close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

исследовательская работа Курышов Евгений Олегович Астрономия и астрофизика

код для вставкиСкачать
Открытые Клейменовские чтения
Секция АСТРОНОМИЯ И АСТРОФИЗИКА
Тема исследовательской работы: Являются ли Венера и Земля сестрами?
Выполнил
Курышов Евгений Олегович ТОГОУ кадетская общеобразовательная школа-интернат "Тамбовский кадетский корпус имени Л.С. Демина", 9 класс Научный руководитель: Ермолова Елена Евгеньевна,
учитель химии
г. Тамбов
2011
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ3
ГЛАВА 1. СХОДСТВА И РАЗЛИЧИЯ В СОСТАВЕ, СТРОЕНИИ, ПРОЦЕССАХ, НАБЛЮДАЕМЫХ В АТМОСФЕРАХ ЗЕМЛИ И ВЕНЕРЫ5
1.1. Климатические особенности планет5
1.2. Газовый состав атмосфер планет6
1.3. Строение и ряд особенностей атмосфер Земли и Венеры7
1.4. Циркуляция атмосферы Земли и Вернеры9
1.5. Явление молний10
ГЛАВА 2. ПОЧЕМУ ЗЕМЛЯ И ВЕНЕРА - ПОЛНЫЕ ПРОТИВОПОЛОЖНОСТИ?11
2.1. Причины, определившие в процессе "космической эволюции" Землю и Венеру как полные противоположности11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ13
ИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРСЫ14
ПРИЛОЖЕНИЕ16
Введение
Актуальность. До начала космической эры астрономы знали о Венере очень мало. Плотная облачность мешала им увидеть ее поверхность в телескопы. Из-за скудности научных данных примерно до середины прошлого века бытовало предположение о том, что Венера является подлинным повторением Земли, что на её поверхности лишь немного теплее, что имеется гидросфера, а, может быть, и биосфера. Учёные называли Венеру Землю планетами-близнецами, и даже мечтали обнаружить на Венере жизнь. Несколько удачных рейсов советских аппаратов к планете развеяли этот миф. Однако исследования ближайшей соседки Земли по Солнечной системе продолжаются. Они очень важны. В 2016 году Роскосмос планирует запуск зонда "Венера-Д". Изучение Венеры представляет большой интерес с точки зрения сравнительной планетологии, необходимости понимания эволюции климата Земли, понимания сколь хрупка может быть его стабильность по отношению к человеческой деятельности. Проблема. Венеру часто называют сестрой Земли. По астрономическим характеристикам обе планеты очень похожи. Сходно их происхождение, они обе покрыты плотной воздушной оболочкой, которая пополняется газами, выделяющимися из недр планет. И все-таки, Венера разительно отличается от Земли. Каковы эти отличия? Почему в процессе "космической эволюции" эти две планеты стали чуть ли не полными противоположностями друг другу?
Цель: изучение особенностей атмосфер планет Венеры и Земли.
Гипотеза: если Земля и Венера являются "сестрами", то они должны иметь одинаковые отправные точки в развитии.
