Ziemia

fot. NASA

Ziemia jest trzecią według oddalenia od Słońca planetą Układu Słonecznego, jedyną zamieszkałą przez ludzi.

Ziemia obiega Słońce po elipsie w czasie 365 dni 6 h 14 min 24 s, przebywając drogę około 936 mln km ze średnią prędkością 30 km/s. Nachylenie płaszczyzny równika do płaszczyzny ekliptyki wynosi 23°27', półoś wielka orbity 149,6 mln km, czas pełnego obrotu Ziemi wokół własnej osi 23 h 56 min 4 s, promień równikowy 6378,245 km, promień biegunowy 6356,863 km, masa 5,975 · 1024 kg, średnia gęstość 5,52 g/cm3, przyspieszenie na powierzchni Ziemi około 9,7805 m/s2.

Informacje o budowie wnętrza Ziemi są uzyskiwane głównie dzięki badaniom przebiegu fal sejsmicznych w jej wnętrzu. Badania te umożliwiły wyróżnienie koncentrycznych stref Ziemi - geosfer: skorupy ziemskiej, płaszcza Ziemi, jądra Ziemi (wewn. i zewn.). Skorupa ziemska wraz z górną częścią płaszcza (tzw. płaszczem litosferycznym) tworzy skalną powłokę zwaną litosferą. Materia poszczególnych geosfer ma różne właściwości fizyczne: na granicy geosfer obserwuje się skokowe zmiany prędkości fal sejsmicznych (tzw. nieciągłości: Mohorovičicia, Golicyna, Gutenberga) związane ze zmianami składu chemicznego lub stanu fazowego ośrodka.

Ziemia ma atmosferę o masie około 5,25 · 1018 kg, której głównymi składnikami są: azot, tlen i argon.

Od przestrzeni międzyplanetarnej oddziela planetę obszar oddziaływania pola magnetycznego Ziemi, zwanego magnetosferą, wewnątrz którego znajdują się pasy radiacji (pasy Van Allena).

Ziemia ma jednego naturalnego satelitę - Księżyc.

Obrót Ziemi dookoła osi powoduje występowanie dnia i nocy, natomiast obieg wokół Słońca - w powiązaniu z nachyleniem osi Ziemi do płaszczyzny ekliptyki - występowanie pór roku. O rozkładzie stref klimatycznych na Ziemi decyduje w dużej mierze kąt nachylenia osi Ziemi do płaszczyzny ekliptyki.

 

Ziemia i Księżyc

>>> Ziemia z kosmosu. Widać Afrykę i Arabię Saudyjską. Fot. NASA.

Trzecią według oddalenia od Słońca planetą jest Ziemia. Jej powierzchnia to jedyne znane miejsce we Wszechświecie, gdzie rozwinęło się życie. Ziemia jest także jedyną planetą Układu Słonecznego, której powierzchnię w ponad 70% pokrywa woda. Ziemia okrąża Słońce po prawie kołowej orbicie (o mimośrodzie 0,017) w średniej odległości 149,6 mln km (przyjętej jako jednostka astronomiczna). Płaszczyzna ruchu Ziemi wokół Słońca definiuje tzw. płaszczyznę ekliptyki, względem której określa się położenia płaszczyzn ruchu ciał Układu Słonecznego. Średnia prędkość orbitalna Ziemi wynosi 29,8 km/s. Okres obiegu Ziemi wokół Słońca przyjmuje się jako jednostkę czasu, zwaną rokiem. Niemal kulisty glob ziemski wiruje wokół osi (co jest przyczyną niewielkiego spłaszczenia naszej planety na biegunach: promień równikowy, równy 6378 km, jest o 2 km dłuższy od promienia biegunowego) nachylonej do płaszczyzny ekliptyki pod kątem 66,6^o. Okres obrotu globu ziemskiego przyjmuje się również jako jednostkę czasu, zwaną dobą. Masa Ziemi wynosi 5,9749 x 10²⁴ kg i stanowi zaledwie trzystutysięczną część masy Słońca. Średnia gęstość materii ziemskiej wynosi 5,52 g/cm³ i jest największa wśród wszystkich planet Układu Słonecznego.

