Концепции современного естествознания

     Концепции современного естествознания

     Лекция 13. Мегамир, основные космологические  и космогонические  представления (I) 

     1. Основные представления о мегамире 

     2. Солнечная система

             Планеты-гиганты

             Малые планеты и  кометы

     3. Гипотезы о возникновении планетных систем

     Контрольные вопросы

     Литература  

     1. Основные представления  о мегамире 

     Между мегамиром и макромиром нет строгой  границы. Обычно полагают, что он начинается с расстояний около 10⁷ и масс 10²⁰ кг. Опорной точкой начала мегамира может служить планета Земля (диаметр 1,28×10⁷ м, масса 6×10²¹ кг). Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для их измерения вводят специальные единицы: астрономическая единица, световой год и парсек.

     Астрономическая единица (а.е.) – среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 1,5×10¹¹м.

     Световой  год – расстояние, которое проходит свет в течение одного года, а  именно 9,46×10¹⁵м.

     Парсек (параллакс-секунда) – расстояние, на котором годичный параллакс земной орбиты (т.е. угол, под которым видна  большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения) равен одной секунде. Это расстояние равно 206.265 астрономич. ед. = 3,08×10¹⁶ м = 3,26 св. г.

     Небесные  тела во Вселенной образуют системы  различной сложности. Так Солнце и движущиеся вокруг него 9 планет образуют Солнечную систему. Все планеты – остывшие тела, светящиеся отраженным от Солнца светом. В ясную ночь мы видим множество звезд, которые составляют лишь ничтожную часть звезд, входящих в нашу Галактику. Основная часть звезд нашей галактики сосредоточена в диске, видимом с Земли «сбоку» в виде туманной полосы, пересекающей небесную сферу – Млечного Пути. Часто говорят, что наша Галактика называется Млечный Путь (собственно, слово галактика происходит от греческого слова «галактос» – молочный, млечный).

     Все небесные тела имеют свою историю  развития. Возраст Вселенной равен 15 - 20 млрд. лет (иногда указывают среднее число – 18 млрд. лет). Возраст Солнечной системы оценивается в 5-7 млрд. лет, Земли – 4,5-6 млрд. лет. 

     2. Солнечная система 

     Девять  планет, вращающиеся вокруг Солнца принято делить на две группы: планеты Земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон). Считается, что диаметр Солнечной системы равен приблизительно 6×10¹⁶ м: на этом расстоянии планеты удерживаются силой тяготения Солнца.

     Планеты Земной группы сравнительно невелики, медленно вращаются вокруг своих  осей (сутки на Меркурии длятся около 60 земных суток, на Венере – 243 дня). Ось  вращения Венеры наклонена в другую сторону, и вращается Венера в направлении, обратном ее движению вокруг Солнца. У этих планет мало спутников (у Меркурия и Венеры нет, у Земли – один, у Марса – два совсем небольших). У Меркурия атмосферы практически нет, очень плотная атмосфера Венеры состоит, в основном, из СО₂, что приводит к сильному парниковому эффекту (температура на поверхности Венеры достигает 500^О). Земля имеет плотную азотно-кислородную атмосферу. Атмосфера Марса состоит в основном из CО₂, однако она сильно разрежена (давление в 150 раз меньше, чем давление на поверхности Земли).

     Поверхность планет Земной группы твердая, гористая, она хорошо изучена благодаря  автоматическим станциям, пролетавшим  вблизи планет или даже садившимся на поверхности Марса и Венеры. Стоиит отметить, что в Солнечной Системе лишь у планеты Земной группы поверхность твердая. Химический состав планет Земной группы приблизительно одинаков. Они, в основном, состоят из соединений кремния и железа. Другие элементы присутствуют в небольшом количестве.

     Строение планет земной группы более или менее одинаково. В центре планет железные ядра разной массы. У Меркурия, Земли, Марса часть ядра находится в жидком состоянии. Выше ядра находится слой, который называют мантией. Верхний слой мантии называется корой. У этих планет есть магнитные поля: почти незаметное у Венеры и ощутимое у Земли. Меркурий и Марс обладают магнитными полями средней напряженности.

     Земля движется по орбите со скоростью 30 км/ч. Ее орбита незначительно отличается от круговой. В течение 24 часов Земля  делает полный оборот вокруг своей оси, которая наклонена к плоскости орбиты под углом 66^О34’’. Земля сплюснута у полюсов, таким образом, ее форма близка к эллипсоиду вращения.

     Планеты Земной группы отделены от планет-гигантов поясом астероидов – малых планет. Самая крупная из них – Церера, была открыта первой, в начале 19 века. Сейчас зарегистрировано свыше 5500 малых планет. Все они движутся вокруг Солнца в том же направлении, что и большие планеты, однако их орбиты вытянуты значительно сильнее.

     Планеты-гиганты  располагаются за орбитой Марса. Это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самый легкий гигант – Уран – он всего лишь в 14,5 раза массивнее Земли. Особенность этих планет в том, что они имеют большие размеры и массы. Например, радиус Юпитера в 11 раз больше земного, а масса в 318 раз больше земной. Планеты-гиганты имеют малую плотность, самая низкая плотность у Сатурна: 0,7×10³ кг/м³ , тогда как у Земли – 5,5×10³ кг/м³. В среднем плотность планет гигантов 3-7 раз уступает плотности планет земной группы.

     У планет-гигантов нет твердой поверхности. Газы их обширных атмосфер, уплотняясь с приближением к центру, постепенно переходят в жидкое состояние.

     Эти планеты быстро совершают один оборот вокруг своей оси всего 10-18 часов. Причем, они вращаются как бы слоями: слой планеты, расположенный вблизи экватора, вращается быстрее всего, а самое медленное вращение присуще околополярным областям. Такое необычное вращение обусловлено тем, что планеты-гиганты – это жидкие планеты. По той же причине гиганты сжаты у полюсов, что наблюдается даже в простой телескоп. Солнце, являясь газовым шаром, тоже вращается слоями с периодом 25-35 земных суток.

     Сами  гиганты и их атмосферы состоят  из легких элементов: водорода и гелия. Уран и Нептун в значительной степени  содержат в себе метан, аммиак, воду и другие не слишком тяжелые соединения. Другие элементы тоже есть, но их гораздо меньше. Ученые выяснили, что с увеличением массы гиганта растет и его атмосфера. Следовательно, самой обширной атмосферой обладает Юпитер. Уран и Нептун, близкие по массе, мало отличаются и своими атмосферами. Сатурн занимает промежуточное положение.

     В центре гигантов есть небольшое твердое  ядро, но оно относительно невелико. Газообразная атмосфера каждого  гиганта плавно переходит в жидкость, а та постепенно тоже уплотняется к центру планет. По-видимому, в недрах планет-гигантов, где давление и температура очень высокие, есть слой водорода, обладающего металлическими свойствами. Это необычное вещество не является в полной мере ни газообразным, ни твердым. Но оно обладает важным свойством: проводит ток. Благодаря этому, планеты-гиганты обладают магнитным полем.

     Магнитные поля планет-гигантов превосходят магнитные  поля планет земной группы. Интенсивность  магнитного поля качественно определяется размерами магнитосферы планеты: пространства вокруг нее, в котором магнитное поле планеты сильнее солнечного. Влияние солнечного ветра – потока заряженных частиц, вырывающихся с поверхности Солнца, – делает очертания магнитосфер несимметричными. Магнитные поля захватывают летящие от Солнца заряженные частицы высоких энергий, формируя мощные радиационные пояса и полярные сияния.

     Планеты-гиганты  окружены естественными спутниками Точное их число еще не известно. Из известных 68-ми спутников только три принадлежат планетам земной группы. У Сатурна открыто 18 спутников, у Урана – 21, у Юпитера – 17, у Нептуна – 8.

     Кроме спутников, планеты-гиганты имеют  кольца – скопления мелких частиц, вращающихся вокруг планет и собравшихся  вблизи плоскости их экваторов. Наиболее крупными обладает Сатурн – они были обнаружены еще в 17 в.

     Между орбитами Юпитера и Сатурна проходят орбиты тысяч небольших (до нескольких километров) немассивных тел - астероидов. Эти тела, называемые также малыми планетами, не имеют правильной формы и по химическому составу близки к планетам земной группы. Орбиты астероидов имеют различные углы с плоскостью эклиптики (большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца), их орбиты заметно вытянуты. Все известные астероиды вращаются вокруг Солнца в прямом направлении. За орбитой Нептуна, как позволяют судить последние наблюдения, тоже находится пояс астероидов. Орбита планеты Плутон, видимо, уже проходит внутри этого пояса.

     Похожи  на малые планеты и кометы, состоящие  из смеси замерзших газов и  пыли (грязные снежки). Приближаясь к Солнцу, кометы прогреваются, и с их поверхности начинают испаряться газы, которые светятся под воздействием солнечного излучения. Солнечный ветер отбрасывает испарившиеся частицы, образуя так называемые кометные хвосты, направленные всегда прочь от Солнца. Как и астероиды, кометы обладают малыми размерами и массами. Их орбиты могут быть самыми различными: иметь всевозможные, наклоны к плоскости эклиптики (большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца). Кометы могут двигаться вокруг Солнца, как в прямом, так и в обратном направлении.

     Центральным телом солнечной системы является - Солнце, представляющее собой раскалённый плазменный шар. Солнце - ближайшая к Земле звезда. Масса Солнца в 332.958 раз больше массы Земли. В Солнце сосредоточено 99,866% массы Солнечной системы. Температура поверхности Солнца, 5770 К.

     История телескопических наблюдений Солнца начинается с наблюдений, выполненных Г. Галилеем в 1611 году; были открыты солнечные пятна, определён период вращения Солнца вокруг своей оси. В 1843 году немецкий астроном Г. Швабе обнаружил цикличность солнечной активности. Развитие методов спектрального анализа позволило изучить физические условия на Солнце. В 1814 году Й. Фраунгофер обнаружил тёмные линии поглощения в спектре Солнца - это положило начало изучению химического состава Солнца.

     С 1836 года регулярно ведутся наблюдения затмений Солнца, что привело к  обнаружению короны (самый обширный и разреженный слой атмосферы Солнца) и хромосферы (самый близкий плотный и тонкий слой атмосферы Солнца к его видимой поверхности– фотосфере), а также солнечных протуберанцев. В 1913 году было доказано существование на Солнце магнитных полей. В начале 40-х годов XX века было открыто радиоизлучение Солнца. Существенным толчком для развития физики Солнца во второй половине XX века послужило развитие магнитной гидродинамики и физики плазмы. После начала космической эры изучение ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца ведётся методами внеатмосферной астрономии с помощью ракет, автоматических орбитальных обсерваторий на спутниках Земли, космических лабораторий с людьми на борту.

     Направление вращения Солнца совпадает с направлением вращения вокруг него всех его планет. Полагают, что содержание водорода в Солнце по массе около 70%, гелия около 27%, содержание всех остальных элементов около 2,5%. Более 70 химических элементов, найденных на Солнце, присутствуют в составе планет Солнечной системы, что доказывает единство происхождения Солнца и планет солнечной системы. Источником энергии, пополняющим потери на излучение и поддерживающим высокую температуру Солнца, являются ядерные реакции превращения водорода в гелий, происходящие в недрах Солнца.

     Солнечная активность. На фотосфере – видимой  поверхности Солнца наблюдаются  темные пятна. Причина их появления  – сильные магнитные поля, которые  замедляют движение горячих потоков  от центра Солнца к его поверхности, т.е. темные пятна – это более холодные области фотосферы. С появлением пятен связаны и другие явления: вспышки в хромосфере, сопровождающиеся различными излучениями (тепловым, ультрафиолетовым, рентгеновским и т.п.). Эти явления называются солнечной активностью. В годы максимумов солнечной активности мощность различных видов излучения возрастает в несколько раз. Показателем, или индексом солнечной активности служит число Вольфа (W), его можно вычислить по формуле

     W=k*(f+10g), 

     где f - количество наблюдаемых пятен, g - количество образованных ими групп, k - нормировочный коэффициент, выводимый для каждого наблюдателя и телескопа, чтобы иметь возможность совместно использовать найденные ими относительные числа Вольфа.

     Количество  пятен колеблется с периодом в 11 лет, т.е. солнечная активность имеет циклических характер.