблюдать всю ночь. Такие противостояния происходят каждые 2 года.
15
Выводы
В ходе выполнения данной работы я:
• познакомилась с учениями Лапласа, Коперника и Кеплера,
• узнала строение Солнечной системы,
• сравнила условия, существующие на Земле, Венере и Марсе,
• оценила вероятность существования жизни на данных планетах,
• в практической части провела наблюдения планет в телескоп.
После проведения всех наблюдений и исследований я поняла, что жизнь
возможна и на других планетах. Возможно, что через несколько сотен лет в
результате изменения климата соседних планет мы сможем летать на них в
отпуск.
В дальнейшем я планирую:
•
продолжать наблюдение за планетами,
•
изучать вопросы «перерождения» планет и их спутников,
• и собираюсь участвовать в наблюдениях очень редкого явления: прохождения Венеры по диску Солнца в момент нижнего соединения. Это произойдёт утром 6 июня 2012 года, ведь следующее прохождение будет лишь
через 250 лет!
Рис.14. Фотография Венеры на фоне солнечного диска в 2004 году
16
Список используемой литературы
1. 10000 вопросов и ответов/Пер. с англ. П.В. Андрианова, Н.Г. Григорьевой, А.А. Сосинова, М.А. Фадеевой. – М.: АСТ: Астрель, 2010.
2. Большая энциклопедия знаний/Пер. с немецкого Л.С. Беловой, Е.В.
Черныш. – М.: Эксмо, 2010
3. Бронштэн В.А. Планеты и их наблюдения. – М.: Изд. Наука, 1979г.
4. Воронцов-Вельяминов Б.А. Астрономия, учебник 11класс. – М.,
2005г.
5. Зиновьев В.Н. Наблюдения планет в телескоп//Звездочёт, №10, 2001 г.
6. Линкум А.Все обо всем. Популярная энциклопедия для детей. – М.:
Компания Ключ «С» Филологическое общество «Слово» Центр гуманитарных наук при факультете журналистики МГУ им. М.В. Ломоносова, 1993.
7. Новая детская энциклопедия/Пер. с англ. Т. Покидаевой – М.: Махаон,
2010.
8. Серия «Узнай мир» С.Ю. Афонькин. Космос. – СПб.: «БКК», 2008.
9. Уипл Ф.Л. Семья Солнца. – М.: Мир, 1984г.
10. Фарндон Д. Космос. Детская энциклопедия/Пер. с англ. Н. Конча –
М.: Эксмо, 2009.
11. Циолковский К.Э. Путь к звездам. – М.: Книжный Клуб Книговек,
СПб.:Северо-Запад, 2011.
12. Что? Зачем? Почему? Большая книга вопросов и ответов/Пер. с испанского. – М.: Эксмо, 2010.
13. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум/ Под ред. Н.С. Кардашева
и В.И. Морозова. – 6-е изд., доп. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.
14. Энциклопедия для детей. Том 8. Астрономия/ Ред. Коллегия:
М.Аксенова, В. Володин, А. Элиович, В. Цветков и др. – М.: Мир энциклопей
Аванта+, Астрель, 2009.
15. Фильмы DVD – ВВС. Планеты.
17