Wnętrze Ziemi nie jest jednorodne. Współczesne modele budowy wewnętrznej Ziemi przewidują, że w środku znajduje się stałe jądro wewnętrzne o promieniu 1227 km, złożone ze stopu żelaza z domieszką niklu, które otoczone jest warstwą jądra zewnętrznego o grubości 2258 km, zawierającego ciekły stop żelaza z dodatkami siarki, krzemu i tlenu. Ogółem promień jądra ma długość 3485 km i zawiera około 32% masy Ziemi. Nad jądrem rozpościera się płaszcz skalisty o grubości ponad 2800 km, przykryty kilkudziesięciokilometrową skorupą powierzchniową. Materiał skalny płaszcza składa się głównie z oliwinu i piroksenu. Skorupa Ziemi do dziś pozostaje aktywna geologicznie, co jest wynikiem grzania wewnętrznego, którego źródło stanowi stygnięcie jądra oraz energia rozpadu izotopów promieniotwórczych wewnątrz Ziemi. Aktywność ta przejawia się przede wszystkim podziałem skorupy na starsze i grubsze (około 40 km) płyty kontynentalne, pokrywające około 40% powierzchni, oraz młodsze i cieńsze (około 7 km) płyty oceaniczne, obejmujące resztę powierzchni. Ruchy tych płyt względem siebie odbywają się z prędkościami kilku centymetrów na rok.

Atmosfera Ziemi składa się głównie z azotu (78%) i tlenu (2%) z domieszkami niewielkich ilości gazów szlachetnych, dwutlenku węgla i wodoru. Przy powierzchni atmosfera nasycona jest parą wodną, która kondensuje na cząstkach pyłu, tworząc obłoki. Masa atmosfery stanowi zaledwie milionową część masy Ziemi. Ciśnienie atmosferyczne przy powierzchni Ziemi wynosi średnio 0,1 MPa (definiuje jednostkę, zwaną atmosferą). Na wysokości kilku kilometrów spada do połowy tej wartości, a kilkunastu kilometrów - do 10%. Średnia temperatura przy powierzchni Ziemi wynosi +15^oC, a gęstość atmosfery jest równa 1,22x10^-3 g/cm³. Przebieg zmian temperatury atmosfery w zależności od wysokości jest podstawą wyodrębnienia kolejnych jej warstw: troposfery, stratosfery, mezosfery i termosfery.

Skład chemiczny ziemskiej atmosfery (zestawiła M. Sołtan).
 

Cząsteczka	Symbol chemiczny	Zawartość procentowa w jednostce objętości
Azot cząsteczkowy	N2	78,084
Tlen cząsteczkowy	O2	20,948
Argon	Ar	0,934
Dwutlenek węgla	CO2	0,0333
Neon	Ne	0,001818
Hel	He	0,000524
Metan	CH4	0,000200
Krypton	Kr	0,000114
Wodór cząsteczkowy	H2	0,000050
Ozon	O3	0,000040
Podtlenek azotu	N2O	0,000027
Tlenek węgla	CO	0,000020
Ksenon	Xe	0,0000087
Formaldehyd	H2CO	0,0000010
Amoniak	NH3	0,0000004

>>> Ziemia i Księżyc - podwójna planeta sfotografowana przez sondę Galileo w 1990 r. w drodze ku Jowiszowi. Fot. JPL/NASA.

Ciepło wydzielane podczas stygnięcia jądra Ziemi wzbudza w nim ruchy konwekcyjne, które dzięki zjawisku dynama geomagnetycznego są źródłem ziemskiego pola magnetycznego. Jest ono w przybliżeniu polem dipolowym o osi odchylonej od osi obrotu Ziemi o 11,7o. Indukcja magnetyczna na równiku wynosi 3 mikrotesli (T). Wiatr słoneczny napływający ku naszej planecie napotyka ziemskie pole magnetyczne i tworzy wokół niej rozległą magnetosferę, która od strony Słońca sięga odległości ponad 10 promieni ziemskich. Pole magnetyczne więzi w pasach radiacyjnych Van Allena naładowane wysokoenergetyczne cząstki (elektrony i protony); powstają w ten sposób dwa grube pierścienie, otaczające Ziemię nad równikiem magnetycznym i rozciągające się w odległości około 1,5-2 i 3-4 promieni Ziemi.

>>> Widoczna strona Księżyca. Na tarczy zaznaczono miejsca lądowań amerykańskich statków załogowych Apollo, sond bezzałogowych Surveyor oraz radzieckich sond bezzałogowych Łuna. Fot. Obserwatorium Licka. Wg "Atlas Układu Słonecznego NASA", Prószyński i S-ka, Warszawa 1999.