Задачи:
* выявить сходство и различия в химическом составе, строении и явлениях, характерных для атмосфер Венеры и Земли;
* изучить особенности климата Венеры;
* выявить причины, определившие развитие планет как полных противоположностей;
* доказать, используя оборудование "Космос-М2", такое свойство атмосферы Земли, как прозрачность. При создании данной исследовательской работы были использованы сведения из различных информационных источников: Интернет-сайтов, энциклопедических статей, посвященных проблеме изучению планеты Венера. Глава 1. Сходства и различия в составе, строении, процессах, наблюдаемых в атмосферах Земли и Венеры
1.1. Климатические особенности планет
Астрономы называют Венеру сестрой Земли, поскольку она ближайшая к нам планета и оба небесных тела весьма похожи по размерам: радиус нашей планеты составляет 6356 км, а Венеры - 6051 км. Вторая планета Солнечной системы хранит множество тайн, среди которых особенно выделяется атмосфера Венеры. Плотность атмосферы столь велика, что давление на поверхности планеты составляет 93 атм (в 93 раза выше, нежели на Земле). Очень высока и температура на поверхности Венеры - около 4650С (максимально зарегистрированная - 530°C), причем ее суточные колебания незначительны. Эти значения превышают даже температуру на Меркурии, находящемся почти вдвое ближе к Солнцу. Ученые предполагают, что причиной столь высокой температуры на Венере является парниковый эффект, создаваемый плотной углекислотной атмосферой. Поверхность Венеры носит на себе яркие черты вулканической деятельности, а атмосфера содержит большое количество соединений серы. Несмотря на то, что Венера находится значительно ближе к Солнцу, чем Земля, оба небесных тела получают примерно одинаковое излучение, но практически половина солнечного ультрафиолета на Венере нейтрализуется на уровне облаков, где помимо серной кислоты присутствует загадочный ультрафиолетовый поглотитель - понять его природу ученые пока не могут.
В ультрафиолетовом свете облачный покров Венеры выглядит как мозаика светлых и тёмных полос, вытянутых под небольшим углом к экватору. Их наблюдения показывают, что облачный покров вращается с востока на запад с периодом 4 суток. Ветры в нем на высотах 50-60 км достигают сверхураганных (более 12 баллов) скоростей -100-140 м/с. С приближением к поверхности, начиная с высоты 20 км, скорость ветра резко уменьшается и на высоте 10 км составляет уже лишь 3 м/с. На самой же поверхности планеты (на высоте около 1 м) ветер дует со скоростью 0,5-1 м/с. Однако надо иметь в виду, что на Венере это ветер из воздуха, который в 50 раз плотнее земного, поэтому создаваемое им давление гораздо больше. Таким образом, практически вся её атмосфера вовлечена в один гигантский ураган. Ученые пока затрудняются ответить на вопрос, что поддерживает это мощнейшее движение.
1.2. Газовый состав атмосфер планет
Атмосфера Венеры простирается до высоты 250 км. Атмосфера на планете примерно в сто раз толще земной и состоит, главным образом, из углекислого газа (96,5 %) и азота (3%), а также доли других газов, которые занимают меньше одного процента от общего объема. Водяной пар и кислород содержатся в ней в следовых количествах (0,02 % и 0,1 %). В очень малых количествах имеются также примеси SO2 , H2S, CO, HCl, HF. Для сравнения: атмосфера Земли состоит из 78% азота, 21% кислорода, 1% аргона, а также имеет незначительные примеси благородных газов, углекислого газа (0,03-0,04%), водорода. Причем, как утверждает заведующая лабораторией планетной спектроскопии Института космических исследований РАН доктор физико-математических наук Людмила Засова, количества углерода и его соединений на Земле и Венере примерно одинаковы, то есть на стадии формирования планет они получили примерно равное количество углерода. Только на Земле он содержится преимущественно в карбонатах и известковых отложениях на дне океана, а на Венере в качестве углекислого газа в атмосфере.
Планетологи при помощи зонда Venus Express обнаружили в атмосфере Венеры гидроксильную группу (OH) (в атмосфере Земли гидроксил найден в 1948 году благодаря изучению спектра феномена свечения верхних слоев атмосферы). Схожая техника использовалась и при изучении Венеры: при помощи установленного на борту аппарата Venus Express спектрометра Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer (VIRTIS) было обнаружено наличие гидроксильной группы на высоте около 100 км от поверхности планеты. Для обнаружения этой частицы проводились исследования темной стороны атмосферы Венеры, а точнее, спектральных линий ночного свечения. На полученной спектрограмме хорошо видны два пика, соответствующие длине волны 1,44 мкм и 2,8 мкм, характерных именно для OH-. Как выяснили ученые, количество гидроксила в атмосфере планеты Венера в зависимости от области исследования и сильно различается (разница до 50%). Как предполагают планетологи, наличие гидроксила позволяет рассчитывать на присутствие в атмосфере и другого привычного для Земли соединения - озона.
1.3. Строение и ряд особенностей атмосфер Земли и Венеры
Толстый слой облаков, в котором не бывает разрывов, не дает возможности видеть поверхность Венеры. Земная же атмосфера прозрачна. Факт её прозрачности доказывают снимки, сделанные со спутников и позволяющие увидеть очертания береговых линий различных водоемов, островов, материков планеты, наблюдать синоптические явления: движение и направление облаков, движение и направление циклональных вихрей (приложение 1), по которым можно определить силу и направление ветра (приложение 2), и, как следствие, предсказать погоду (приложение 3). Атмосфера Венеры оказалась непрозрачна и, следовательно, не могла быть исследована с помощью телескопов, но проницаема для радиоволн, с помощью которых впоследствии и был исследован рельеф планеты. Облачный покров расположен на высоте 30-60 км и состоит из нескольких слоёв. В начале 70-х годов ХХ века ученые выяснили состав облаков, которые наблюдал еще Михаил Ломоносов. В 1972 г. два американских исследователя Луиза и Эндрю Янг, а также Годфри Силл независимо друг от друга пришли к выводу, что по самым различным наблюдательным данным об облаках Венеры (их показателю преломления, спектральным характеристикам) хорошо удовлетворяет предположение, что они состоят из капелек концентрированной серной кислоты. Кроме того, серная кислота легко соединяется с водой. Давление водяного пара над уровнем облаков оказалось как раз таким, какое должно быть, если облака состоят из капель 80-% раствора серной кислоты. Такие капельки встречаются и в земной стратосфере. Но в облаках Венеры они играют основную роль. Исследования показали, что серная кислота образуется химическим путем из диоксида серы SO2, источниками которого могут быть серосодержащие породы поверхности (пириты) и вулканические извержения. Также предполагается, что в облаках присутствуют помимо капелек концентрированной серной кислоты, соединения серы и хлора. У венерианских сернистых облаков в земной стратосфере есть аналог - сернокислотные аэрозоли, также состоящие из высококонцентрированной серной кислоты, правда, им далеко до того содержания (75-80%), которое наблюдается на Венере.
Слои облачности из водяного пара на Земле и из капелек серной кислоты на Венере, относительно уровня 1 атм, располагаются примерно на одинаковых высотах. А слой венерианской атмосферы, лежащий ниже этой отметки, относительно "прозрачен".
Облачный покров планеты Венера трехслойный: на высотах от 70 до 90 км находится разреженная стратосферная дымка, на 50-70 км - основной облачный слой, а на 30-50 км - подоблачная дымка. Основной облачный слой весьма стабилен, хотя местами он гуще, а местами чуть более прозрачный. Он оранжево-желтого цвета. Такой цвет неба, необычный для жителей Земли, обусловлен тем, что атмосфера Венеры состоит из СО2, молекулы которого рассеивают именно эту часть солнечного света. Облака на Венере имеют очень высокую яркость, отражая около 80% света (это сопоставимо с отражательной способностью кучевых облаков в атмосфере и ледяных полярных шапок на поверхности Земли). В облаках содержатся аэрозольные частицы серной кислоты, а также водяной пар. Температура в этом слое - около 10°С. Измерения, проведённые с космических станций показали, что даже в самой плотной части основного слоя облаков (57-61 км) они схожи со слабым земным тyманом или дымкой, поскольку дальность видимости в нем составляет 1-3 км.
