|
ВСЕЛЕННАЯ И СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА Общие сведения о Вселенной
Земля — одно из бесчисленных тел Вселенной. Под Вселенной понимают окружающий нас мир, бесконечный во времени •и пространстве и разнообразный по формам, которые принимает вечно движущаяся материя. В одних местах она достигает большой плотности, образуя космические тела, а в других плотность ее ничтожно мала.
Космические тела в результате взаимного тяготения находятся в движении, образуя различные системы. Наиболее простая система — планета со спутниками, например Земля — Луна; она входит в более крупную звездную систему —Солнечную систему. Если посмотреть на небо ночью в ясную погоду, то можно увидеть блестящую полосу, опоясывающую небо. Это Млечный Путь". Свет Млечного Пути слагается из света множества звезд, одной из которых является Солнце. Совокупность звездных систем составляет систему галактик, которые объединяются в Метагалактику. В галактиках основной составной частью являются звезды —самосветящиеся небесные тела, состоящие из раскаленных газов. В межзвездных пространствах находятся различного рода туманности— скопления газово-пы- левых облаков колоссальных размеров с ничтожно малой плотностью. Пространство между туманностями заполнено разреженным межзвездным газом, имеющим плотность в 10—100 раз меньшую, чем туманности.
Вся межзвездная материя находится в постоянном вихревом движении. Вихревые движения способствуют формированию отдельных сгустков, из которых образуются звезды и планеты, например Солнечная система.
Солнце, его физическая природа
Солнце — центральное тело Солнечной системы. Среднее расстояние его от Земли равно 149,6 млн. км, диаметр — 1392 тыс. км, а объем в 1,3 млн. раз больше земного. Масса Солнца 1,98-1030 кг, средняя плотность равна 1,41 -103 кг/м3 (0,26 плотности Земли). Сила тяжести на Солнце в 28 раз больше, чем на Земле.
На Солнце обнаружено около 70 известных на Земле химических элементов. Но в основном оно состоит из двух элементов: водорода (70% его массы) и гелия (29%). 1 % приходится на азот, углерод, кислород", железо, магний и другие элементы.
Солнце вращается вокруг своей оси против часовой стрелки. Ось вращения наклонена к плоскости эклиптики под углом 83°. Но Солнце вращается не так, как вращаются твердые тела. На экваторе оборот совершается за 25 суток, а близ 60° — за 30 суток.
Внешние слои Солнца образуют солнечную атмосферу, состоящую из. фотосферы, хромосферы и солнечной короны.
Фотосфера — видимый поверхностный слой, из которого исходит основная часть излучения. Температура фотосферы близка к 6000РК. Вещество Солнца при этой температуре находится в газообразном состоянии. Фотосфера не равномерно яркая, так как она имеет зернистое строение. Светлые зерна называются гранулами. Гранулы-—неустойчивые образования, продолжительность их существования около 2—3 мин, размеры от 700 до 1400 км. При усилении напряжения магнитного поля Солнца в фотосфере образуются факелы в виде волокон различной формы, отличающиеся яркостью, и темные пятна с бо- * лее низкой температурой (до 4500°К). Диаметр пятен колеблется от нескольких сотен, десятков и даже сотен тысяч километров, продолжительность существования их от нескольких "часов до нескольких месяцев. Пятна образуются в экваториальных гелиографических широтах (до 45°), наблюдения за ними позволили установить скорость вращения Солнца вокруг своей оси.
Над' фотосферой расположена хромосфера. Она имеет яркий красный цвет и наблюдается при полных затмениях в виде алого кольца, опоясывающего темный диск Солнца. Верхняя граница хромосферы постоянно волнуется, поэтому толщина ее колеблется до 14 000 км.
Из хромосферы выбрасываются фонтаны раскаленного газа, видимые невооруженным глазом во время полных солнечных затмений. Это протуберанцы. Солнечное вещество в них движется со скоростью 250—500 км/с. Они поднимаются от поверхности Солнца на'расстояния, равные в среднем 200 000 км, а некоторые достигают высоты 1,5 млн. км.
Над хромосферой расположена солнечная корона, видимая при полных солнечных затмениях в виде окружающего Солнце серебристо-жемчужного ореола. В последнее время установлено, что она распространяется до пределов земной орбиты. Верхняя ее часть состоит из отдельных разреженных электронных облаков, которые находятся в магнитном.поле Солнца; Они движутся от него и достигают верхних слоев атмосферы Земли, ионизируют и нагревают ее, оказывая тем самым влияние на климатические процессы Земли.
Из короны происходит постоянно истечение плазмы, которое называют солнечным ветром, скорость его 300—80 ООО км/с.
Основным источником солнечной энергии являются ядерные реакции превращения атомов водорода в гелий. Солнце является хакже источником радиоволн. При появлении интенсивных и многочисленных факелов и пятен радиоизлучение увеличивается в тысячи раз.
Солнечная активность циклична. Она проявляется в кратковременных явлениях, к которым относятся солнечные пятна, факелы, флоккулы, протуберанцы, хромосферные вспышки, радиоизлучения.
Рис. 1. Схема строения Солнца
Центр Солнца
С солнечной активностью тесно связаны многие геофизические процессы, совершающиеся в магнитосфере, гидросфере, атмосфере и биосфере Земли. Механизм воздействия солнечной
деятельности на Землю заключается в корпускулярном излучении, наиболее сильно исходящем из областей хромосферных вспышек и флоккул.
Приближаясь к Земле, корпускулы попадают в ее магнитосферу и движутся по силовым линиям земного магнитного поля. Частицы высоких энергий, приносимые солнечным ветром, образуют радиационные пояса Земли.
В период хромосферных вспышек частицы солнечного ветра прорываются внутрь радиационного пояса, вытесняя из него частицы высоких энергий, и тогда последние вторгаются в земную атмосферу.
Излучение этих частиц проявляется в виде полярных сияний. Высокая энергия частиц солнечного ветра вызывает внезапные изменения в напряжении магнитного поля Земли: На Земле это проявляется в. виде магнитных бурь.
Корпускулярные излучения при хромосферных вспышках обусловливают также ионосферные возмущения, приводящие к временным перерывам радиопередач на коротких волнах.
Все геофизические явления, обусловленные солнечной активностью, тесно связаны между собой. Так, например, во время сильных магнитных бурь полярные сияния наблюдаются даже в тропиках.
В моменты вспышек усиливается коротковолновое ультрафиолетовое излучение- Солнца. Его проявление соответствует 11-летнему циклу активности Солнца и оказывает влияние на общий характер циркуляции атмосферы и гидросферы Земли. Изменяется количество озона в земной атмосфере. Озон экранизирует солнечное излучение и резко изменяет долю солнечной энергии, поглощаемую атмосферой, что приводит к изменению атмосферного давления, перераспределению осадков, колебанию уровней озер и т. д.
Все виды топлива, а также энергия рек и ветра представляют собой преобразованную, накопленную энергию Солнца. Современная наука уделяет все больше внимания использованию солнечной энергии в хозяйстве.
В настоящее время организована международная служба Солнца. Ведутся беспрерывные наблюдения'за его активностью. Связь Земля — Солнце изучается с помощью искусственных спутников. Предполагается создать на поверхности Луны лаборатории для изучения Солнца.
Солнечная система
Солнечная система— система небесных тел, состоящая из девяти больших планет со спутниками и десятков тысяч мелких планет (астероидов), комет, метеорных тел и единственной звезды — Солнца.
Планеты — непрозрачные тела, по форме близкие к шару, светящиеся отраженным светом, движущиеся вокруг Солнца. Большие планеты подразделяются на две группы: 1) типа Земли (внутренние) —Меркурий, Венера, Земля, Марс и 2) плане- ты-гиганты (внешние) — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Вне групп остается Плутон. Эта планета мало исследована.
В строении Солнечной системы ученые подметили следующие особенности:
Все планеты Солнечной системы и Солнце имеют шарообразную форму.
Все они обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, которые находятся приблизительно в одной плоскости. Обращение их происходит в одну сторону — против часовой стрелки, если смотреть с Северного полюса.
У большинства планет есть спутники; чем крупнее.планета, тем больше у нее спутников.
Ближние к Солнцу планеты имеют большую плотность и более высокую температуру, чем дальние. Размеры планет увеличиваются от начала (от Меркурия) к середине (к Юпитеру) и уменьшаются к концу системы (к Плутону).
Ближайшая к Солнцу планета — Меркурий, наименьшая по размерам и массе, однако плотность ее примерно равна плотности Земли. Расстояние до Солнца изменяется от 46 до 70 млн. км. Меркурий получает солнечного тепла в 6,69 раза больше, чем Земля. Примечательно, что длина меркурианского года (оборота вокруг Солнца) вдвое короче суток, т. е. полного оборота вокруг своей оси. Температура на освещенной стороне достигает 613°К, а на теневой 33°К. Атмосфера на Меркурии не обнаружена.. В таких условиях жизнь невозможна.
Венера — самое яркое небесное тело, кроме Солнца и Луны; по размерам и массе она почти равна Земле. Обращается вокруг Солнца почти по круговой орбите, один оборот совершает в течение 225 земных суток, а вокруг своей оси — за 243 суток. Смена времен года не выражена, так как ось Венеры почти перпендикулярна плоскости ее околосолнечной орбиты. Наблюдатели с Земли видят два восхода и два захода Венеры в период одного оборота вокруг Солнца, так как направление осевого вращения Венеры обратно направлению вращения Земли, т. е. по ходу часовой стрелки, если смотр'еть со стороны Северного полюса мира. Много нового о природе Венеры ученые узнали за последние двадцать лет; интересные материалы полу- -чены от спускаемых аппаратов автоматической станции «Вене- ра-12» и «Венера-11» (декабрь 1978 г.). Наши межпланетные автоматические станции измерили температуру, установили состав и давление ее атмосферы: на поверхности температура равна 723°К, а давление—1013-102 гПа. Атмосфера Венеры состоит в основном из углекислого газа (более 95% по объему), молекулярного азота (около 4%), молекулярного кислорода (менее 0.5%) и паров воды (примерно столько же). Высокая
"температура атмосферы, состав и плотность ее исключают органическую жизнь.
Марс находится в хороших условиях для наблюдений. Его расстояние от Земли колеблется от 55 до 400 млн. км. Через каждые два года он подходит сравнительно близко к Земле, и его можно в это время наблюдать всю ночь. Расстояние от Солнца измеряется от 200 до 250 млн. км. Марс - почти вдвое меньше Земли по радиусу и в 9 раз меньше по массе, плотность его составляет 0,7 земной, а сила притяжения в 2,5 раза слабее, чем на Земле. Осевое вращение Марс совершает в течение 24 ч 37 мин, наклон его оси к плоскости орбиты 24°, поэтому смена времени года происходит примерно так же, как на Земле. Разница состоит в том, что * марсианский год почти в два раза длиннее земного (780 суток).
Марс имеет атмосферу, но менее плотную, чем земная. Ее давление на поверхности не превышает 6 гПа. В атмосфере преобладают углекислый газ^и азот, кислорода не более 0,3%, а водяного пара менее 0,05%
За последние годы межпланетные автоматические станции несколько изменили представление о природе Марса. До недавнего времени считалось, что поверхность Марса—-равнина. Снимки же, сделанные с американских станций, показывают, что на Марсе имеются горные хребты и кратеры, подобные лунным. Темные полосы, ранее считавшиеся каналами искусственного происхождения, отсутствуют. На экваторе Марса в летние дни температура поднимается'до 293°К, а к ночи падает до 228°К. Светлые шапки в полярных областях представляют собой скопления замерзшей углекислоты. По временам года их границы изменяются: зимой они разрастаются, летом — сокращаются.
Марс имеет два спутника — Фобос и Деймос, диаметры которых соответственно равны 16 и 8 км.
Рис. 2. Сравнительная величина Солнца и планет
Юпитер —самая большая планета Солнечной системы. От ' Солнца она находится в 5 раз дальше, чем Земля, тепла получает в 27 раз меньше. На Юпитер приходится 71% общей массы всех остальных планет. Объем Юпитера превосходит объем Земли в 1300 раз, а масса в 318 раз больше земной. Ось вращения Юпитера почти перпендикулярна к плоскости орбиты, поэтому смены времен года не происходит. Юпитер очень быст
ро вращается вокруг своей оси, причем в экваториальной области быстрее, чем в средних широтах (на экваторе сутки —
ч 50 мин, в средних широтах — 9 ч 55 мин 44 с). Быстрое движение вокруг оси вызвало большую сплюснутость Юпитера (1/16). Температура на поверхности 43°К, давление 1013 гПа (1 атм). В атмосфере Юпитера преобладают водород (около 85%), метан, аммиак и другие газы. Учёные предполагают, что на глубине 0,2 радиуса планеты (около 15 тыс. км) при давлении около 3039-106 гПа (3 млн. атм) температура около
000°С. Здесь проходит граница расплавленного металлического водорода. Предположительно в центре находится желе- зокаменное ядро.
У Юпитера 13 спутников, самые большие из них (Ио и Га- нимед) равны Меркурию.
Сатурн по размерам и массе уступает только Юпитеру. Его диаметр в 9,5 раза, а масса в 95 раз больше, чем у Земли. Период обращения Сатурна вокруг своей оси составляет 10 ч 14 мин, поэтому он имеет большое сжатие (1/10). Сатурн окутан плотной атмосферой, состоящей из водорода и метана. Близ поверхности температура атмосферы достигает —123°К.
В плоскости экватора Сатурн опоясан широким, плоским, свободно вращающимся кольцом. У Сатурна 15 спутников; один из них Титан, по размерам и массе превосходит все, вместе взятые, спутники.
• Уран и Нептун по своей физической природе близки друг к другу, масса их соответственно больше Земли в 17,3 и 14,5 раза. Уран вращается вокруг оси примерно в полтора раза быстрее Нептуна, поэтому имеет большее сжатие.
Обе планеты окружены атмосферой, состоящей из метайа, температура которого на Уране 63°К, на Нептуне близка к 0°К; Уран имеет пять спутников, а Нептун — два. Все их спутники, кроме одного, движутся вокруг планет в обратном направлении.
Плутон — самая отдаленная планета Солнечной системы. Его природа пока изучена слабо.
Основные числовые характеристики см. в таблице 1.
Луна — единственный спутник Земли. По диаметру Луна меньше Земли в 4 раза, а по массе в 81 раз. Плотность ее 3,3-103 кг/м3, сила лунного притяжения в 6 раз слабее земного.
Луна — ближайшее к Земле небесное тело: среднее расстояние ее от Земли 384 400 км. За последние 20 лет на Луне работали советские автоматические станции — луноходы, американские космонавты. Лунный грунт состоит из тех же химических элементов, что и Земля и другие планеты Солнечной системы. Лунные породы содержат больше тяжелых, тугоплавких химических элементов (титан, цирконий), меньше легких (калий, натрий). Преобладают породы, сходные с земными базальтами, но есть и совершенно неизвестные на Земле, сравни-
га Ef
ч ю га Н
Е-
о * х и к н Ш к >1 о 5 о о £
о я ^
ао. ^ §•"£
с и
Я
S
со
ш Н Ь а о - О -
СО Ш
| ган | и |
|
|
|
| а, га a cl |
|
|
|
|
| ■—-о | я | я |
| Он я |
|
|
| я | s | о я |
н >. | & а> | Е | Е | s | н S га e |
о | ^ я | to |
| 5 ^ | |
+1 | ° я й о со а я | 1П В" | со ЕГ | о in | сп га * |
СП | -5Г | со |
|
| я о |
in | см | <м | tM | OS |
О
о
я я Я а) я S S-5-S СП <D S 00
^ з и*-
-г га га сг
о. п. о а in
СО О | со о | со О | со О | О | со О | со О | о |
■—' | "—1 | ■—1 | •—1 |
| —» | '—1 | '—' |
in | О! | in | -tf1 | СО. |
| СО |
|
in | in | in |
| —~ | о" | —" |
|
-.л га „ | in |
|
|
2 = S 5 | 1П | см | 1П |
® Во | о |
| |
V | о | о | о |
о О н
О)
л
о ^ -
н = о
Л Л
S а я
о
S
п.
к а = - -
g.o
о S з с.
- о
f- | to | оо | со | о | о |
| о | о |
S2 | ш |
| со | о | о | СО | о | о |
| о | СО | СО |
| -ф | ю | OS | |
О) | со | о | со |
| о | см | -ф | см |
|
|
|
| t- | со | см |
|
СП | о |
| о | |
| in | Ol | -CP | СО |
| со | см | см | '—1 |
|
|
| со | г- | |
оо | О) | in | о | тР | t— |
г—< | .—1 | СП | ■5Г | со |
|
| —• | см | оо |
| CM |
ч5 5 «S3 з 5,Зо 5 н w га ^ Pi
и
га
С с' о a
|
| so | OS | CO. |
| oo" | of |
| |
in | о | rp | CM | f- |
| ■—1 | '—1 | <M |
|
OS | in |
| о |
CM |
| о |
|
■sf | OO | in | О) |
| CM |
| in |
я о
я О
ч С
о >3 Я
CQ
т
тельно богатые радиоактивными элементами. Наблюдения за лунотрясениями позволили утверждать, что Луна имеет кору, мантию и ядро.
Поверхность Луны хорошо изучена. Составлен ее глобус. Темные участки Луны, называемые морями, представляют собой обширные равнины, покрытые базальтовой лавой. Более светлые участки — материки — представляют собой высокие плато с хребтами и долинами, сложенные анортозитами. На поверхности Луны много кратеров диаметром в несколько сотен метров, окруженных валами. Часто в центре кратера возвышается горка[1]. Валы больших кратеров образуют кольцевые горы высотой до 9 км. Рельеф Луны сформировался в результате взаимодействия внутренних процессов (вулканизма) с внешними (падение метеоритов). Действующих вулканов на Луне не обнаружено, но в отдельных местах наблюдаются выходы газов.
На Луне происходят резкие колебания температуры поверхностных пород: от -J-110°С днем до •—180°С ночью.
Система Земля — Луна вращается вокруг общего центра, расположенного на расстоянии 0,73 земного радиуса. Кроме того, Луна движется вокруг Земли с периодом 27,32 средних солнечных суток (сидерический месяц). Вокруг своей оси она вращается с тем же периодом и в том же направлении, в каком движется вокруг Земли, поэтому Луна всегда обращена к Земле одной стороной.
Новолуние
®Л1
Последняя четверть
Полнолуние Рис. 3. Фазы Луны
Фазы Луны. Луна движется вокруг Земли в направлении, противоположном суточному вращению небесной сферы, и в течение лунного месяца завершает свое обращение. Наблюдатель с Земли замечает, что она постоянно меняет внешний вид. Эти внешние изменения называются фазами Луны. Дело в
том, что Луна освещается Солнцем и наблюдатель с Земли видит именно освещенную ее часть. Взаимное расположение Солнца, Луны и Земли меняется, поэтому наблюдатель с Земли видит Луну в разных фазах (рис.3).
В положении JI\ Луна расположена на одной линии с Солнцем, к нам обращена ее темная, невидимая с Земли половина. Эта фаза называется новолунием. Че
рез сутки после новолуния Луна зайдет за горизонт примерно на 50 мин позже Солнца и будет наблюдаться в виде узкого серпа, обращенного выпуклостью вправо. Спустя неделю после новолуния Луна видна в виде освещенного полукруга, выпуклая сторона которого по-прежнему обращена вправо. Такую фазу Луны называют первой четвертью (JI3). Еще через неделю Луна будет наблюдаться в стороне, противоположной Солнцу. Эту фазу называют полнолунием (Л5). В полнолуние с Земли видна вся освещенная Солнцем половина Луны. В это время она восходит близ времени захода Солнца, заходит с его восходом и бывает видна на небе всю ночь. Через неделю после полнолуния Луна находится в последней четверти (Л7). Теперь она восходит около полуночи, а заходит днем и вновь видна в виде полукруга, но с выпуклостью влево. По истечении, месяца Луна возвращается к новолунию. В дальнейшем ее фазы повторяются в том же порядке.
Гипотезы о происхождении планет Солнечной системы
Первая научная космогоническия гипотеза была предложе- * на в 1755 г. немецким философом И. Кантом. Через 50 лет французский математик Лаплас самостоятельно разработал близкую по содержанию гипотезу.
Историческая заслуга Канта и Лапласа состоит в том, что они впервые в естествознании сознательно приняли принцип развития природы. Гипотезы Канта и Лапласа опирались на известные факты и удовлетворительно, по тому времени, объясняли.строение Солнечной системы. По Канту, Солнце и планеты образовались из первоначально разреженной туманности, под частицами которой можно понимать как газ, так и пыль и Даже более крупные твердые тела. По гипотезе Лапласа, планеты сформировались иа_раскаленного газа.
По обеим гипотезам Солнечная система представляла разреженную туманность с центральным скоплением значительной массы. Благодаря вращению вокруг своей оси туманность имела форму эллипсоида вращения. Под воздействием сил притяжения и отталкивания (по Канту) или вследствие охлаждения и уплотнения (по Лапласу) в туманности возникли вихревые движения и сформировались кольцевые сгустки, из которых образовались планеты.
Советские ученые (О. Ю. Шмидт, В. А. Крат) создали теорию эволюции планетного облака.
• Проблема происхождения и развития Солнечной системы была разделена на две части:
Образование около Солнца первоначального диффузного пылевого облака.
Эволюция этого облака до современной планетной систе-
2—1516
мы. Первая задача в настоящее время до конца не решена, вторая же задача — эволюция облака — достаточно разработана.
Теоретические расчеты привели к выводу, что вращающееся около Солнца протопланетное- облако состояло из твердых й холодных пылинок, а также из более крупных тел и газа. Носителями эволюции являлись твердые частицы. Они сталкивались между собой, при этом значительная часть кинетической энергии превращалась в тепловую и излучалась в пространство. Вследствие постепенной потери кинетической энергии рой пылинок уплотнился, а при достижении некоторой критической плотности началось интенсивное образование сгущений, которые в процессе столкновений, дроблений и нового объединения в конце концов сливались в планеты. При сливании частиц облака происходило осреднение их первоначальных движений, чем объясняется почти круговой характер орбит. Солнце в это время излучало в несколько сот раз больше тепла, чем теперь. При таком количестве тепла во внутренней части облака (до Меркурия) температура была настолько высокой, что даже твердые тела испарялись, поэтому планеты здесь не образовывались.
На орбите Меркурия значительная часть массы превратилась в газ и рассеялась, меньшая сконцентрировалась в небольшую планету. Поэтому на Меркурии наблюдается недостаток легких летучих веществ, чем.и объясняется значительная его плотность. Такая потеря вещества от испарения привела к уменьшению момента движения и значительному замедлению вращения планеты вокруг оси.
В области Венеры пылевое облако прогревалось несколько меньше (до 1700°С), но и здесь легкие вещества испарились, в связи с чем на этой планете наблюдается недостаток кислорода, а водяной пар заменен двуокисью углерода.
Зоны Земли и Марса находились в более благоприятных условиях, так как сгущение протопланетного облака здесь не подвергалось такому сильному прогреванию. В связи с этим большая часть летучих элементов испарилась, поэтому и сформировались планеты большой плотности. Незначительная потеря массы Землей и Марсом обусловила сохранение момента движения-. Этим объясняется быстрое суточное движение их вокруг своей оси. В данной зоне сгущение было неполным. Поэтому на орбите Земли образовались две планеты — Земля и Луна. Так же возникли спутники Марса.
В удаленных частях протопланетного роя, где образовались планеты-гиганты, прогревание было слабым, поэтому легкие вещества не испарялись, а, наоборот, конденсировались на пылинках. В результа те в состав больших планет вошли легкие газы, особенно водород. Этим и объясняется малая плотность этих планет.
В области Юпитера была сосредоточена максимальная доля массы протопланетного облака, поэтому гравитационная конденсация и сгущение облака начались здесь раньше, чем на орбитах других планет, в связи с чем и величина Юпитера наибольшая.
Другая часть проблем возникновения Солнечной системы — образование протопланетного облака-—в настоящее время менее ясна. Советский астрофизик В. А. Амбарцумян показал, что звезды образуются не изолированно,, а целыми группами. Между ними находится масса диффузной материи, которая присоединяется к той или иной звезде в виде придатков, из которых, возможно, возникают планеты. Таким образом, наша планетная система не единственна во Вселенной.
Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 27 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |