Солнечная система

Солнечная система — это Солнце и совокупность небесных тел: 9 планет и их спутники (на 2002 г. их число составило 100), множество астероидов, комет и метеоров, которые вращаются вокруг Солнца или заходят (как кометы) в Солнечную систему. Основные сведения об объектах Солнечной системы содержат рис. 3.1 и табл. 3.1.

Рис. 3.1. Направление и наклон осей вращения планет Солнечной системы

Таблица 3.1. Некоторые физические параметры планет Солнечной системы

Солнце представляет собой раскаленный газовый шар, в составе которого обнаружено около 60 химических элементов (табл. 3.2). Солнце вращается вокруг своей оси в плоскости, наклоненной под углом 7°15' к плоскости земной орбиты. Скорость вращения поверхностных слоев Солнца различна: на экваторе период обращения равен 25,05 суток, на широте 30° — 26,41 суток, в полярных областях — 36 суток. Источником энергии Солнца являются ядерные реакции, преобразующие водород в гелий. Количество водорода обеспечит сохранение его светимости на десятки миллиардов лет. На Землю поступает всего одна двухмиллиардная часть солнечной энергии.

Солнце имеет оболочечное строение (рис. 3.2). В центре выделяют ядро с радиусом примерно 1/3 солнечного, давлением 250 млрд атм, температурой более 15 млн К и плотностью 1,5×10⁵ кг/м³ (в 150 раз больше плотности воды). В ядре генерируется почти вся энергия Солнца, которая передается через зону излучения, где свет многократно поглощается веществом и излучается вновь. Выше располагается зона конвекции (перемешивания), в которой вещество приходит в движение вследствие неравномерности переноса тепла (процесс, аналогичный переносу энергии в кипящем чайнике). Видимая поверхность Солнца образована его атмосферой. Ее нижняя часть мощностью около 300 км, излучающая основную часть радиации, называется фотосферой. Это самое «холодное» место на Солнце с температурой, уменьшающейся от 6000 до 4500 К в верхних слоях. Фотосфера образована гранулами диаметром 1000— 2000км, расстояние между которыми от 300 до 600 км. Гранулы создают общий фон для различных солнечных образований — протуберанцев, факелов, пятен. Над фотосферой до высоты 14 тыс. км располагается хромосфера. Во время полных лунных затмений она видна как розовый нимб, окружающий темный диск. Температура в хромосфере увеличивается и в верхних слоях достигает нескольких десятков тысяч градусов. Самая внешняя и самая разреженная часть солнечной атмосферы — солнечная корона — простирается на расстояния в несколько десятков солнечных радиусов. Температура здесь превышает 1 млн град.

Таблица 3.2. Химический состав Солнца и планет земной группы, % (по А. А. Маракушеву, 1999)

Рис. 3.2. Строение Солнца

Планеты Солнечной системы подразделяют на две группы: внутренние, или планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля, Марс, и внешние, или планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Предполагаемый вещественный состав планет показан на рис. 3.3.

Планеты земной группы. Внутренние планеты имеют относительно небольшие размеры, высокую плотность и внутреннюю дифференциацию вещества. Их отличает повышенная концентрация углерода, азота и кислорода, недостаток водорода и гелия. Для планет земной группы характерна тектоническая асимметрия: структура коры северных полушарий планет отличается от южных.

Меркурий — самая близкая к Солнцу планета. Среди планет Солнечной системы ее отличает самая вытянутая эллиптическая орбита. Температура на освещенной стороне составляет 325—437°С, на ночной — от -123 до -185°С. Американский космический корабль «Маринер-10» в 1974 г. обнаружил на Меркурии разреженную атмосферу (давление 10^-11 атм), состоящую из гелия и водорода в соотношении 50:1. Магнитное поле Меркурия в 100 раз слабее земного, что в значительной степени связано с медленным вращением планеты вокруг своей оси. Поверхность Меркурия имеет много общего с поверхностью Луны, но преобладает материковый рельеф. Наряду с похожими на лунные кратерами разных размеров отмечены отсутствующие на Луне эскарпы — обрывы, высотой 2—3 км и протяженностью в сотни и тысячи километров.

Рис. 3.3. Строение и предполагаемый вещественный состав планет (по Г. В.Войткевичу): а — земной группы: 1, 2, 3 — силикатное, металлическое, сульфидметаллическое вещества соответственно; б — гигантов: 1 — молекулярный водород; 2 — металлический водород; 3 — водяной лед; 4 — ядро, сложенное каменным или железокаменным материалом

Масса Меркурия составляет 1/18 массы Земли. Несмотря на небольшие размеры, Меркурий имеет необычайно высокую плотность (5,42 г/см³), близкую к плотности Земли. Высокая плотность указывает на наличие горячего, и вероятно, расплавленного, металлического ядра, на которое приходится около 62% массы планеты. Ядро окружено силикатной оболочкой мощностью около 600 км. О химическом составе поверхностных пород и недр Меркурия можно судить лишь по косвенным данным. Отражательная способность меркурианского реголита свидетельствует о том, что он состоит из тех же пород, которые слагают лунный грунт.

Венера оборачивается вокруг своей оси еще медленнее (за 244 земных дня), чем Меркурий, причем в обратном направлении, поэтому Солнце на Венере восходит на западе и заходит на востоке. Масса Венеры составляет 81% земной массы. Вес предметов на Венере только на 10% меньше их веса на Земле. Полагают, что кора планеты маломощная (15-20 км) и ее основная часть представлена силикатами, сменяющимися на глубине 3224 км железным ядром. Рельеф планеты расчлененный — горные цепи высотой до 8 км чередуются с кратерами диаметром в десятки километров (максимально до 160 км) и глубиной до 0,5 км. Обширные выровненные пространства покрыты каменистыми россыпями остроугольных обломков. Вблизи экватора обнаружена гигантская линейная впадина длиной до 1500 км и шириной 150 км при глубине до 2 км. Венера не имеет дипольного магнитного поля, что объясняют ее высокой температурой. На поверхности планеты температура равна (468+7)°С, а на глубине, очевидно, — 700-800°С.