Около 62 км лежит тропопауза, а над ней несколько более теплая мезосфера. Мезосфера заполнена "дымкой" переменной оптической толщины, в которой присутствуют такие соединения, как монооксид углерода СО, диоксид серы SO2, хлороводород НСl, фтороводород HF и водяной пар из молекул "обычной" и "тяжелой" воды. Наиболее резкая граница изменения физических параметров в облачном покрове Венеры (освещенность, плотность, прозрачность и др.) происходит на уровне 50 км, где лежит нижняя граница облаков. Структyра облачного слоя на дневной и ночной сторонах планеты различна. 1.4. Циркуляция атмосферы Земли и Вернеры
Все процессы, происходящие в воздушной оболочке Земли, изменяются с широтой. От экватора к полюсам уменьшается температура воздуха и изменяется атмосферное давление. По обе стороны от экватора устанавливается область пониженного давления, которая вместе с Солнцем перемещается между Северным тропиком и Южным тропиком по сезонам года. Над 30 широтами и полюсами расположены области повышенного давления, а между ними - в умеренных широтах - давление низкое. Воздух перемещается из районов с высоким атмосферным давлением в области пониженного давления - так формируется система постоянных ветров, дующих над планетой.
Из-за неравномерного распределения материков и океанов по поверхности Земли общая картина постоянных ветров над земным шаром нарушается. В зависимости от времени года над ними формируются области разного давления. Возникают переменные ветры муссоны, два раза в год меняющие своё направление. Летом материк нагревается быстрее, чем океан, и над ним устанавливается область низкого давления, а над холодным океаном в это время давление высокое. Летний муссон дует с океана на материк, принося обильные осадки и понижая температуру воздуха. Зимой над медленно остывающим океаном образуется область низкого давления, а над остывшей холодной сушей - высокого. Теперь холодный и сухой зимний муссон дует с суши на океан.
Общую картину циркуляции атмосферы ученые сейчас видят так. В верхних слоях нагретый газ из подсолнечной области перетекает на ночную сторону планеты, опускается вниз и возвращается обратно. В самой подсолнечной области поглощается так много тепла, что верхняя атмосфера Венеры буквально "кипит" и разделяется на маленькие зоны конвекции. Размер такой зоны оценивался в 20-30 км.
На высотах 50-65 км существуют так называемые "ячейки Хэдли". В них воздушные массы также нагреваются, поднимаются и перемещаются по направлению от экватора к полюсам, снижаются и движутся обратно к экватору, перенося тепло. Однако "ячейки Хэдли" доходят лишь до 60° широты, где встречаются с холодным полярным "воротником". Внутри последнего находится полярный вихрь. В южном полушарии Venus Express обнаружил его весной 2006 г., причем, к изумлению ученых, вихрь оказался двойным, и каждый из его "глаз" имеет в диаметре около 2000 км. В северном полушарии двойной вихрь также присутствует, причем вращается по часовой стрелке, а южный вихрь против. В отличие от земных ураганов, эти вихри вряд ли простираются до нижней атмосферы, так как там плотность газа слишком высока.
1.5. Явление молний
При помощи советского аппарата "Венера", а также аппарата НАСА Pioneer было установлено, что оптические и электромагнитные волны на облачной планете частенько производят молнии. Кроме того, наземные телескопы также неоднократно их фиксировали. Ученые утверждают, что молнии на Земле и Венере происходят в результате одних и тех же явлений, хотя атмосферы двух планет совершенно непохожи. "Возникновение молний в атмосферах Земли и Венеры идет по схожей схеме", - говорит Кристофер Расселл, автор исследования и астроном из Университета Калифорнии. По его словам, данные, полученные с научного аппарата Venus Express, показывают, что молнии на Венере и Земле возникают на одной и той же высоте, имеют примерно идентичную мощность и предпосылки для возникновения.
Известно, что на Земле ежесекундно в атмосфере возникают порядка сотни молний. Сколько молний возникает в секунду на Венере пока неизвестно, но базируясь на ряде теоретических моделей ученые говорят, что и эти цифры примерно сопоставимы.
Данные с Venus Exprеss доказывают, что на Венере молнии чаще наблюдаются на дневной стороне планеты и происходят они только в нижних слоях, хотя наиболее активные атмосферные явления на Венере всегда наблюдались над полюсами. Объяснить данный феномен ученые пока не могут, хотя уверены, что он связан с динамикой, химией и эволюцией атмосферы на Венере.
Глава 2. Почему Земля и Венера - полные противоположности?
2.1. Причины, определившие в процессе "космической эволюции" Землю и Венеру как полные противоположности
Венера близка к Земле и эти две планеты имели одинаковые стартовые условия. По мнению многих ученых, первичные атмосферы Венеры и Земли содержали большое количество водяных паров - иначе бы Венера не превратилась в огромный парник. Первая причина, по которой "пути-дорожки" обеих планет разошлись, явилась различная близость их к Солнцу. Если Землю придвинуть поближе к Солнцу, температура ее океанов повысилась бы, и испарение воды происходило бы в больших объемах, тем самым еще больше увеличивая температуру планеты. В некоторый момент это вылилось бы в безудержный парниковый эффект, с выпаренными океанами и всей водой в атмосфере. Возможно, это и случилось на Венере. Вероятно, атмосфера планеты поначалу и состояла из водяного пара, но со временем под действием солнечного света он распался на кислород и водород. Американские зонды серии "Пионер-Венера", обращавшиеся вокруг Венеры в 1978 - 1992 годах, зафиксировали, что содержание дейтерия на этой планете превышает аналогичный показатель на Земле примерно в 120 раз. На Земле, в Мировом океане, лишь 0,015 процентов молекул воды содержит вместо атомов обычного изотопа водорода атомы дейтерия. Можно предположить, что в процессе геологической эволюции Венеры в космическое пространство улетучилось гораздо больше легких атомов водорода, а потому содержание дейтерия в атмосфере неуклонно повышалось. Ведь более легкие газы благодаря внешнему источнику энергии - например, солнечному теплу или ветру - легче преодолевают силу притяжения планеты, нежели тяжелые газы. Поэтому соотношение между обычным и тяжелым водородом со временем сдвигается в сторону дейтерия. Избыток тяжелого водорода лишний раз свидетельствует, что на Венере в далеком прошлом имелась вода. Механизм улетучивания продолжает действовать и в наши дни. Сейчас в этот процесс вовлечен солнечный ветер - поток заряженных частиц, идущий от Солнца, который выбивает атомы и ионы из атмосферы. Венера не имеет собственного магнитного поля. Вследствие этого на протяжении всей истории Венеры солнечный ветер "сносит" в космическое пространство атомы ее атмосферы. Правда, своеобразная "наведенная" магнитосфера у Венеры все-таки есть: она образуется линиями межпланетного магнитного поля на дневной стороне и продолжается на ночной, образуя "хвост". Наведенная магнитосфера не дает солнечному ветру проникать глубоко в атмосферу, и все-таки Венера ее медленно теряет. Как показали данные с анализатора космической плазмы и энергичных атомов прибора ASPERA-4, уходят в основном ионы водорода, кислорода и гелия. Ионы водорода и кислорода убегают от планеты с более высокими скоростями, чем нейтральные атомы. В результате водород и кислород теряется в пропорции 2:1, (такая же пропорция в молекуле воды). Таким образом, Венера и сегодня теряет воду. По-видимому, этот процесс продолжался миллиарды лет и стал второй основной причиной, которая привела к исключительной сухости планеты в настоящее время. Заключение
Несмотря на различия в климате Земли и Венеры, атмосферы обеих планет имеют много общих черт, подтверждающих, что на ранних этапах эволюции планеты имели одинаковые точки отправления и их можно считать сестрами, развитие которых благодаря ряду причин пошло различными путями:
* количество углерода и его соединений на Земле и Венере примерно одинаковы, только на Земле он содержится преимущественно в карбонатах и известковых отложениях на дне океана, а на Венере в качестве углекислого газа в атмосфере;
* у венерианских сернистых облаков в земной стратосфере есть аналог - сернокислотные аэрозоли, также состоящие из высококонцентрированной серной кислоты, но процентное содержание серной кислоты в них ниже;
* несмотря на то, что Венера находится значительно ближе к Солнцу, чем Земля, оба небесных тела получают примерно одинаковое излучение, но практически половина солнечного ультрафиолета на Венере нейтрализуется на уровне облаков, где помимо серной кислоты присутствует загадочный ультрафиолетовый поглотитель, на Земле этим поглотителем является озоновый слой;
* вполне вероятно, что в прошлом на поверхности планеты Венеры могла присутствовать вода (на это указывает отношение "тяжелого" изотопа водорода дейтерия к "легкому" водороду: на Венере выше, чем на Земле, в 150-300 раз); вода испарилась, а легкий водород, который мог входить в ее состав, со временем улетучился из атмосферы Венеры; * в атмосферах и Земли и Венеры обнаружен гидроксид-ион; по предположениям планетологов, наличие гидроксила позволяет рассчитывать на присутствие в атмосфере Венеры озона - соединения, привычного для Земли.
Информационные ресурсы
1. Бурба Г. В царстве венерианских облаков [Электронный ресурс]: статья Г. Бурба- Электрон. дан. - Режим доступа: http://galspace.spb.ru/index12.html.- Заглавие с экрана.
2. Венера //Что такое. Кто такой: детская энциклопедия/ сост. В.С. Шергин, А.И. Юрьев. - М.: АСТ, 2005. С.277.
3. Венера и Venus Express [Электронный ресурс]: статья.- Электрон. дан. - Режим доступа: http://galspace.spb.ru/nature.file/venus-3.html.- Заглавие с экрана.
4. Венера (планета) [Электронный ресурс]: статья.- Электрон. дан. - Режим доступа: http:// ru.wikipedia.org/wiki.- Заглавие с экрана.
5. Венера [Электронный ресурс]: статья.- Электрон. дан. - Режим доступа: http://znaniya-sila.narod.ru/solarsis/venus/ven_01.htm.- Заглавие с экрана.
6. Венерианская атмосфера [Электронный ресурс]: статья- Электрон. дан. - Режим доступа: http://astronomus.ru/solar/venus/atmosfera_venus.html.- Заглавие с экрана.
7. Волков А. Тайная жизнь Венеры [Электронный ресурс]: статья А. Волков.- Электрон. дан. - Режим доступа: http://bp21.livejournal.com/18650.html.- Заглавие с экрана.
8. Молнии на Земле и Венере очень похожи [Электронный ресурс]: статья - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.cybersecurity.ru/space/103596.html.- Заглавие с экрана.
9. Морозов М. Была ли Жизнь на Венере? [Электронный ресурс]: статья М. Морозов.- Электрон. дан. - Режим доступа: http://tainy.net/7423-byla-li-zhizn-na-venere.html.- Заглавие с экрана.
10. Обнаружено сходство атмосферы Земли и Венеры [Электронный ресурс]: статья.- Электрон. дан. - Режим доступа: http://gizmod.ru/2008/05/19/obnaruzheno_sxodstvo_atmosfery_zemli_i_venery/.- Заглавие с экрана.
11. Планеты Солнечной системы. Венера. [Электронный ресурс]: статья.- Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.astrogalaxy.ru/050.html.- Заглавие с экрана.
12. Шаров П. Два года на орбите Венеры [Электронный ресурс]: статья П. Шаров, журнал "Новости космонавтики".- Электрон. дан. - Режим доступа: http://galspace.spb.ru/index228.html.- Заглавие с экрана.
Приложение
Приложение 1
Спираль показывает циклональный вихрь, захватывающий территории, как России, так и Украины.
Приложение 2
Поле ветра указывает на направление и силу ветра.
Приложение 3
2
Автор
elenaermlva
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
695
Размер файла
956 Кб
Теги
исследовательская, евгений, работа, астрофизика, курышов, астрономия, олегович
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа