Первую геоцентрическую модель Вселенной предложил математик Александр Птолемей в 150 г. новой эры. Его модель была принята христианскими богословами и по сути канонизирована – возведена в ранг абсолютных истин. Согласно этой модели, центральное положение во Вселенной занимает неподвижная Земля, а вокруг нее в разных сферах вращаются Солнце, Луна, планеты и звёзды. Однако подобные идеи выдвигал много раньше древнегреческий философ Аристотель (384–322 до н. э.). Он утверждал, что Земля – это центр Вселенной. И эти идеи Аристотеля парализовали умы мыслителей на полторы тысячи лет, чему в немалой степени способствовала христианская церковь, канонизировавшая их.
Николай Коперник был первым, кто смог опровергнуть Клавдия Птолемея и научно доказать, что Земля не является центром Мироздания. В центр мироздания он поместил Солнце и создал гелиоцентрическую модель Вселенной. Боясь гонений церкви, Коперник отдал в печать свой труд незадолго до смерти. Его система была опубликована уже после смерти великого ученого. Однако церковь предала анафеме его и книгу и официально запретила ее.
Сторонником учения Коперника был Галилео Галлилей, который впервые использовал для изучения звездного неба телескоп и увидел, что Вселенная значительно больше, чем предполагалось раньше, и что вокруг планет есть спутники, которые, подобно планетам вокруг Солнца, вращаются вокруг своих планет. Галлилей экспериментально изучал законы движения. Но церковь устроила гонения на ученого и учинила над ним суд инквизиции. Галилео испугался пыток и судьбы Джордано Бруно и официально отрекся от своего учения. Но выходя из суда, он якобы пробормотал: "И все таки она (Земля) вертится".
Джордано Бруно пошел дальше Коперника и Галлилея: он создал учение о том, что звёзды подобны Солнцу, что вокруг звезд по орбитам движутся тоже планеты. Мало того, он утверждал, что во Вселенной существует множество обитаемых миров, что кроме человека во Вселенной есть и другие мыслящие существа. За это Джордано был осужден христианской церковью и сожжен на костре, а учение его было предано анафеме.
Джордано Бруно обладал необыкновенной памятью, говорили, что он способен рассказать наизусть 26 тысяч статей канонического и гражданского права, 6 тысяч отрывков из Библии и тысячу стихотворений Овидия. Благодаря этому дару его принимали при дворах герцогов и королей Европы, где он с огромным удовольствием дискутировал о математике, астрономии, философии. Бруно ратовал за религию любви ко всем людям без исключения. Он очаровывал своим ораторским талантом и знаниями. Бруно объездил всю Европу. Король Генрих III сделал его экстраординарным профессором Сорбонны.
Физические исследования Декарта относятся главным образом к механике, оптике и общему строению Вселенной. Он считал, что Вселенная целиком заполнена движущейся материей и в своих проявлениях самодостаточна. Неделимых атомов и пустоты Декарт не признавал и резко критиковал атомистов, как античных, так и современных ему. Кроме обычной материи он выделил обширный класс невидимых тонких материй, с помощью которых пытался объяснить действие теплоты, тяготения, электричества и магнетизма. Декарт ввёл понятие количества движения, сформулировал закон сохранения количества движения. Изучал законы распространения света – отражения и преломления. Ему принадлежит идея эфира как переносчика света, объяснение радуги. Декарт вывел закон преломления света на границе двух различных сред, что позволило усовершенствовать оптические приборы, в том числе и телескопы.
Гипотезы о происхождении Солнечной системы
Проблему происхождения Солнечной системы пытались решить многие исследователи. Первая научная гипотеза образования Солнечной системы была предложена в 1644 г. Рене Декартом. Согласно ей, Солнечная система образовалась из первичной туманности, имевшей форму диска и состоявшей из газа и пыли. В 1745 г. Бюффон предположил, что вещество, из которого образованы планеты, было отторгнуто от Солнца какой-то слишком близко проходившей большой кометой или другой звездой. Философ И. Кант и математик П. Лаплас в конце XIX века предложили свои гипотезы, суть которых в том, что звезды и планеты образовались из космической пыли путем постепенного сжатия первоначальной газо-пылевой туманности.
Гипотезы Канта и Лапласа отличались. Кант исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникло центральное массивное тело – будущее Солнце, а потом планеты. Согласно Лапласу, первоначальная туманность была газовой и горячей и быстро вращалась. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, она вращалась все быстрее. Из-за центробежных сил в экваториальном поясе от нее последовательно отделялись кольца. В дальнейшем эти кольца конденсировались, и получились планеты. Согласно Лапласу, планеты образовались раньше, чем Солнце. Несмотря на существенное различие этих гипотез, они объединены в одну: Солнечная система возникла в результате закономерного развития газо-пылевой туманности в результате конденсации. Гипотеза Канта и Лапласа не справилась с необычным распределением момента количества движения Солнечной системы между центральным телом – Солнцем и планетами. Момент количества движения – это "запас вращения" системы. Это вращение складывается из орбитального движения планет и вращения вокруг своих осей Солнца и планет. Гипотеза Джинса (начало ХХ века) объясняет образование Солнечной системы случайностью, считая ее редчайшим явлением. Вещество, из которого в дальнейшем образовались планеты, было выброшено из довольно "старого" Солнца при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды. Благодаря приливным силам, действовавшим со стороны налетевшей звезды, из поверхностных слоев Солнца была выброшена струя газа. Эта струя осталась в сфере притяжения Солнца. В дальнейшем струя сконденсировалась и получились планеты. Если бы гипотеза Джинса была правильной, то планетных систем в Галактике было бы значительно меньше. Поэтому гипотезу Джинса следует отвергнуть. К тому же она тоже не в состоянии объяснить распределение момента количества движения в Солнечной системе. Расчеты Лаймана Спитцера показали, что вещество струи, выброшенной из звезды, должно рассеяться в окружающем пространстве, а конденсации его не произойдет. Новейший вариант гипотезы Джинса, развиваемый Вулфсоном, предполагает, что газовая струя, из которой образовались планеты, была выброшена не из Солнца, а из пролетевшей мимо рыхлой звезды огромных размеров (в 10 раз превышающий радиус нынешней земной орбиты) и сравнительно небольшой массы. Расчеты показывают, что если бы планетные системы образовывались таким образом, то их в Галактике было бы очень мало (одна планетная система на 100 000 звезд). Открытия планет вокруг многих звезд окончательно похоронили гипотезу Джинса-Вульфсона.
Оказалось, что львиная доля момента количества движения Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет-гигантов Юпитера и Сатурна. С точки зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно. Когда от быстро вращающейся туманности отделялось кольцо, слои туманности, из которых впоследствии сконденсировалось Солнце, на единицу своей массы имели примерно такой же момент количества движения, как вещество отделившегося кольца. Таким образом, полный суммарный момент количества движения у планет должен быть много меньше, чем у "протосолнца". Поэтому главный вывод из гипотезы Канта и Лапласа противоречит фактическому распределению момента количества движения между Солнцем и планетами.
Х. Альвен, спасая гипотезу Канта и Лапласа, предположил, что некогда Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучений и столкновений атомы ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку. Слабость предложенной гипотезы заключалась в том, что атомы наиболее легких элементов должны были ионизироваться ближе к Солнцу, атомы тяжелых элементов – дальше. Значит, ближайшие к Солнцу планеты должны были бы состоять из водорода и гелия, а более отдаленные – из железа и никеля. Факты же говорят об обратном. Чтобы преодолеть эту трудность, астроном Ф. Хойл предположил, что Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начинал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества движения при этом перешел к диску. Затем в диске образовались планеты. Но представить торможение Солнца без вмешательства какой-то третьей силы невозможно. Трудностями и противоречиями гипотезы Хойла является то, что нелегко представить, как могли "отсортироваться" избыточный водород и гелий в первоначальном газовом диске, из которого образовались планеты, поскольку химический состав планет явно отличен от химического состава Солнца; во-вторых, не совсем ясно, каким образом легкие газы покинули Солнечную систему (процесс испарения, предлагаемый Хойлом, сталкивается со значительными трудностями). Главная трудность гипотезы Хойла – требование слишком сильного магнитного поля у "протосолнца", что резко противоречит современным астрофизическим представлениям.