Для Венеры характерна очень плотная атмосфера. На поверхности атмосферное давление составляет не менее 90—100 атм, что соответствует давлению земных морей на глубине 1000 м. По химическому составу атмосфера состоит в основном из диоксида углерода с примесью азота, водяных паров, кислорода, серной кислоты, хлористого и фтористого водорода. Считают, что атмосфера Венеры примерно соответствует земной на ранних этапах ее становления (3,8—3,3 млрд лет назад). Облачный слой атмосферы простирается с высоты 35 км до 70 км. Нижний ярус облаков на 75—80% состоит из серной кислоты, кроме того, присутствуют плавиковая и соляная кислоты. Находясь на 50 млн км ближе Земли к Солнцу, Венера получает в два раза больше тепла, чем наша планета — 3,6 кал/(см²×мин). Эту энергию аккумулирует углекислая атмосфера, обусловливающая огромный парниковый эффект и высокие температуры венерианской поверхности — горячей и, по-видимому, сухой. Космическая информация свидетельствует о своеобразном свечении Венеры, что, вероятно, объясняется высокими температурами поверхностных пород.

Для Венеры характерна сложная динамика облаков. Вероятно, на высоте около 40 км существуют мощные полярные вихри и сильные ветры. У поверхности планеты ветры слабее — около 3 м/с (очевидно, из-за отсутствия значительных перепадов приповерхностной температуры), что подтверждается отсутствием пыли в местах посадок спускаемых аппаратов станций «Венера». Плотная атмосфера долгое время не позволяла судить о породах венерианской поверхности. Анализ естественной радиоактивности изотопов урана, тория и калия в грунтах показал результаты, близкие к земным базальтам и частично гранитам. Поверхностные породы обладают намагниченностью.

Марс расположен на 75 млн км дальше от Солнца, чем Земля, поэтому марсианские сутки длиннее земных, а солнечной энергии к нему поступает в 2,3 раза меньше по сравнению с Землей. Период обращения вокруг оси почти как у Земли. Наклон оси к плоскости орбиты обеспечивает смену сезонов года и наличие «климатических» поясов — жаркого экваториального, двух умеренных и двух полярных. В связи с малым количеством поступающей солнечной энергии контрасты тепловых поясов и сезонов года выражены слабее земных.

Плотность атмосферы Марса в 130 раз меньше, чем Земли и равна всего 0,01 атм. В состав атмосферы входят диоксид углерода, азот, аргон, кислород, пары воды. Суточные колебания температуры превышают 100°С: на экваторе днем — около 10—20°, а на полюсах — ниже -100°С. Большие различия температуры наблюдаются между дневной и ночной сторонами планеты: от 10—30 до -120°С. На высоте около 40 км Марс окружен озоновым слоем. Для Марса отмечено слабое дипольное магнитное поле (на экваторе оно в 500 раз слабее земного).

Поверхность планеты изрыта многочисленными кратерами вулканического и метеоритного происхождения. Перепады высот в среднем составляют 12—14 км, но огромная кальдера вулкана «Никс Олимпикс» (Снега Олимпа) поднимается на 24 км. Диаметр ее основания равен 500 км, а кратера — 65 км. Некоторые вулканы являются действующими. Особенность планеты — наличие огромных тектонических трещин (например, каньон Маринер длиной 4000 км и шириной 2000 км при глубине до 6 км), напоминающих земные грабены и морфоскульптуры, соответствующие речным долинам.

На снимках Марса видны участки, имеющие светлую окраску («материковые» районы, сложенные, очевидно, гранитами), желтый цвет («морские» районы, сложенные, очевидно, базальтами) и белоснежный облик (ледниковые полярные шапки). Наблюдения за полярными районами планеты установили изменчивость очертаний ледяных массивов. По предположениям ученых, ледниковые полярные шапки сложены замерзшим диоксидом углерода и, возможно, водяным льдом. Красноватый цвет поверхности Марса обусловлен, вероятно, гематитизацией и лимонитизацией (окислением железа) горных пород, которые возможны при наличии воды и кислорода. Очевидно, они поступают изнутри при прогревании поверхности в дневное время или с газовыми эксгаляциями, которые растапливают мерзлоту.

Исследование горных пород показало следующее соотношение химических элементов (%): кремнезем — 13—15, оксиды железа — 12—16, кальций — 3—8, алюминий — 2—7, магний — 5, сера — 3, а также калий, титан, фосфор, хром, никель, ванадий. Грунт Марса по составу сходен с некоторыми земными вулканическими породами, но обогащен соединениями железа и обеднен кремнеземом. Органических образований на поверхности не обнаружено. В приповерхностных слоях планеты (с глубины 50 см) грунты скованы вечной мерзлотой, простирающейся вглубь до 1 км. В недрах планеты температура достигает 800—1500°С. Предполагают, что на небольшой глубине температура должна составлять 15—25°С, а вода может находиться в жидком состоянии. В этих условиях могут существовать простейшие живые организмы, следы жизнедеятельности которых пока не найдены.

Марс обладает двумя спутниками — Фобосом (27х21х19 км) и Деймосом (15x12x11 км), которые, очевидно, являются осколками астероидов. Орбита первого проходит в 5000 км от планеты, второго — в 20 000 км.

В табл. 3.2 показан химический состав планет земной группы. Из таблицы видно, что для Меркурия характерны самые высокие концентрации железа и никеля и самые низкие кремния и магния.

Планеты-гиганты. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун заметно отличаются от планет земной группы. В планетах-гигантах, особенно в ближайших к Солнцу, сосредоточен полный момент количества движения Солнечной системы (в единицах Земли): Нептун — 95, Уран — 64, Сатурн — 294, Юпитер — 725. Удаленность этих планет от Солнца позволила им сохранить значительное количество первичного водорода и гелия, потерянных планетами земной группы под воздействием «солнечного ветра» и из-за недостаточности собственных гравитационных сил. Хотя плотность вещества внешних планет невелика (0,7—1,8 г/см³), объемы и массы их огромны.

Самой крупной планетой является Юпитер, по объему в 1300 раз, а по массе более чем в 318 раз превосходящий Землю. За ним следует Сатурн, масса которого в 95 раз превышает массу Земли. В этих планетах сосредоточено 92,5% массы всех планет Солнечной системы (71,2% у Юпитера и 21,3% у Сатурна). Замыкают группу внешних планет два близнеца-гиганта — Уран и Нептун. Важной особенностью является наличие у этих планет каменных спутников, что, вероятно, свидетельствует об их внешнем космическом происхождении и не связано с дифференциацией вещества самих планет, сформированных сгущениями преимущественно в газообразном состоянии. Многие исследователи считают, что центральные части этих планет твердые.

Юпитер с характерными пятнами и полосами на поверхности, которые параллельны экватору и имеют изменчивые очертания, является самой доступной для исследования планетой. Масса Юпитера лишь на два порядка меньше солнечной. Ось почти перпендикулярна к плоскости орбиты.

Юпитер обладает мощной атмосферой и сильным магнитным полем (в 10 раз сильнее земного), что определяет наличие вокруг планеты мощных радиационных поясов из протонов и электронов, захваченных магнитным полем Юпитера из «солнечного ветра». Атмосфера Юпитера, кроме молекулярного водорода и гелия, содержит разнообразные примеси (метан, аммиак, окиси углерода, пары воды, молекулы фосфина, цианистого водорода и др.). Присутствие этих веществ, возможно, является следствием ассимиляции разнородного материала из Космоса. Расслоенная водородно-гелиевая масса достигает мощности 4000 км и, вследствие неравномерного распределения примесей, образует полосы и пятна.

Огромная масса Юпитера предполагает наличие мощного жидкого или полужидкого ядра астеносферного типа, которое может быть источником вулканизма. Последнее, по всей вероятности, объясняет существование Большого Красного Пятна, наблюдения за которым ведутся с XVII в. При наличии полужидкого или твердого тела-ядра на планете должен быть сильный парниковый эффект.

По мнению некоторых ученых, Юпитер выполняет в Солнечной системе роль своеобразного «пылесоса» — его мощное магнитно-гравитационное поле перехватывает блуждающие во Вселенной кометы, астероиды и другие тела. Наглядным примером явился захват и падение на Юпитер кометы «Шумейкер—Леви-9» в 1994 г. Сила притяжения оказалась настолько большой, что комета раскололась на отдельные обломки, которые со скоростью свыше 200 тыс. км/ч врезались в атмосферу Юпитера. Каждый взрыв достигал мощности в миллионы мегатонн, а наблюдатели с Земли видели пятна взрывов и расходящиеся волны возбужденной атмосферы.

На начало 2003 г. число спутников Юпитера достигло 48, треть из которых имеет собственные имена. Для многих из них характерно обратное вращение и малые размеры — от 2 до 4 км. Четыре самых крупных спутника — Ганимед, Каллисто, Ио, Европа — носят название Галилеевых. Спутники сложены твердым каменным материалом, видимо, силикатного состава. На них обнаружены действующие вулканы, следы льда и, возможно, жидкостей, в том числе воды.

Сатурн, «окольцованная» планета, представляет не меньший интерес. Его средняя плотность, рассчитанная по видимому радиусу, очень низкая — 0,69 г/см³ (без атмосферы — около 5,85 г/см³). Мощность атмосферного слоя оценивается в 37—40 тыс. км. Отличительной особенностью Сатурна является кольцо, расположенное выше облачного слоя атмосферы. Его диаметр составляет 274 тыс. км, что почти вдвое больше диаметра планеты, мощность — около 2 км. По наблюдениям с космических станций установлено, что кольцо состоит из ряда мелких колец, находящихся на разном расстоянии друг от друга. Вещество колец представлено твердыми обломками, очевидно, силикатных пород и ледяных глыб размером от пылинки до нескольких метров. Атмосферное давление на Сатурне в 1,5 раза больше земного, а средняя температура поверхности около -180°С. Магнитное поле планеты по напряженности почти вдвое меньше земного, а его полярность противоположна полярности земного поля.

Вблизи Сатурна обнаружено 30 спутников (по состоянию на 2002 г.). Самый далекий из них — Феба (диаметр ПО км) находится в 13 млн км от планеты и оборачивается вокруг нее за 550 дней. Самый близкий — Мимас (диаметр 195 км) располагается в 185,4 тыс. км и совершает полный оборот за 2266 час. Загадкой является присутствие углеводородов на спутниках Сатурна, а возможно, и на самой планете.

Уран. Ось вращения Урана расположена почти в плоскости орбиты. Планета обладает магнитным полем, полярность которого противоположна земной, а напряженность меньше земной.

В плотной атмосфере Урана, мощность которой 8500 км, обнаружены кольцевые образования, пятна, вихри, струйные течения, что свидетельствует о неспокойной циркуляции воздушных масс. Направления ветров в основном совпадают с вращением планеты, но в высоких широтах их скорость увеличивается. Зеленовато-голубой цвет холодной атмосферы Урана может быть обусловлен наличием радикалов [ОН^-]. Содержание гелия в атмосфере достигает 15%, в нижних слоях обнаружены метановые облака.

Вокруг планеты обнаружены 10 колец шириной от нескольких сотен метров до нескольких километров, состоящих из частиц около 1 м в диаметре. Внутри колец движутся каменные глыбы неправильной формы и диаметром 16—24 км, названные спутниками-«пастухами» (вероятно, это астероиды).

Среди 20 спутников Урана пять выделяются значительными размерами (от 1580 до 470 км в диаметре), остальные — менее 100 км. Все они похожи на астероиды, захваченные гравитационным полем Урана. На шаровидной поверхности некоторых из них замечены гигантские линейные полосы — трещины, возможно, следы скользящих ударов метеоритов.

Нептун — самая удаленная от Солнца планета. Облака атмосферы образованы в основном метаном. В верхних слоях атмосферы наблюдаются потоки ветра, несущегося со сверхзвуковой скоростью. Это означает существование в атмосфере градиентов температуры и давления, вызванных, видимо, внутренним разогревом планеты.

Нептун имеет 8 каменных спутников, три из которых значительных размеров: Тритон (диаметр 2700 км), Нерида (340 км) и Протей (400 км), остальные меньше — от 50 до 190 км.

Плутон — самая дальняя из планет, открыта в 1930 г., не принадлежит к планетам-гигантам. Его масса в 10 раз меньше земной.

Быстро вращаясь вокруг оси, Плутон имеет сильно вытянутую эллиптическую орбиту, и потому с 1969 по 2009 г. он будет находиться ближе к Солнцу, чем Нептун. Этот факт может быть дополнительным доказательством его «непланетной» природы. Вполне вероятно, что Плутон принадлежит к телам из пояса Койпера, открытого в 90-х годах XX в., который является аналогом пояса астероидов, но за орбитой Нептуна. В настоящее время обнаружено около 40 таких тел диаметром от 100 до 500 км, очень тусклых и почти черных, с альбедо 0,01 — 0,02 (у Луны альбедо — 0,05). Плутон, возможно, одно из них. Поверхность планеты, очевидно, ледяная. У Плутона есть единственный спутник Харон диаметром 1190 км, с орбитой, проходящей в 19 тыс. км от него и периодом обращения 6,4 земных суток.

По характеру движения планеты Плутон исследователи предполагают наличие еще одной крайне удаленной и малой (десятой) планеты. В конце 1996 г. появилось сообщение о том, что астрономы из Гавайской обсерватории открыли состоящее из ледяных глыб небесное тело, которое вращается на околосолнечной орбите за пределами Плутона. Эта малая планета пока не имеет названия и зарегистрирована под номером 1996TL66.

Луна — спутник Земли, вращающийся от нее на расстоянии 384 тыс. км, чьи размеры и строение приближают его к планетам. Периоды осевого и сидерического вращения вокруг Земли почти равны (см. табл. 3.1), из-за чего Луна обращена к нам всегда одной стороной. Вид Луны для земного наблюдателя постоянно меняется в соответствии с ее фазами — новолуние, первая четверть, полнолуние, последняя четверть. Период полной смены лунных фаз называется синодическим месяцем, который в среднем равен 29,53 земных суток. Он не совпадает с сидерическим (звездным) месяцем, составляющим 27,32 суток, за который Луна делает полный оборот вокруг Земли и одновременно — оборот вокруг своей оси по отношению к Солнцу. В новолуние Луна находится между Землей и Солнцем и не видна с Земли. В полнолуние Земля находится между Луной и Солнцем и Луна видна как полный диск. С позициями Солнца, Земли и Луны связаны солнечные и лунные затмения — положения светил, при которых тень, отбрасываемая Луной, падает на поверхность Земли (солнечное затмение), или тень, отбрасываемая Землей, падает на поверхность Луны (лунное затмение).

Лунная поверхность представляет собой чередование темных участков — «морей», соответствующих плоским равнинам, и светлых участков — «материков», образованных возвышенностями. Перепады высот достигают 12—13 км, самые высокие вершины (до 8 км) расположены у Южного полюса. Многочисленные кратеры размером от нескольких метров до сотен километров имеют метеоритное или вулканическое происхождение (в кратере Альфонс в 1958 г. было обнаружено свечение центральной горки и выделение углерода). Интенсивные вулканические процессы, свойственные Луне на ранних этапах развития, сейчас ослаблены.

Образцы верхнего слоя лунного грунта — реголита, взятые советскими космическими аппаратами и американскими астронавтами, показали, что на поверхность Луны выходят магматические породы основного состава — базальты и анортозиты. Первые характерны для «морей», вторые — для «материков». Низкая плотность реголита (0,8—1,5 г/см³) объясняется его большой пористостью (до 50%). Средняя плотность более темных «морских» базальтов составляет 3,9 г/см³, а более светлых «континентальных» анортозитов — 2,9 г/см³, что выше средней плотности горных пород земной коры (2,67 г/см³). Средняя плотность пород Луны (3,34 г/см³) ниже средней плотности пород Земли (5,52 г/см³). Предполагают однородное строение ее недр и, по-видимому, отсутствие значительного металлического ядра. До глубины 60 км лунная кора сложена теми же породами, что и поверхность. У Луны не обнаружено собственного дипольного магнитного поля.

По химическому составу лунные породы близки к земным и характеризуются следующими показателями (%): SiO₂ — 49,1 — 46,1; MgO - 6,6-7,0; FeO - 12,1-2,5; А1₂О₃ - 14,7-22,3; CaO -12,9- 18,3; Na₂O - 0,6-0,7; ТiO₂ - 3,5-0,1 (первые цифры для грунта лунных «морей», вторые — для материкового грунта). Близкое сходство пород Земли и Луны может указывать на то, что оба небесных тела образовались на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга. Луна формировалась в околоземном «спутниковом рое» примерно 4,66 млрд лет назад. Основная масса железа и легкоплавких элементов в это время уже была захвачена Землей, что, вероятно, и определило отсутствие у Луны железного ядра.

Небольшая масса позволяет Луне удерживать лишь очень разреженную атмосферу, состоящую из гелия и аргона. Атмосферное давление на Луне равно 10^-7 атм в дневное и ~10^-9 атм в ночное время. Отсутствие атмосферы определяет большие суточные колебания температуры поверхности — от -130 до 180С.

Исследование Луны началось 2 января 1959 г., когда в сторону Луны стартовала первая советская автоматическая станция «Луна-1». Первыми людьми были американские астронавты Нейл Армстронг и Эдвин Олдрин, прилунившиеся 21 июля 1969 г. на космическом корабле «Аполлон-11».

Астероиды. Своеобразной границей между планетами является пояс астероидов (малых планет) — скопление твердых космических тел разного размера, свидетельствующих либо о разрушении былой планеты Фаэтон, либо о нереализованных возможностях образования еще одной планеты. В настоящее время в каталогах зарегистрировано свыше 2000 относительно крупных астероидов, диаметром 450— 1050 км и даже имеющих собственные имена (Церера, Паллада, Веста и др.). Большинство астероидов располагается в главном поясе между орбитами Марса и Юпитера и движется по орбитам в прямом направлении со скоростью около 20 км/с с периодами обращения вокруг Солнца от 3 до 9 лет. Этот пояс достаточно четко разделяет планеты на существенно каменные, со следами метеоритных обработок, и на планеты преимущественно газожидкостного состава, имеющие значительные размеры, а подчас и специфические кольцевые образования. Астероиды иногда объединяются в семейства (Аполлона, Амура и др.). Наряду с этим в качестве астероидов рассматриваются и потерянные планетами спутники или их обломки, которые в той или иной мере наследовали орбиты планет и приобрели свойственное астероидам обращение вокруг Солнца. На космических снимках астероиды представлены неправильными каменными телами со сглаженными углами (Гаспра, Ида, Дактиль и др.).

Звездные аналоги Солнечной системы. Крупнейшим достижением ученых в XX в. является открытие в космическом пространстве аналогов Солнечной системы — долгоживущих, подобных Солнцу, небольших звезд, которые окружены массивными флюидными планетами, соизмеримыми по размеру с Юпитером. Получены доказательства наличия планет-гигантов, обращающихся по круговым орбитам вокруг звезд и создающих их периодические смещения, фиксируемые доплеровским эффектом.

К таким звездно-планетным системам в настоящее время причисляют: 55 Canceri, HD 114762, 70 Virginis, 47 Ursae Majoris, τ Bootis, ρ Coronae Borealis, ν Andromedae, 16 Cygni B, 51 Pegasi. К середине 2002 г. было известно о более чем 30 планетных системах на расстоянии от 65 до 192 световых лет от Земли. Минимум пять из них имеют окружающую обстановку, близкую к земным условиям, что позволяет предполагать возможность существования жизни.

Происхождение Солнечной системы. В вопросе о происхождении Солнечной системы мнения ученых сходятся в том, что исходным веществом для ее формирования послужили межзвездные пыль и газы, широко распространенные во Вселенной. Образование про-тосолнечной туманности происходило под действием гравитационного сжатия сгустков первичной материи и их уплотнения вплоть до образования отдельных небесных тел. Это подтверждается результатами наблюдений над другими небесными телами, находящимися за пределами Солнечной системы. Но каким образом в составе планет оказался полный набор химических элементов таблицы Д. И. Менделеева и что послужило толчком для начала конденсации газа и пыли протосолнечной туманности, остается не вполне доказанным. В качестве одной из возможных причин рассматривается идея о взрыве Сверхновой звезды, в недрах и газовой оболочке которой за счет ядерных реакций происходил нуклеосинтез, что и обусловило разнообразие химических элементов, в том числе радиоактивных (последние на Земле и в Солнечной системе не образуются). Ударная волна, возникшая при взрыве, могла инициировать процесс конденсации межзвездной материи, приведшей к образованию Солнца и протопланетного диска, развитие которого далее происходило по собственным законам.

Следующая стадия эволюции Солнечной системы предусматривает распад протопланетного диска на отдельные планеты. Существует несколько космогонических гипотез, объясняющих этот процесс.

1. Солнце сформировалось раньше планет, а вещество последних возникло из вещества Солнца или другой звезды (например, при столкновении). Одной из наиболее популярных долгое время была гипотеза приливной эволюции Солнца, высказанная в конце XVIII в. Ж. Бюффоном. Согласно этой теории, с Солнцем столкнулась комета и выбила из него материал, давший начало объектам Солнечной системы (сейчас это предположение считается маловероятным). В начале XX в. Д.Джинc путем расчетов показал, что достаточно появления в поле тяготения Солнца другой звезды. Тогда в результате возникновения приливной силы солнечное вещество будет «разорвано», часть его извергнется наружу и в процессе последующей эволюции образует планеты. Эта теория не объясняет, почему при чрезвычайно высокой температуре в миллионы градусов, характерной для внутренних частей Солнца, извергнутое наружу вещество сразу не испарилось и не рассеялось в пространстве.

Одним из вариантов названной гипотезы является представление А. Вульфсона о том, что вещество изверглось не из раскаленного Солнца, а из холодной (когда вещество находится в нерасплавленном состоянии, при температуре менее 900—1100 °С) звезды. Эта теория объясняет, почему вещественный состав планет так отличается от солнечного, и не противоречит с тем, что момент движения Солнца ничтожно мал по сравнению с моментом движения планет.

2. Солнце и планеты образовались одновременно из одной вращающейся туманности — облака, или небулы. Первая небулярная теория была предложена И. Кантом, который объяснил возникновение и саморазвитие неоднородностей в распределении вещества и образование зародышей планет — планетезималей, а также указал причину, по которой будущие планеты по мере увеличения массы «раскручиваются». Однако теория Канта не была принята, пока П.Лаплас не объяснил, что планеты образуются из колец (наподобие колец Сатурна), возникающих в процессе вращения туманности вокруг массивного центрального тела. Теория Канта—Лапласа просуществовала до начала XX в., когда Г. Джеффрис показал, что несоответствие масс (98% принадлежит Солнцу) и моментов количества движений (примерно столько же принадлежит планетам) необъяснимо с позиций этой теории. Возникла необходимость объяснить данный парадокс и предложить механизм, посредством которого разрозненное вещество собиралось бы в планеты.

3. Солнце образовалось отдельно, а планетное вещество было захвачено им из межзвездных облаков или другого источника. В середине 40-х годов XX в. К. Вейцзекер объяснил момент передачи движения в туманности, находящейся вблизи Солнца, трением. По закону И. Кеплера, чем больше радиус орбиты тела, вращающегося вокруг центра массы, тем меньше угловая скорость. В то же время туманность по К. Вейцзекеру стремится вращаться как тело (диск), т. е. с одинаковой угловой скоростью в каждой точке независимо от радиуса орбиты, которую она описывает вокруг Солнца. Это стремление реализуется в том, что момент движения центрального тела и ближайших к нему частей диска оказывается избыточным и передается на периферию диска, где момент количества движения изначально был недостаточным. Посредством таких рассуждений К. Вейцзекер объяснил, почему массивное Солнце характеризуется ничтожным (для своей массы) моментом движения.

Наиболее популярной в нашей стране была гипотеза О. Ю. Шмидта, предложенная в 40-х годах XX в. В соответствии с этой гипотезой Солнце захватило газообразный, ледяной и каменный рой тел, находившихся в космическом пространстве, из которого и образовались планеты. Шмидту удалось объяснить причины прямого осевого вращения планет и закономерности удаления планет от Солнца. Современные представления о «холодном» образовании планет восходят к представлениям О. Ю. Шмидта.

Общими недостатками всех гипотез являются недоучет различий вещественного состава космических объектов (например, Земли и Луны) и отсутствие объяснения механизма формирования качественно различных оболочек.

Одной из теорий, где эти недостатки учтены, является геохимическая теория Г.В. Войткевича, основанная на гравитационной дифференциации вещества. Согласно этой теории, первичное Солнце образовалось из холодной рассеянной материи и обладало небольшим моментом вращения. Вследствие гравитационного сжатия и уплотнения вещества произошло увеличение скорости вращения. Центробежная сила уменьшила гравитационное давление вещества на нижележащие сферы Солнца, причем наибольшим это уменьшение было в экваториальной части, где центробежная сила наибольшая. В связи с последним событием в экваториальной части Солнца произошло истечение материи, из которой образовался газовый диск. Одна часть материи, вероятно, рассеялась, другая пошла на постройку планет. Первоначально протопланетный материал был представлен плазмой (сильно ионизированным разреженным газом). По мере остывания плазмы ядра атомов приобрели электронные оболочки, т.е. появились химические элементы, стали возможны химические реакции и возникли химические соединения. Разделение планет Солнечной системы на две группы (внутренние и внешние) объясняется дифференциацией вещества газового диска под действием двух сил: тяготения и магнитного поля. Первая влекла частицы к центру системы пропорционально плотности вещества, вторая удерживала их в зависимости от заряда. Под воздействием обеих сил исходное вещество перераспределялось. Ядра и оболочки планет образовались в различное время: ядра возникли в результате слипания металлических частиц, преимущественно железа, на ранних стадиях формирования Солнечной системы, оболочки силикатного состава сформировались позднее вокруг металлических ядер. В дальнейшем происходил разогрев вещества планет, в процессе которого начались гравитационная дифференциация вещества мантии и образование отдельных сфер (рис. 3.4).

Формирование железокаменных ядер планет, как считает А. А. Маракушев, осложнялось импульсным вращением их гигантских флюидных оболочек и отделением спутников под действием центробежных сил. В спутниках концентрировался относительно легкий и бедный железом каменный материал, а ядра обогащались железом. Состав планет земной группы формировался в результате сложного процесса дифференциации их материнских протопланет, в огромных гелий-водородных оболочках которых развивалась жидкостная несмесимость с обособлением в них железо-силикатных расплавов, которые были подвержены влиянию, с одной стороны, сил гравитации, увлекающих богатые железом расплавы в тяжелые ядра, с другой — центробежных сил, вовлекающих более легкие силикатные и флюидно-силикатные расплавы в зарождающиеся спутниковые системы.

Весьма любопытным представляется факт установления каменно-силикатного состава практически всех обнаруженных спутников, даже тех, которые принадлежат газово-жидкостным планетам-гигантам. Эти разноразмерные тела могут быть астероидами, захваченными силой гравитационных полей планет, и тогда они чужеродны своим «родителям», или одновременными образованиями и тогда они характеризуют особенности планетной системы в целом. Таковы основные, известные на начало XXI в., сведения о планетах Солнечной системы и их спутниках. Все имеющиеся данные о строении и функционировании космических тел нашей Вселенной важны для познания ее истории, расшифровки эволюции каждой планеты, а главное — для понимания возникновения, существования и развития географической оболочки Земли и возможных путей ее эволюции. Они играют также важную роль в установлении космологической истории мира: как и когда возникали планетные скопления в Космосе; как они развивались и функционировали; что нас ожидает в будущем; уникальна ли жизнь во Вселенной или она существует и в других мирах.

Рис. 3.4. Схема образования современной Земли в результате гетерогенной аккреции (по Г. В. Войткевичу): 1 — сульфид-металлическая фаза; 2 — металлическая фаза; 3 — силикатная фаза

Земля

Земля — третья от Солнца и самая крупная из планет земной группы. Вместе со своим спутником Луной она образует систему — двойную планету.

Фигура Земли. Земля имеет самую совершенную из математических форм — шарообразную, со средним радиусом 6371,032 км. Сжатие, обусловленное осевым вращением, составляет l/300, что определяет разность экваториальной и полярной полуосей эллипсоида вращения в 21,383 км (6378,160 и 6356,777 км соответственно). В зависимости от цели исследования используют различные модели, считая их последовательными приближениями к истинной форме Земли.

Первое приближение — сфера. Это наиболее общая модель планеты. Сплюснутость Земли с полюсов в отдельных случаях не играет существенной роли. Сфера не имеет выраженной единственной оси симметрии — все ее оси равноправны, их бесчисленное множество, так же как и экваторов. Несоответствие сферической модели Земли ее реальной форме заметно проявляется при изучении горизонтальной структуры географической оболочки, характеризующейся выраженной поясностью и известной симметрией относительно экватора.

Второе приближение — эллипсоид вращения. Тип симметрии эллипсоида отвечает указанным выше особенностям формы Земли (выраженная ось, экваториальная плоскость симметрии, меридиональные плоскости). Эта модель используется в высшей геодезии для расчета координат, построения картографических сеток и др.

Третье приближение — трехосный эллипсоид. Установлено, что экваториальное сечение Земли также представляет эллипс, разность полуосей которого составляет всего около 200 м, а эксцентриситет — 1/30 000. Однако полярные полуоси северного и южного полушарий не одинаковы (вторая на 100—200 м короче первой), поэтому полярное сжатие южного полушария больше, чем северного. Такая сердцевидная фигура с осевой впадиной на южном полюсе и выпуклостью на северном получила название кардио-идального эллипсоида. Экваториальное сжатие свидетельствует о сложном внутреннем строении планеты, проявляющемся в несимметричном распределении масс. В географических исследованиях эта модель почти не используется.

Четвертое приближение — геоид (буквально — землеподобный). Геоид — геометрически неправильное тело, ограниченное уровенной (или изопотенциальной) поверхностью, совпадающей со средним уровнем Мирового океана. Эта поверхность представляет собой геометрическое место точек пространства, имеющих одинаковый потенциал силы тяжести, и не является горизонтальной плоскостью. Уровенная поверхность в любой точке перпендикулярна отвесу, благодаря чему можно проследить положение объектов — их отклонение (высоту или глубину) от невозмущенного состояния с помощью измерительных средств (например, альтиметров). Внутри материков поверхность геоида поднимается над поверхностью эллипсоида, в океанах — опускается. Некоторые свойства последнего приближения показаны на рис. 3.5 — 3.6.

Форма Земли зависит от размеров планеты, распределения плотностей и скорости осевого вращения. Ни один из этих факторов нельзя назвать стабильным. Вследствие глубинного сжатия радиус планеты сокращается приблизительно на 5 см за столетие, а значит, уменьшается и объем Земли. Однако это уменьшение носит пульсирующий характер, потому что его сменяют периоды расширения, вызываемые огромным количеством тепла, освобождаемого сокращением радиуса.

Описанные выше процессы отражаются и на скорости вращения Земли: при уменьшении радиуса скорость возрастает, при увеличении — замедляется. Следовательно, при вековой тенденции к уменьшению объема планеты скорость вращения должна увеличиваться. Но так как имеет место еще один (весьма мощный) фактор — приливное торможение, скорость вращения Земли в итоге систематически уменьшается. Это означает ослабление полярного сжатия Земли (оно изменяется пропорционально квадрату угловой скорости вращения планеты) и стремление земного эллипсоида перейти к форме шара. Однако следует иметь в виду, что из-за значительной вязкости вещества планеты изменение ее фигуры будет несколько отставать от изменения скорости вращения. Современная форма Земли отвечает не теперешней скорости, а той, которая была около 10 млн лет назад.

Рис. 3.5. Отклонение (м) поверхности геоида от эллипсоида вращения (Мир географии, 1984)

Рис. 3.6. Соотношение положений поверхности литосферы (I), геоида (//) и эллипсоида вращения (///): 1 — литосфера; 2 — океан

Длительное уменьшение полярного сжатия должно привести к уменьшению экваториального вспучивания Земли и поднятию приполярных областей, увеличение сжатия — к восстановлению экваториальной «опухоли» и погружению приполярных районов. Первый случай создает благоприятные условия для возникновения океана в экваториальной области и материков в полярных и умеренных широтах, второй — для занятия экваториальных районов материками, а умеренных и полярных — океаном. Современное распределение суши и океана отражает ослабление полярного сжатия в Северном полушарии и его увеличение в Южном полушарии. По-видимому, в ходе векового уменьшения полярного сжатия Земли Северное полушарие опережает Южное.

Главное географическое значение формы Земли состоит в том, что она обусловливает зональное распределение тепла на земной поверхности (убывание от экватора к полюсам), и, следовательно, зональность всех явлений, зависящих от теплового режима.

Модели строения Земли. Первая модель, которая разработана В.М.Гольдшмидтом в первой четверти XX в., основана на аналогии процессов дифференциации элементов при доменной плавке и в расплавленной Земле. В соответствии с этой моделью металл погружается к центру Земли, образуя ядро плотностью около 7 г/см³, а на поверхность всплывает наиболее легкий «шлак» — силикатное вещество, образующее магматические породы земной коры (плотность ниже 3 г/см³). Между ними располагается исходное вещество — мантия. Основным фактором дифференциации Гольдшмидт считал атомные объемы элементов. Элементы с минимальными атомными объемами, соединяясь с железом (сидеро-фильные элементы), образовали ядро. Элементы с максимальными атомными объемами и некоторые другие, обладающие сходством с кислородом (литофильные элементы), составили земную кору и верхнюю мантию — литосферу. Элементы, способные соединяться с серой (халькофильные элементы), образовали сульфидно-оксидную оболочку нижней мантии.

Через 10 лет после гипотезы В.М.Гольдшмидта академик А. Е. Ферсман предложил свою модель внутреннего строения Земли. Он выделил следующие геосферы: гранитно-базальтовую кору (до 70 км от поверхности), перидотитовую (оливиновую) оболочку (до глубины 1200 км), рудную оболочку (до глубины 2450 км) и ядро, состоящее из никелистого железа.

В модели Гутенберга—Буллена использована индексация геосфер, популярная и в настоящее время. Авторы выделяют: земную кору (слой А) — гранит, метаморфические породы, габбро; верхнюю мантию (слой В); переходную зону (слой С); нижнюю мантию (слой D), состоящую из кислорода, кремнезема, магния и железа. На глубине 2900 км проводят границу между мантией и ядром. Ниже находится внешнее ядро (слой Е), а с глубины 5120 м — внутреннее ядро (слой G), сложенное железом.

Предположения о внутренней неоднородности («сферности») Земли основаны как на правилах дифференциации вещества, так и на имеющихся данных об изменении скоростей и направлений геофизических векторов (сейсмических, магнитных, электрических волн) при их распространении в глубь планеты. Именно последние послужили основой выделения внутренних сфер — земной коры, мантии, ядра. Однако известно, что такие изменения возникают не только при изменении состава вещества. Геофизически установленные границы, конечно, реальны, но их нельзя объяснить исключительно сменой элементного состава вещества. Непосредственные наблюдения на Кольской сверхглубокой скважине показали, что аналогичная граница проходит внутри одинаковых по составу горных пород, но находящихся в разном состоянии. Кроме того, большая часть гипотез исходит из признания того, что вещества, послужившие основой для образования земных оболочек, были близки к современным, а их химические реакции и процессы минералообразования сходны с наблюдаемыми ныне.

Новую гипотезу строения Земли предложил в середине 70-х годов XX в. В. Н.Ларин. Согласно его представлениям, при возникновении сфер первостепенное значение имела не гравитационная дифференциация, а магнитная сепарация вещества. Исходным материалом послужили не отдельные элементы, а их соединения в виде гидридов и карбидов металлов. Разложение гидридов, обладающих повышенной плотностью и выделяющих энергию при своем распаде, обусловило процессы окисления и образование силикатов протопланет. В этой модели дано объяснение источника внутренней энергии планет с выделением огромной энергии (тип водородных реакторов), обусловливающей процессы дегазации вещества, образование оксидов, зонные плавки и др. Кислородно-водородная (изначально гидридная) модель объясняет возникновение земных оболочек не столько дифференциацией вещества, сколько химическими реакциями, происходящими при возгонке водорода, когда меняются состав вещества и его свойства: от центра к периферии Земли идет многократное разуплотнение исходного материала и смена восстановительных условий окислительными.

Происхождение Земли. Вопрос о происхождении нашей планеты непосредственно связан с космогоническими гипотезами, объясняющими образование Солнечной системы в целом. Распад протопланетного диска на отдельные компоненты с образованием большого числа твердых и довольно крупных (до нескольких сотен километров в диаметре) тел — планетезималей, их последующее скопление и соударение способствовали аккреции Земли как небесного формирования. Продолжают дискутироваться следующие вопросы: какой, холодной или горячей, однородной (гомогенной) с последующим развитием слоев или неоднородной (гетерогенной) с одновременным расслоением вещества вышла Земля из стадии аккреции? Как формировались ее внутренние оболочки, прежде всего ядро и мантия? По мнению В. Е. Хаина (1994), вероятным сценарием начальной стадии развития Земли были: 1) быстрая аккреция с участием не только мелких, но и более крупных планетезималей, возможно, с тенденцией некоторого обогащения ранних порций аккретирующего вещества более тяжелыми, металлическими компонентами; 2) разогрев в процессе аккреции вплоть до частичного плавления, приведшего к началу дифференциации Земли на ядро и мантию. Возможный способ образования планеты подтверждается геохимическими закономерностями распределения элементов и реализуется в моделях строения Земли.

Гипотеза образования Земли и планет в быстро вращающейся протосолнечной небуле разработана японскими исследователями на основе представлений об аккумуляции твердых тел и частиц (силикатных и металлических). Согласно этой гипотезе, в течение всего периода формирования Земля оставалась окруженной протосолнечной небулой (туманностью). В результате гравитационного притяжения вокруг нее возникла флюидная оболочка (в 200 раз массивнее современной атмосферы), препятствующая потере аккреционного тепла. Температура достигла значений (более 4000 К), достаточных для расплавления, что определило расслоение Земли на оболочки. После этого флюидная оболочка Земли была удалена под воздействием солнечного ветра, ультрафиолетового и теплового излучения Солнца.

Date: 2015-04-23; view: 741; Нарушение авторских прав