Ziemia ma jednego satelitę, Księżyc, który jest drugim (po Słońcu) pod względem jasności obiektem na niebie. Księżyc porusza się wokół Ziemi po prawie kołowej orbicie (o mimośrodzie 0,05), położonej w płaszczyźnie nachylonej do płaszczyzny ekliptyki pod kątem 5,1^o. Średnia odległość Księżyca od Ziemi wynosi 384,4 tys. km, a okres jego obiegu wokół naszej planety jest równy 27,3 dnia. Księżyc wiruje wokół osi nachylonej do płaszczyzny ekliptyki pod kątem 88^o, a okres jego obrotu jest równy okresowi obiegu wokół Ziemi, a więc Księżyc pozostaje do niej zwrócony zawsze tą samą stroną. Promień Księżyca wynosi 1738 km (0,27 promienia Ziemi), a jego masa jest równa 7,35x10²² kg, co stanowi 1/81 masy Ziemi (stosunek masy Księżyca do masy Ziemi jest największy ze stosunków mas satelitów do mas ich macierzystych planet w Układzie Słonecznym). Średnia gęstość materii, z której składa się Księżyc, wynosi zaledwie 3,34 g/cm³.

>>> Zdjęcie Księżyca wykonane w maju 1967 r. przez sondę Lunar Orbiter 4. W środku jest widoczny basen Mare Orientale - uważany za najefektowniejszą strukturę uderzeniową (powstałą w wyniku spadku innego ciała) na powierzchni Srebrnego Globu. Fot. NASA.

Znacznie mniejsza niż Ziemi średnia gęstość Księżyca wskazuje na to, że jego wnętrze musi być uboższe w żelazo. Według współczesnych modeli niewielkie jądro żelazne (o promieniu około 700 km) otacza warstwa stopionych skał o grubości mniej więcej 400 km, nad którą rozpościera się sztywny płaszcz skalisty pokryty kilkudziesięciokilometrową twardą skorupą. Wprawdzie skład chemiczny Księżyca różni się od ziemskiego, ale jego niemal identyczny z ziemskim skład izotopowy wydaje się sugerować wspólne pochodzenie obu ciał. Przypuszcza się, że Księżyc powstał w końcowej fazie tworzenia się Układu Słonecznego jako rezultat zderzenia protoplanety wielkości Marsa z rozwarstwioną już na jądro i płaszcz Ziemią. Zderzenie nie było centralne i dlatego w jego wyniku Ziemia pozbawiona została tylko części płaszcza, zachowując większość żelaznego jądra. Materiał płaszcza, rozproszony w postaci dysku na bliskiej orbicie okołoziemskiej, stygnąc szybko skondensował do postaci naturalnego satelity. Oddziaływania pływowe oddaliły od siebie oba ciała - jeszcze dziś odległość Księżyca od Ziemi wzrasta w tempie 3 cm na rok.

>>> Mapa topograficzna Księżyca sporządzona na podstawie obserwacji wykonanych przez sondę Clementine w 1994 r. Najniżej położone obszary mają kolor fioletowy, leżące nieco wyżej - niebieski, jeszcze wyżej - zielony i czerwony. Mapa obejmuje 450o w długości (powtórzony na niej został fragment 90-180o) i od -70o do +70o w szerokości. Uwagę zwracają dwa olbrzymie baseny (depresje): basen Aitkena w pobliżu bieguna południowego (u góry z prawej) i obszar obejmujący centralno-północną część widocznej strony Księżyca (tzn. zwróconej ku Ziemi). Najwyżej położone fragmenty powierzchni Księżyca znajdują się na jego niewidocznej stronie, w centrum i na północ. Fot. USGS/NASA.

Powierzchnię Księżyca tworzą głównie skały bazaltowe pochodzenia wulkanicznego. Cała pokryta jest kraterami uderzeniowymi; na widocznej z Ziemi części powierzchni znajduje się około 300 tys. kraterów o średnicy ponad 1 km; na odwrotnej stronie jest ich dużo więcej. Wśród innych struktur powierzchniowych zwracają uwagę łańcuchy gór, których wysokość dochodzi do 8 km, a także bruzdy i szczeliny o szerokości do 5 km i długości kilkuset km. Temperatura powierzchni Księżyca zmienia się od +110^oC w środku dnia księżycowego do -80^oC w środku nocy; tak duże różnice spowodowane są brakiem atmosfery.

Na powierzchni Księżyca nie ma wody. Ale w 1996 r. doniesiono, że wnikliwa analiza wyników obserwacji radarowych, wykonanych dwa lata wcześniej z krążącej wokół Księżyca sondy Clementine, wskazuje, że dna głębokich kraterów w okolicach biegunów, do których nigdy nie dociera promieniowanie słoneczne, pokrywa warstwa lodu wodnego. Gdyby przyszłe badania to potwierdziły, byłoby to jedno z donioślejszych odkryć o znaczeniu również i praktycznym. Księżyc jest bowiem dotychczas jedynym naturalnym obiektem pozaziemskim, na którym był już człowiek i wobec którego ma dalsze ambitneplany eksploracyjne.