Отто Юльевич Шмидт (1891–1956) в 1937 г. Портрет Нестерова. Фото с сайта: http://territa.ru/ |
В 1944 г. О. Ю. Шмидт предложил гипотезу, согласно которой планетная система образовалась из вещества, захваченного из газово-пылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти "современный" вид. В этой гипотезе нет трудностей с вращательным моментом. Начиная с 1961 г., эту гипотезу развивал английский космогонист Литтлтон. Следует заметить: чтобы Солнце захватило достаточно много вещества, его скорость по отношению к туманности должна быть очень маленькой, порядка ста метров в секунду. Попросту, Солнце должно застрять в этом облаке и двигаться вместе с ним. В этой гипотезе образование планет не связывается с процессом звездообразования. Но эта гипотеза не дает ответа на вопрос: а где, когда и как образовалось Солнце? Современная космофизика предполагает (правда, непонятно, почему?), что газ, когда его масса и плотность достигают некоторой величины, под действием своего собственного притяжения сжимается и уплотняется, образуя холодный газовый шар. Допущение о самопроизвольном сжатии облака газа весьма фривольно. Подобного сжатия нигде в природе не наблюдается, да и быть не может. Но эта гипотеза утверждает, что в результате продолжающегося сжатия температура газового шара должна подниматься, так как потенциальная энергия частиц в поле притяжения газового шара при приближении их к центру якобы снижается. |
Температура облака в то время была –220°С. Вначале облако было однородным, а затем в нем стали появляться сгущения (но почему, – гипотеза не объясняет; А. Г. ), главным образом за счет гравитационного сжатия (но что сжимало газ и пыль? А. Г. ). В итоге вещество в облаке стало разогреваться и дифференцироваться путем разделения химических элементов и их соединений в поле силы тяжести (но что создало это поле силы тяжести? А. Г. ). Так, астрофизик Л. Спитцер показал, что если масса облака в 10 –20 тыс. раз превышает массу Солнца, а плотность вещества в нем свыше 20 атомов в см кубическом, то такое облако под действием собственной массы начинает сжиматься. (Но таких плотных облаков в Галактике не обнаружено ).
Однако как такое облако само собой образуется? Как оно сожмется до такого давления? Газ сжиматься может только при охлаждении. При этом он сначала превращается в жидкость, а потом переходит в твердую фазу. При нагревании такого твердого тела оно испаряется и снова превращается в облако. Так, например, ведут себя кометы по мере приближения к Солнцу. Они испаряются и теряют массу. Астрофизики предполагают, что Протосолнце с протопланетным облаком образовалось около 6 млрд. лет тому назад. Вещество в протопланетном облаке располагалось сначала равномерно, а затем стало скучиваться в отдельных областях, из которых позднее и образовались звезды. Но эта гипотеза никак не объясняет, почему в однородном протопланетном облаке стали образовываться сгущения и скучивания. Но если допустить, что вопреки законам физики газовое облако стало шаром, а шар сжался в звезду, то невозможно объяснить источник энергии этой звезды, который позволяет ей излучать частицы и электромагнитные волны. Ведь прежде чем начнется термоядерная реакция, в недрах облака-звезды температура должна подняться хотя бы до 20 миллионов градусов Кельвина. Если не появится другой не гравитационный источник энергии, то процесс излучения в результате сжатия звезды довольно быстро приведет к исчерпанию энергии, и такая звезда испарится и опять превратится в рыхлое облако, но светить не будет. Однако процесс сжатия вопреки всем законам физики приводит к тому, что центральные области звезды разогреваются до очень высоких температур, давление в них становится настолько высоким, что начинается термоядерная реакция синтеза из ядер водорода ядер гелия. При этом выделяется много энергии, разогревающей газовый шар. Для протекания термоядерного синтеза необходима температура в несколько десятков миллионов градусов. Период, в течение которого звезда, сжимаясь из газового облака, достигнет состояния, когда в ее центральных областях начнут действовать термоядерные реакции, называется периодом сжатия. После того, как в звезде весь водород превратится в гелий, она достигнет стадии красного гиганта – расширится. (Совершенно непонятно, почему при охлаждении звезда вдруг расширится, а не сожмется ). Далее гипотеза утверждает, что теперь будет сжиматься звезда, состоящая уже из гелия. От этого сжатия температура в ее центре увеличится до 100 млн. градусов и более. (Весьма фривольное предположение! ) Тогда начнется другая термоядерная реакция – образование ядер углерода из ядер гелия. Эта реакция также будет сопровождаться потерей массы и выделением энергии излучения. Температура звезды вновь возрастет, отчего сжатие звезды прекратится. Эта гипотеза происхождения звезд из газовой материи встречается с серьезными трудностями: в Галактике слишком мало водорода, всего около 2% общей ее массы. Если бы звезды действительно образовывались из газа, то звездообразование в Галактике должно было бы быстро закончиться. Между тем, в галактиках, в том числе и в нашей, появляются новые молодые звезды – голубые гиганты и сверхгиганты.
Небулярные гипотезы Канта, Лапласа имеют существенный недостаток: они не объясняют, почему Солнце и планеты так неравномерно распределили между собой количество движения (момент количества движения): на долю Солнца приходится около 2% момента количества движения, а на долю планет – около 98%, хотя совокупная масса всех планет в 750 раз меньше массы Солнца.
Шмидт исходит в своей гипотезе из различного происхождения Солнца и планет. Но если быть последовательным до конца, то следовало бы предположить, что раздельно возникло не только Солнце и планеты, но имеют раздельное происхождение и все планеты, поскольку они также имеют различный удельный момент количества движения (количество движения на единицу массы). Если удельный момент количества движения Земли принять за 1, то планеты Солнечной системы будут иметь следующие удельные моменты количества движения (Левин Б.С. Происхождение Земли и планет):
Те части протопланетного газово-пылевого облака, которое когда-то якобы встретилось с Солнцем, были им захвачены на свою орбиту. И эти части облака, если только последнее не вращалось (если облако вращалось, оно, по-видимому, должно было еще до встречи с Солнцем рассеяться под влиянием центробежной силы в межзвездном пространстве), должны были иметь абсолютно одинаковый удельный момент количества движения, поскольку они до захвата двигались в одном направлении и имели одинаковую скорость. И планеты тоже должны были бы иметь одинаковый удельный момент количества движения, если бы они произошли согласно гипотезе Шмидта.
Третья часть спутников планет Солнечной системы имеет обратное по отношению к Солнечной системе направление обращения. Это один из крупнейших в Солнечной системе спутник Нептуна Тритон, затем спутник Сатурна Феба, четыре внешних небольших спутника Юпитера и пять спутников Урана. Согласно гипотезе Шмидта, все тела Солнечной системы должны вращаться в одну сторону и в одной плоскости.
Половина планет Солнечной системы имеют большие наклоны плоскости экватора к плоскости своей орбиты (более 23° у Земли, Марса, Сатурна и Нептуна, а у Урана наклон равен 98°). Если бы планеты образовались из одного облака, они бы имели одинаковое наклонение своих орбит к плоскости экватора Солнца и не имели бы наклона плоскостей своих экваторов к плоскости своих орбит.
Если бы звезды действительно образовывались из газа, то в Галактике можно было обнаружить уже заметно уплотнившиеся газовые облака, постепенно превращающиеся в звезды. Но в звездных ассоциациях таких скоплений нет. Нет и переходных стадий от газовых облаков к звездам. Но существуют области в Галактике, из которых выбрасываются "готовые" звезды, а в Метагалактике – даже целые "готовые" галактики.
Обладающее значительным вращательным моментом газо-пылевое облако по законам механики просто не может существовать и не может превратиться в одиночную медленно вращающуюся звезду вроде Солнца. Расслоение такого вращающегося само по себе облака на кольца тоже невозможно. Неслучайно вращение звезд в Галактике вокруг центра происходит на порядок с большей скоростью, чем вращение газового диска Галактики, состоящего, кстати, не из колец, а из рукавов. Таким образом, существующие гипотезы образования звезд и планет, кроме гипотезы В. Амбарцумяна, очень далеки от истины.
Виктор Амазаспович Амбарцумян и Ян Хендрик Оорт в Бюракане (Армения) в 1966 г. Фото с сайта: http://www.ambartsumian.ru/
Несмотря на то, что ученые строят достаточно точные модели черных дыр и нейтронных звезд, не существует теории, которая сумела бы объяснить происхождение Солнечной системы и все известные сейчас ее особенности. Теория происхождения Солнечной системы должна объяснить все известные факты и не должна противоречить законам динамики и современной физики. Кроме того, из этой теории должны выводиться следствия, которые подтверждались бы будущими открытиями: теория должна не только объяснять, но и предсказывать. Все гипотезы, выдвинутые до сих пор, были опровергнуты или остались недоказанными при строгом применении физической теории.
Древнейшие породы земной коры затвердели 4 млрд. лет назад. Считается, что сама Земля образовалась 4,6 млрд. лет назад. Измерение времени, прошедшего с тех пор, как Земля остыла, основывается на незначительных следах свинца, гелия и других элементов, оставшихся в породах после распада радиоактивных элементов. Изучение метеоритов и образцов лунного грунта показывает, что их возраст в твердом состоянии не превышает возраста Земли. Предполагают, что и вся Солнечная система имеет такой же возраст.
Удовлетворительная теория происхождения Солнечной системы прежде всего должна учитывать существование планет, спутников, астероидов и комет. Она должна объяснить расположение планет, форму их орбит, наклон осей и скорость вращения и движения по орбите, должна объяснить распределение момента количества движения по планетам. Пока что такой теории нет, и можно говорить только о создании гипотез.
3.Основные этапы геологической истории: эволюция литосферы, атмосферы, гидросферы и живого мира.
3.1.Эволюция литосферы.
3.2.Эволюция атмосферы.
3.3.Эволюция гидросферы.
1.Строение Вселенной и Солнечной системы.
Вселенной или космосом называется весь окружающий материальный мир (греч. « космос » -мир). Вселенная бесконечна в пространстве и во времени. Материя во вселенной распределена неравномерно и представлена звездами, планетами, пылью, метеоритами, кометами, газами. Доступная для изучения часть Вселенной называется Метагалактикой, включающая свыше миллиарда звездных скоплений галактик (греч. « галактика » -молочный, млечный).
Наша Галактика носит название Млечного пути и относится к типу спиральных и включает свыше 150 млрд. звезд. Она представляет собой широкую белесую полосу звезд. Возраст Галактики ~ 12 млрд. лет.
Масса Солнца -99,87% от всей массы Галактики (Юпитер -крупнейшая планета -0,1%), поэтому оно центр притяжения всех космических тел. Физически Солнце -плазменный шар. Химический состав -70 элементов; главные: водород и гелий; средняя t ° С ~5600 ° С; возраст -6-6,5 млрд. лет. Тепловая энергия Солнца обусловлена термоядерными процессами превращения водорода в гелий.
Тепло и свет излучаемые Солнцем оказывают большое влияние на геологические процессы. Непрерывная взрывная деятельность на Солнце вызывает образование так называемого солнечного ветра (движение в пространстве заряженных частиц), с которым связаны полярное сияние и магнитные явления в атмосфере Земли.
В состав Солнечной системы входят 9 планет, 42 спутника, около 50 тысяч астероидов, множество метеоров и комет.
Орбиты планет располагаются в одной плоскости, совпадающей с экваториальной плоскостью Солнца и направлением обращения вокруг Солнца, кроме Венеры и Урана, оно обратное и совпадает с направлением вращения Солнца вокруг своей оси.
2.Гипотезы происхождения Солнечной системы и Земли.
Немецкий философ Эммануил Кассет в 1755 г. высказал идею происхождения Вселенной из первичной материи, состоящей из мельчайших частиц. Образование звезд, Солнца и других космический тел, по его мнению, произошло под воздействием сил притяжения и отталкивания в условиях хаотического движения частиц. Французский математик П. Лаплас (1796 г.) связывал образование солнечной системы с вращательным движением разряженной и раскаленной газообразной туманности, приведшим к возникновению сгустков материи -зародышей планет. По гипотезе Канта-Лапласа, первоначально раскаленная Земля охлаждалась, сжималась, что привело к деформации земной коры.
По гипотезе О. Ю. Шмидта (1943 г.) планетная система образовалась из пылевой и метеорной материи при попадании ее в сферу Солнца. Первоначально холодные Земля и другие планеты постепенно разогревались под воздействием энергии радиоактивного распада гравитационных и других процессов, а затем остывали.
Советский астроном В. Г. Фесенков в 50-е годы предложил решение проблемы с точки зрения образования Солнца и планет из общей среды, возникшей в результате уплотнения газопылевой материи. При этом предполагалось, что Солнце образовалось из центральной части сгущения, а планеты -из внешней частей.
По современным представлениям, тела Солнечной системы формировались из первично холодной космической твердой и газообразной материи путем уплотнения и сгущения до образования Солнца и прото планет. Астероиды и Метеориты считаются исходным материалом планет Земной группы (Меркурий, Венера, Земля, и Марс -небольшие по размерам; высокая плотность, малая масса атмосферы, небольшая скорость вращения вокруг своей оси); а кометы и метеоры -планет-гигантов (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон -огромные размеры, низкая плотность, плотная атмосфера с H 2 , Ge и метаном, высокая скорость вращения). Формирование современных оболочек Земли связывается с процессами гравитационной дифференциации первоначального однородного вещества.
Самая передовая гипотеза -это объяснение возникновения Вселенной теорией Большого взрыва . В соответствии с этой теорией ~ 15 млрд. лет назад наша Вселенная была сжата в комок, в миллиарды раз меньше булавочной головки. По математическим расчетам ее диаметр был равен, а плотность близка к бесконечности. Такое состояние называется сингулярным -бесконечная плотность в точечном объеме. Неустойчивое исходное состояние вещества привело к взрыву, породившему скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной.
Самый ранний этап развития Вселенной называется инфляционным -его период до 10 -33 секунды после взрыва. В результате возникают пространство и время. Размеры Вселенной в несколько раз превышают размеры современной, вещество отсутствует.
Следующий этап — горячий . Выброс тела связан с высвободившейся энергией при Большом взрыве. Излучение нагрело Вселенную до 1027 К. Затем наступил период остывания Вселенной в течение ~500 тысяч лет. В результате возникла однородная Вселенная. Переход от однородной к структурной происходил от 1 до 3 млрд. лет.
3.Основные этапы геологической истории: эволюция литосферы,
атмосферы, гидросферы и живого мира.
Геологическое развитие Земли характеризуется направленностью и необратимостью всех геологических событий, в том числе и тектонических, которые привели к формированию современной сложной структуры литосферы. Известный российский тектонист В. Е. Хаин. Виктор Ефимович (1914 г.р.) в 1973 году выделил этапы ее развития:
I. догеологический (4,6 -4,5 млрд. лет);
II. лунный; от образования земной коры до формирования гидросферы (4,5 -4,0 млрд. лет);
III. катархейский, образуется первичная континентальная литосфера, слагающая ядра будущих материков (4,0 -3,5 млрд. лет);
IV. подзднеархейско-раннепротерозойский или раннегеосинклинальный: образование протогеосинклиналей и первых платформ (3,5 -2,0 млрд. лет);
V. среднепротерозойский -раннерифейский или раннеплатформенный, консолидация первичной континентальной коры, 2,0 -1,4 млрд. лет;
VI. позднепротерозойский -палеозойский или геосинклинально-платформенный; обособление древних платформ и их развитие (1,4 -0,2 млрд.лет);
VII. мезозойско-кайнозойский или континентально-океанический; оформление современных континентов, создание на палеозойских и раннемезозойских складчатых структур молодых платформ; образование молодых океанов (0,2 млрд. лет).
В геологическом развитии последних этапов истории Земли наблюдается определенная направленность: постоянно увеличивается объем литосферы и верхней мантии, а также размеры устойчивых плит, несмотря на прослеживание противоположного процесса -океанизация за счет обрушения и развития облаков материков.
Для направленного развития литосферы характерна цикличность процессов, которые проявляются преимущественно на различных территориях. Т. о. в истории Земли наблюдаются определенные этапы развития литосферы, на протяжении которых тектонические процессы приводят к тектонической перестройке то одних участков литосферы то других.
При этом в истории литосферы можно выделить периоды интенсивных тектонических деформаций, в ходе которых происходжит горообразование. Это явление объясняют длительной аккумуляцией напряжений в литосфере и последующей их разрядкой в виде тектонических процессов.
Этапы тектоногенеза.
Длительные периоды, по завершении которых тектонические процессы, в т.ч. и горообразование, проявляются наиболее интенсивно, называются тектоническими циклами или циклами (этапами) тектоногенеза. Они носят планетарный характер.
В истории Земли выделяют 11 основных циклов тектоногенеза: от раннеархического до альпийского (или кайнозойского) незавершенного. В долембрии они имеют продолжительность 300-600 млн. лет, в фалерозое -140-170 млн. лет, в кайнозое -80 млн. лет.
Каждый тектонический цикл состоит из двух частей: длительного эволюционного развития и кратковременных активных тектонических деформаций , которые сопровождаются региональным метаморфизмом, горообразованием.
Завершающая часть цикла называется эпохой складчатости , для которой характерно окончание развития отдельных геосинклинальных систем и их превращение в эпигеосинклинальный ороген, после чего развивается плит форма или образуются внегеосинклинальные горные сооружения.
Для эволюционных этапов характерно:
— длительное прогибание геос-их (подвижных) областей и накопление в них мощных осадочных и осадочно-вулканических толщ;
— выравнивание рельефа суши (разрушение гор, плоскостной смыв с платформенных равнин и т.д.);
— обширные опускания окраин платформ, прилегающих к геосинклинальным областям, затопление их водами эпиконтинентальных морей;
— выравнивание климатических условий, что связано с широким распространением мелких темных эпиконтинентальных морей и увлажнением климата материков; в нижних слоях атмосферы происходит аккумуляция солнечной энергии; исчезают области определения;
— возникновение благоприятных условий для жизни и широкого расселения фауны и флоры.
Эти этапы эволюционного развития Земли называют таласократическими. Для них характерно широкое развитие морских отложений, развитие растительности и соотв. Формирование угольных залежей, бурное развитие жизни в морях, формирование нефтегазоносных толщ, карб. Пород в теплых морях.
Эпохам складчатости и горообразования присущи следующие черты:
— широкое развитие горообразовательных движений в геос. областях, колебательных движений на платформах;
— проявление мощного интрузивного, а затем и эффузивного магматизма;
— поднятие окраин платформ, прилегающих к эпиогеосинклинальным областям, регрессии эпиконтинентальных морей и усложнение рельефов суши;
— континентализация климатов, успокоение климатических условий, усиление зональности, расширение пустынь и появление областей континентального оледенения (в горах и у помостов).
— ухудшение условий для развития органического мира, в результате чего происходит вымирание господствующих и высокоспециализированных форм и появление новых.
Условия этих эпох складчатости называются геократическими, т.е. этапы относительного увеличения суши.
На Земле развиты континентальные отложения с частыми красно цветными образованиями (иногда карбональными, загипсованными и засоленными), имеющими разнообразный генезис (образование в пустынях, лагунах, солоноватых или пресных озерах, дельтах рек, на равнинах и предгорьях).
3.2.Эволюция атмосферы
Атмосфера не всегда имела современный состав и строение. Первичная гелиево-водородная атмосфера была утеряна Землей при разогреве. Из образовавшего планету вещества, при ее формировании выделялись различные газы. Особенно интенсивно это происходило в процессе тектонической деятельности: при образовании трещин и разломов.
Вероятно, атмосфера и гидросфера разделись не сразу. Некоторое время Землю обволакивал мощный слой из водяного пара и газов (CO, CO 2 , HF, H 2 , S, NH 3 , CH 4); малопроницаемых для солнечных лучей. Эта оболочка имела температуру ~ +100 ° С. При понижении температуры произошло разделение этой оболочки на атмосферу и гидросферу. Свободного кислорода в этой атмосфере не было. Он должен был выделяться из земного вещестьва и образовывался за счет размножения молекул водяного пара, но расходовался на процессы окисления. Из-за отсутствия озона атмосфера не предохраняла Землю от коротковолнового излучения Солнца. Значительное количество соединений водорода на Земле -последствия его преобладания в первичной атмосфере.
Вулканические процессы обогатили атмосферу углекислым газом. Понадобилось длительное время, прежде чем в результате реакции с другими элементами и фотосинтеза произошло поглощение большого количества углерода из атмосферы. В конце PZ состав атмосферы в целом уже мало отличался от современного: она стала азотно-кислородной. Состав современной атмосферы как и в ранние геологические эпохи регулируется организмами.
Атмосфера находится в непрерывном взаимодействии с другими оболочками Земли, обмениваясь веществом и энергией, и постоянно испытывает влияние Космоса и Солнца.
3.3.Эволюция гидросферы.
Гидросфера -водная оболочка Земли, включающая химически не связанную воду независимо от ее состояния: жидкую, твердую, газообразную.
Земля -самая водная планета Солнечной системы: более 70% ее поверхности покрыто водами Мирового океана.
Вероятно, гидросфера образовалась одновременно с литосферой и атмосферой в результате остывания и дегазации вещества мантии. Химически связанная вода была уже в веществе холодного газово-пылевого протопланетного облака. Под влиянием глубинного тепла Земли она выделялась и перемещалась к поверхности Земли. Первичный океан, возможно, покрывал почти всю Землю, но не был глубоким. Океаническая вода, вероятно, была теплой, высоко минерализованной. Океан углублялся, а площадь его сокращалась. С поверхности Океана испарялась влага, выпадали обильные дожди.
Пресная вода на суше -результат прохождения океанской воды через атмосферу. Выделение воды из магмы продолжается до настоящего времени. При извержении вулканов выделяется в среднем за год 1,310 8 т воды. Термальные источники и фумаролы выносят 10 8 т.
Если допустить, что поступление воды из мантии в литосферу и на ее поверхность было равномерным и составляло в год на 1 см 2 поверхности планеты всего 0,00011г, то и этого достаточно, чтобы за время существования Земли образовалась гидросфера.
Предполагают также поступления воды из космоса в результате падения на Землю ледяных ядер комет, но ее количество в этом случае невелико.
Гидросфера также теряет воду с испарением ее в Космос, где под действием у/ф лучей H 2 O распадается на H 2 и O 2 .
3.4.Эволюция животного мира (биосферы).
Активное взаимодействие атмосферы, гидросферы и литосферы при участии солнечной энергии и внутреннего тепла Земли было важнейшей предпосылкой возникновения жизни.
Данные палеонтологических исследований позволяют предполагать, что примитивнейшие организмы сформировались из белковых структур в конце AR 1 (т.е. ~3 млрд. лет назад). Первые одноклеточные организмы, способные к фотосинтезу, возникли около 2,7 млрд. лет назад, а первые многоклеточные животные — не менее чем на 1-1,5 млрд. лет позже.
В условиях отсутствия озонового экрана местами развития жизни вероятно были прибрежные части морей и внутренние водоемы, на дно которых проникал солнечный свет, а вода не пропускала у/фиолетовую радиацию. Из соединений образовались многомолекулярные системы, взаимодействующие со средой.
В ходе эволюции они приобрели свойства живых организмов: размножение, обмен веществ, рост и т.д.
Водная среда способствовала обмену веществ, была опорой для организмов без скелета. Первые живые организмы появились в условиях теплого и влажного климата (в при экваториальной широте), поскольку колебания температуры губительны для зарождающейся жизни.
Длительное время жизнь « размещалась » в географической оболочке пятнами, « пле нка жизни » была очень прерывистой. Со временем масса живого вещества быстро увеличивалась, формы жизни становились сложнее и разнообразнее, области ее распространения расширялись, усложнялись взаимосвязи с другими компонентами географической оболочки.
Широкому и быстрому распространению жизни на Земле способствовали приспособляемость к среде и возможности размножения.
НАШЕ МЕСТО ВО ВСЕЛЕННОЙ
Это сейчас люди достаточно "легко" представляют себе свое место в безграничных просторах Космоса.
Они шли к таким представлениям многие тысячи лет - от первых вопрошающих взглядов первобытного человека на ночное небо Земли, до создания мощнейших телескопов во всех диапазонах частот ЭМ-колебаний.
Для исследования свойств космического пространства сейчас используются так же другие типы волновых процессов (гравитационные волны) и элементарные частицы (нейтринные телескопы). Используются космические разведчики - межпланетные космические аппараты, которые продолжают свою работу уже за пределами Солнечной системы и несут сведения о нашей планете тем обитателям Галактики (Вселенной), которые станут обладателями этих КА в будущем.
Изучая природу (др. греч. φύσις ), человечеству пришлось переходить от простого созерцания и мудрствования (натуральная философия) к созданию полноценной науки — физики — экспериментальной и теоретической (Г. Галилей). Физика смогла предсказывать будущее в развитии природных процессов.
Физика по своей сути является основой для всех наук, в том числе и математики, которая не может существовать отдельно от природы, поскольку черпает свои темы из природы и является инструментом для ее исследования. По мере разгадывания тайн движения планет были созданы новые разделы математики (И. Ньютон, Г. Лейбниц), которые с большим успехом используют сейчас во всех без исключения разделах деятельности людей, в том числе и в познании законов мироздания. Понимание этих законов и позволило определить наше место во Вселенной.
Процесс познания продолжается и не может остановиться, пока существует человек и его природное любопытство - он хочет знать, из чего всё сделано и как устроено (галактики, звезды, планеты, молекулы, атомы, электроны, кварки...), откуда всё берётся (физический вакуум), куда исчезает (чёрные дыры) и т.д. Для этого учёными создаются новые физико-математические теории, например, теория суперструн
(М– теория)
(Э. Виттен, П. Таунсенд, Р. Пенроуз и др.), которые объясняют устройство и Макро– и Микромиров.
Итак, наша Галактика (Млечный путь) входит в так называемую местную группу галактик. Размеры галактик и расстояния между ними громадны и требуют специальных единиц измерения (см. в колонке справа).
наши соседи из местной группы галактик
(увеличить картинку
)
Наша Галактика — Млечный путь представляет собой гигантский диск, состоящий из звезд разного типа, звездных скоплений, межзвездного вещества, состоящего из различного типа излучений, элементарных частиц, атомов и молекул, тёмной материи, над тайной которой бьются сейчас астрофизики. В центре нашей Галактики существует чёрная дыра (по крайней мере одна) — ещё одна из астрофизических проблем современности.
На схема ниже показано устройство Галактики (рукава, ядро, гало), её размеры и место, которое занимают в ней Солнце, Земля и другие планеты — спутники Солнца.
расположение Солнечной системы в Галактике Млечный путь (схема)
увеличить картинку
схема рукавов (ветвей) Млечного пути (Солнечная система выделена)
увеличить картинку
КОСМОГОНИЯ (греч. κοσµογόνια от греч. κόσµος - порядок, мир, Вселенная и γονή - рождение - происхождение мира) - раздел астрономии, посвященный происхождению и развитию небесных тел.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Полноценной теории образования Солнечной системы до сих пор не существует. Все гипотезы, начиная с Р. Декарта (1644), существовали определённое время, и когда они не могли объяснить некоторые явления, происходящие в Солнечной системе то, либо отвергались полностью, либо развивались и дополнялись другими учеными.
Первая серьезная космогоническая гипотеза о происхождении Солнечной системы была создана и опубликована в 1755 г. немецким философом Иммануилом Кантом (1724-1804), считавшим, что Солнце и планеты сформировались из твердых частиц огромного облака, которые сближались и слипались между собой под действием взаимного тяготения.
Вторая космогоническая гипотеза была выдвинута в 1796 г. французским физиком и астрономом Пьером Симоном Лапласом (1749-1827). Принимая кольцо Сатурна за газовое, отделившееся от планеты при ее вращении вокруг оси, Лаплас полагал, что Солнце возникло из газовой туманности, скорость вращения которой увеличивалась при ее сжатии, и из-за этого от Солнца отделялись кольца газового вещества (похожие на кольца Сатурна), породившие планеты.
Эта гипотеза просуществовала более 100 лет. Однако, подобно гипотезе Канта, она была отвергнута, так как не объясняла закономерностей Солнечной системы. А достоверная гипотеза должна объяснить следующие основные закономерности Солнечной системы:
1) планеты обращаются вокруг Солнца по почти круговым орбитам, мало наклоненным к плоскости земной орбиты, составляющей с плоскостью солнечного экватора угол в 7° (исключение - [карликовая] планета Плутон, орбита которой наклонена к плоскости земной орбиты на 17°);
2) планеты обращаются вокруг Солнца в направлении его вращения вокруг оси (с запада к востоку), и в этом же направлении вращается большинство планет (исключение - Венера, Уран и Плутон, вращающиеся с востока к западу);
3) масса Солнца составляет 99,87% массы всей Солнечной системы;
4) произведение массы каждой планеты на ее расстояние от Солнца и ее орбитальную скорость называется моментом импульса этой планеты; произведение массы Солнца на его радиус и линейную скорость вращения представляет собой момент импульса Солнца. В общей сумме эти произведения дают момент импульса Солнечной системы, из которого 98% сосредоточено в планетах, а на долю Солнца приходится лишь 2%, т.е. Солнце вращается очень медленно (линейная скорость его экватора равна 2 км/с);
5) физические свойства планет земной группы и планет-гигантов различны.
Гипотезы Канта и Лапласа не смогли объяснить всех этих закономерностей и поэтому были отвергнуты.
Так, например, Нептун удален от Солнца на среднее расстояние d = 30 а.е. и его линейная скорость по орбите v = 5,5 км/с. Следовательно, при отделении породившего его кольца Солнце должно было иметь такой же радиус и такую же линейную скорость своего экватора.
Сжимаясь далее, Солнце последовательно порождало другие планеты, и в настоящее время имеет радиус R≈0,01 а.е.
Согласно законам физики, линейная скорость солнечного экватора должна была бы быть
т.е. во много превосходить действительную скорость 2 км/с. Уже этот пример показывает несостоятельность гипотезы Лапласа.
В начале XX в. были выдвинуты и другие гипотезы, но все они оказались несостоятельными, так как не смогли объяснить всех основных закономерностей Солнечной системы.
По современным представлениям, образование Солнечной системы связано с формированием Солнца из газопылевой среды. Считается, что газопылевое облако, из которого около 5 млрд. лет назад образовалось Солнце, медленно вращалось. По мере сжатия скорость вращения облака увеличивалась, и оно приняло форму диска. Центральная часть диска дала начало Солнцу, а его внешние области - планетам. Этой схемой вполне объясняется различие в химическом составе и массах планет земной группы и планет-гигантов.
Действительно, по мере разгорания Солнца легкие химические элементы (водород, гелий) под действием давления излучения покидали центральные области облака, уходя к его периферии. Поэтому планеты земной группы сформировались из тяжелых химических элементов с малыми примесями легких и получились небольших размеров.
Из-за большой плотности газа и пыли излучение Солнца слабо проникало к периферии протопланетного облака, где царила низкая температура и пришедшие газы намерзали на твердые частицы. Поэтому далекие планеты-гиганты сформировались крупными и в основном из легких химических элементов.
Эта космогоническая гипотеза объясняет и ряд других закономерностей Солнечной системы, в частности распределение ее массы между Солнцем (99,87%) и всеми планетами (0,13%), современные расстояния планет от Солнца, их вращение и др.
Она разработана в 1944-1949 гг. советским академиком Отто Юльевичем Шмидтом (1891-1956) и впоследствии развита его сотрудниками и последователями.
К настоящему времени известны многие гипотезы о происхождении Солнечной системы, в том числе предложенные независимо немецким философом И.Кантом (1724-1804) и французским математиком и физиком П.Лапласом (1749-1827). Точка зрения И. Канта заключалась в эволюционном развитии холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникло центральное массивное тело - Солнце, а потом родились и планеты. П. Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность вследствие закона сохранения момента импульса вращалась все быстрее и быстрее. Под действием больших центробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись кольца, превращаясь в результате охлаждения и конденсации в планеты. Таким образом, согласно теории П. Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Несмотря на такое различие между двумя рассматриваемыми гипотезами, обе они исходят от одной идеи - Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. И поэтому такую идею иногда называют гипотезой Канта-Лапласа. Однако от этой идеи пришлось отказаться из-за множества математических противоречий, и на смену ей пришло несколько «приливных теорий».
Наиболее знаменитая теория была выдвинута сэром Джеймсом Джинсом, известным популяризатором астрономии в годы между Первой и Второй мировыми войнами. (Он также был ведущим астрофизиком, и лишь в конце своей карьеры обратился к созданию книг для начинающих.)
Рис. 1. Приливная теория Джинса. Звезда проходит рядом с Солнцем, вытягивая
из него вещество (рис. А и В); планеты формируются из этого материала (рис. С)
Согласно Джинсу, планетное вещество было «вырвано» из Солнца под воздействием близко проходившей звезды, а затем распалось на отдельные части, образуя планеты. При этом наиболее крупные планеты (Сатурн и Юпитер) находятся в центре планетной системы, где некогда находилась утолщенная часть сигарообразной туманности.
Если бы дела действительно обстояли таким образом, то планетные системы были бы чрезвычайно редким явлением, так как звезды отделены друг от друга колоссальными расстояниями, и вполне возможно, что наша планетная система могла бы претендовать на роль единственной в Галактике. Но математики снова бросились в атаку, и в конце концов приливная теория присоединилась к газообразным кольцам Лапласа в мусорной корзине науки. 1
2. Современная теория происхождения солнечной системы
Согласно современным представлениям, планеты солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет назад. Такая точка зрения наиболее последовательно отражена в гипотезе российского ученого, академика О.Ю. Шмидта (1891-1956), который показал, что проблемы космологии можно решить согласованными усилиями астрономии и наук о Земле, прежде всего географии, геологии, геохимии. В основе гипотезы О.Ю. Шмидта лежит мысль об образовании планет путем объединения твердых тел и пылевых частиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако сначала состояло на 98% из водорода и гелия. Остальные элементы конденсировались в пылевые частицы. Беспорядочное движение газа в облаке быстро прекратилось: оно сменилось спокойным движением облака вокруг Солнца.
Пылевые частицы сконцентрировались в центральной плоскости, образовав слой повышенной плотности. Когда плотность слоя достигла некоторого критического значения, его собственное тяготение стало «соперничать» с тяготением Солнца. Слой пыли оказался неустойчивым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них приобретали почти круговые орбиты и в своем росте начали обгонять другие тела, став потенциальными зародышами будущих планет. Как более массивные тела, новообразования присоединяли к себе оставшееся вещество газопылевого облака. В конце концов сформировалось девять больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым на протяжение миллиардов лет.
С учетом физических характеристик все планеты делятся на две группы. Одна из них состоит из сравнительно небольших планет земной группы - Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Их вещество отличается относительно высокой плотностью: в среднем около 5,5 г/см 3 , что в 5,5 раза превосходит плотность воды. Другую группу составляют планеты -гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромными массами. Так, масса Урана равна 15 земным массам, а Юпитера- 318. Состоят планеты-гиганты главным образом из водорода и гелия, а средняя плотность их вещества близка к плотности воды. Судя по всему, у этих планет нет твердой поверхности, подобной поверхности планет земной группы. Особое место занимает девятая планета - Плутон, открытая в марте 1930 г. По своим размерам она ближе к планетам земной группы. Не так давно обнаружено, что Плутон - двойная планета: она состоит из центрального тела и очень большого спутника. Оба небесных тела обращаются вокруг общего центра масс.
В процессе образования планет их деление на две группы обусловливается тем, что в далеких от Солнца частях облака температура была низкой и все вещества, кроме водорода и гелия, образовали твердые частицы. Среди них преобладал метан, аммиак и вода, определившие состав Урана и Нептуна. В составе самых массивных планет - Юпитера и Сатурна, кроме того, оказалось значительное количество газов. В области планет земной группы температура была значительно выше, и все летучие вещества (в том числе метан и аммиак) остались в газообразном состоянии, и, следовательно, в состав планет не вошли. Планеты этой группы сформировались в основном из силикатов и металлов. 2
ПРОИСХОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
(планетная космогония). Происхождение и эволюция Солнца рассматриваются теориями звездообразования
и эволюции звёзд,
а при изучении П. С. с. осн. внимание уделяется проблеме образования планет, и прежде всего Земли. Звёзды с планетными системами могут составлять промежуточный класс между одиночными и двойными звёздами.
Не исключено, что строение планетных систем и способы их формирования могут быть весьма различными. Строение Солнечной системы
(СС) обладает рядом закономерностей, указывающих на совм. образование всех планет и Солнца в едином процессе. Такими закономерностями являются: всех планет в одном направлении по эллиптич. орбитам, лежащим почти в одной плоскости; вращение Солнца в том же направлении вокруг оси, близкой к перпендикуляру к центр. плоскости планетной системы; осевое вращение в том же направлении большинства планет (за исключением Венеры, к-рая очень медленно вращается в обратном направлении, и Урана, к-рый вращается как бы лёжа на боку); обращение в том же направлении большинства спутников планет; закономерное возрастание расстояний планет от Солнца; деление планет на родств. группы, отличающиеся по массе, хим. составу и кол-ву спутников ( близких к Солнцу планет земного типа и далёкие от Солнца планеты-гиганты, также подразделяющиеся на 2 группы); наличие пояса малых планет между орбитами Марса и Юпитера.
Краткая история. Начало развитию планетной космогонии положено гипотезой Канта-Лапласа. И. Кант (I. Kant, 1755) выдвинул идею о формировании планет из разреженного пылевого вещества, обращавшегося вокруг Солнца.
Согласно П. С. Лапласу (P. S. Laplace, 1796), материалом для образования планет послужила часть газового вещества, отделившаяся от сжимающегося протосолнца. Наряду с гипотезой Канта-Лапласа предлагались гипотезы, основанные на идее "катастрофич. события". В 1920-30-х гг. известностью пользовалась гипотеза Дж. X. Джинса (J. Н. Jeans), считавшего, что планеты образовались из вещества, вырванного из Солнца притяжением пролетевшей поблизости звезды. Однако уже в кон. 30-х гг. выяснилось, что гипотеза Джинса не способна объяснить размеры планетной системы. Ряд важных исследований по проблеме образования околосолнечной и формирования в ней планет был проведён в 30-40-х гг. X. Альфвен (Н. Alfven) и Ф. Хойл (F. Hoyle) привлекли внимание к магнитогидродинамич. эффектам, играющим важную роль на ранних стадиях формирования звезды и её окружения. X. Берлаге (Н. Berlage) и К. Вайцзеккер (С. Weizsacker) построили первые газодинамич. модели первичного околосолнечного диска. Начало планомерной разработке теории П. С. с. положено работами О. Ю. Шмидта. В трудах отечеств. школы планетной космогонии выяснены осн. черты эволюции протопла-нетного диска и процессов, сопровождающих формирование планет. К 80-м гг. получен обширный материал наблюдательных данных по современному звездообразованию. Благодаря полётам космич. аппаратов неизмеримо возрос объём информации о строении, составе и свойствах тел СС. Лаб. изучение внеземного вещества и использование при моделировании астрофиз. событий позволили перейти к построению достаточно детальных количеств моделей П. С. с.
Образование Солнца и допланетного диска.
Звёзды солнечного типа образуются в газопылевых комплексах с массой М
( М
-
масса Солнца). Пример такого комплекса - известная туманность
Ориона, в к-рой идёт активное . По-видимому, и Солнце образовалось вместе с группой звёзд в ходе перемежающихся процессов сжатия и фрагментации подобной туманности.
Эволюция допланетного диска: а
- опускание пыли к центральной плоскости; б
- формирование пылевого субдиска; в
- распад пылевого субдиска на пылевые сгущения; г
- формирование из пылевых сгущений компактных тел (по Б. Ю. Левину, 1964).
Эволюция допланетного диска: динамические аспекты.
При моделировании отд. стадий эволюции диска (рис.) и образования планет большое внимание уделяется нач. стадии - опусканию пылинок к центр. плоскости диска и их слипанию в турбулентном газе. Время опускания пыли и образования пылевого субдиска зависит от интенсивности турбулентных движений в газовой составляющей диска и оценивается в - лет. При достижении в пылевом слое критич. плотности в результате гравитационной неустойчивости
пылевой субдиск должен был бы распасться на пылевых сгущений. На разных расстояниях от Солнца времена образования пылевых сгущений и их массы могли несколько отличаться, но, по оценкам, в ср. их массы были близки к массам крупнейших совр. астероидов.
Столкновения сгущений вызывали объединение (и ) большинства из них и образование компактных тел - плаветезималей. Этот процесс, с космогонич. точки зрения, был также весьма быстрым (лет).
Следующий этап - аккумуляция планет из роя пла-нетезималей и их обломков - занял гораздо больше времени ( лет). Численное позволяет определять одновременно масс и скоростей допланетных тел. Сначала тела двигались по круговым орбитам в плоскости породившего их пылевого слоя. Они росли, сливаясь друг с другом и вычерпывая окружающее рассеянное (остатки "первичной" пыли и обломки, образовавшиеся в процессе столкновений планетезималей). Гравитац. тел, усиливавшееся по мере их роста, постепенно изменяло их орбиты, увеличивая ср. эксцентриситет и ср. наклон к центр. плоскости диска. Наиб. массивные тела оказались зародышами будущих планет. При объединении в планеты многих тел произошло усреднение их индивидуальных характеристик движения, и поэтому орбиты планет получились почти круговыми и компланарными. Оценённые аналитически и получаемые в численных расчётах относит. расстояния между планетами, их массы и общее число, периоды собств. вращения, наклоны осей, эксцентриситеты и наклоны орбит удовлетворительно согласуются с наблюдениями.
Процесс образования планет-гигантов был более сложным, многие его детали ещё предстоит выяснить. Их образование осложнялось длительным присутствием газовой и эфф. выбросом вещества во внеш. зоны и даже за пределы СС. Согласно моделям, образование Юпитера и Сатурна протекало в два этапа. На первом этапе, длившемся десятки млн. лет в области Юпитера и около ста млн. лет в области Сатурна, происходила аккумуляция твёрдых тел, подобная той, что была в зоне планет земной группы. Когда крупнейшие тела достигали нек-рой критич. массы (5 Мз, Мз
- масса Земли), начинался 2-й этап эволюции - газа на эти тела, длившийся лет. Из зоны планет земной группы рассеивался за лет, в зоне Юпитера и Сатурна он оставался неск. дольше. Образование твёрдых ядер Урана и Нептуна, находящихся на больших расстояниях, заняло сотни млн. лет. К этому времени газ из их окрестностей был уже практически потерян. Темп-ры в этой внеш. части СС не превышали 100 К, в результате, помимо силикатной компоненты, в состав этих планет и их спутников вошло много конденсатов воды, метана и аммиака.
Малые тела СС - астероиды и кометы
- представляют собой остатки роя промежуточных тел. Крупнейшие из совр. астероидов (поперечником 100 км) образовались ещё в эпоху формирования планетной системы, а средние и мелкие - в большинстве своём обломки крупных астероидов, раздробившихся при столкновениях. Благодаря столкновениям астероидных тел непрерывно пополняется запас пылевого вещества в межпланетном пространстве. Др. источник мелких твёрдых частиц - и распад кометных ядер при пролёте их вблизи Солнца. Ядра комет, по-видимому, представляют собой остатки каменисто-ледяных тел зоны планет-гигантов. Массы планет-гигантов ещё до завершения их роста стали столь большими, что своим притяжением начали сильно изменять орбиты пролетавших мимо них малых тел. В результате нек-рые из этих тел приобрели очень вытянутые орбиты, уходящие далеко за пределы планетной системы. На тела, удалявшиеся дальше 20-30 тыс. а. е. от Солнца, заметное грави-тац. воздействие оказали ближайшие звёзды. В большинстве случаев воздействие звёзд приводило к тому, что малые тела переставали заходить в область планетных орбит. Планетная система оказалась окружённой роем каменисто-ледяных тел, простирающимся до расстояний а. е. и являющимся источником ныне наблюдаемых комет (облако Оорта).
Происхождение системы регулярных спутников планет, движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости её экватора, обычно объясняется процессами, аналогичными тем, к-рые привели к образованию планет. Согласно моделям, в ходе формирования планеты в результате неупругих столкновений планетезималей часть из них могла быть захвачена на околопланетную орбиту, образовав околопланетный доспутниковый диск. Оценки показывают, что характерные времена аккумуляции и разрушения небольших спутников при дроблении много меньше характерного времени образования самой планеты. Вещество в доспутниковых дисках неоднократно обновлялось, прежде чем смогла образоваться относительно устойчивая спутниковая система. Согласно модельным расчётам, массы доспутниковых дисков - от массы планеты, что достаточно для формирования спутниковых систем планет-гигантов. В системе регулярных спутников Юпитера имеется деление на две группы: силикатную и водно-силикатную. Различия в хим. составе спутников показывают, что молодой Юпитер был горячим. Нагрев мог быть обеспечен выделением гравитац. энергии при аккреции газа. В системе спутников Сатурна, состоящих в осн. из льда, нет деления на две группы, что связывают с более низкой темп-рой в окрестностях Сатурна, при к-рой могла конденсироваться вода. Происхождение иррегулярных спутников Юпитера, Сатурна и Нептуна, т. е. спутников, обладающих обратным движением, а также небольшого внеш. спутника Нептуна, обладающего прямым движением по вытянутой орбите, объясняют захватом. У медленно вращающихся планет (Меркурия и Венеры) спутников нет. Они, по-видимому, испытали приливное торможение со стороны планеты и упали в конце концов на её . Действие приливного торможения проявилось также в системах Земля - Луна и Плутон - Харон, где спутники, образуя с планетой двойную систему, всегда повёрнуты к планете одним и тем же полушарием.
Происхождение Луны чаще всего связывают с образованием её на околоземной орбите, однако продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землёй готовой Луны, отделения Луны от Земли. Разрабатывается и компромиссная гипотеза, связывающая появление массивного околоземного доспутникового диска с гигантским выбросом вещества, вызванным столкновением протоземли с крупным телом (с размерами порядка Меркурия или даже Марса). Согласно расчётам, из массивного спутникового роя могла образоваться система из неск. крупных спутников, орбиты к-рых с разной скоростью эволюционировали под действием приливного трения, и, в конечном счёте, спутники объединились в одно тело - Луну.
Космохимические аспекты (эволюция состава). В основе физ.-хим. исследований ранних стадий эволюции СС лежат данные по составу межзвёздной и межпланетной пыли, планет и их атмосфер, астероидов и комет. Особое место принадлежит лаб. исследованиям метеоритов - образцов астероидного вещества. Вещество, вошедшее в тела СС, проходило неоднократную физ.-хим. переработку и во многом утратило память о ранних стадиях эволюции. Однако отд. тела СС содержат вещество, хранящее ту или иную информацию в виде реликтовых минеральных фракций, включений и т. п. Образцы такого вещества используются как "космохроно-метры", "космотермометры", "космобарометры".
Хим. состав первичного допланетного диска обычно полагают близким к солнечному ("среднекосмическо-му"). В первичном диске газ (в осн. водорода и гелия) составлял 98-99% всей массы. Пыль (фер-ромагнезиальные силикаты и алюмосиликаты во внутр. части диска, к к-рым добавлялись льды во внеш. части) вначале играла второстепенную роль. В ходе образования и эволюции допланетного диска происходили изменения элементного и изотопного состава газовой и конденсированной компонент, разнообразные обмена между этими двумя осн. резервуарами. Согласно моделям, в процессе образования диска в ближней к Солнцу окрестности межзвёздная пыль
в ходе аккреции испарялась и лишь после частичного охлаждения газа происходила реконденсация тугоплавких и умеренно тугоплавких соединений. Во внеш. зоне СС в состав первичных тел могла войти межзвёздная пылевая компонента. Лаб. анализы образцов наиб. примитивных углистых хондритов указывают на присутствие в них вещества, близкого по особенностям элементного, изотопного и минерального состава к межзвёздной пыли. В целом определения изотопного состава земных и лунных образцов, метеоритов и межпланетной пыли показывают относит. однородность, а следовательно, хорошую перемешанность осн. массы протопланетного вещества. Это сильный довод в пользу образования допланетного диска и Солнца в едином процессе. Т. о., установленный для Земли, Луны и древнейших метеоритов возраст в 4,5-4,6 млрд. лет можно считать возрастом СС. В то же время изотопный состав газовой и конденсированной компонент в ходе формирования диска и в последующем при формировании планет несомненно менялся. Интерпретация вариаций содержания отд. изотопов в образцах внеземного вещества зачастую неоднозначна и зависит от выбора динамич. модели. Важно, однако, что находки дочерних продуктов распада короткоживущих изотопов и др. позволяют получить оценки длительности отдельных ранних стадий. Полученные оценки, основанные на ряде изотопных систем, включающих вымершие коротко-живущие , не противоречат динамич. оценкам длительности стадий формирования планет лет).
Недра крупнейших первичных тел подвергались разогреву до 300-700 К, а иногда и до 1000-1500 К, что достаточно для частичного и полного плавления. Об этом говорят представители особых классов метеоритов, состав и физ. свойства к-рых указывают на то, что их родительские тела прошли стадии нагрева и дифференциации вещества. Причины разогрева до конца неясны. Возможно, он был связан с выделением теплоты при распаде короткоживущих радиоакт. изотопов; существ. нагрев мог быть обеспечен взаимными столкновениями.
Ограничения на характер процессов в ранней СС получены при исследовании образцов внеземного вещества, взаимодействовавшего с галактич. и солнечными космическими лучами.
Так, исследование зёрен метеоритного вещества, облучённого солнечными космич. лучами, позволило сделать вывод, что к моменту формирования протопланет в зоне земной группы газ в осн. был уже потерян. Это важный аргумент в пользу представлений о вторичности атмосфер Земли, Венеры и Марса.
Начальное состояние и эволюция планет. В результате столкновений растущих планет с телами размером 100-1000 км протопланеты испытывали значит. нагрев, дегазацию, и дифференциацию недр. Изотопный анализ (по изотопам урана и свинца) свидетельствует о раннем образовании земного ядра. Его осн. масса, вероятно, сформировалась более 4 млрд. лет назад, т. е. в первые сотни млн. лет существования Земли. Древний характер поверхностей Меркурия и Луны и ряд косвенных данных о строении Марса и Венеры не противоречат концепции раннего образования ядер планет земной группы. Данные о возможном составе планет говорят о том, что образование ядер планет земной группы произошло вследствие отделения богатого железом расплава от силикатов. Физикохимия процесса отделения железного расплава и опускания его к центру планеты изучены недостаточно. Разогрев планет в ходе их роста сопровождался выделением летучих компонент, содержавшихся в веществе падавших планетезималей. В случае Земли водяные пары сконденсировались в воды первичных бассейнов, а газы образовали атмосферу. Согласно изотопному анализу (по изотопам йода и ксенона), осн. масса атмосферы Земли была накоплена к моменту завершения роста планеты. Состав древней атмосферы известен пока плохо.
Процесс хим. расслоения земных недр происходит и в наше время. Лёгкие расплавы в виде магмы поднимаются из мантии в кору. Они частично застревают и застывают внутри земной коры, а частично прорывают кору и в виде лавы изливаются наружу при вулка-нич. извержениях. Крупномасштабные перемещения вещества в недрах, вызванные тепловой конвекцией и хим. дифференциацией, проявляются в виде подъёмов и опусканий больших участков поверхности, перемещения литосферных плит, на к-рые расчленена земная кора, в виде процессов вулканизма и горообразования, а также землетрясений (см. Сейсмология).
О совр. строении планетных недр см. в ст. Планеты и спутники.
Лит.: Protostars and planets, v, 1-2, Tucson, 1978-85; Сафронов В, С., Витязев А. В., Происхождение Солнечной системы, в кн„: Итоги науки и техники, сер. Астрономия, т., 24, М., 1983. А. В. Витязев.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
