Солнечная система: структура и особенности

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

ВОЛГО-ВЯТСКАЯ  АКАДЕМИЯ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЛУЖБЫ 

Факультет управления, экономики и права 

Кафедра философии 
 
 
 
 
 
 

по  курсу «Концепции современного естествознания» 
 

Тема: «Солнечная система: структура и особенности». 
 
 
 
 
 
 

                                                                         Выполнила:  

                                                                 Проверил:    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

г. Нижний Новгород

2008 год 

Солнечная система: структура  и особенности. 

   Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по своим размерам и физическому строению.

   Центральное тело нашей планетной системы – Солнце. Солнце (желтый карлик) – сосредоточило в себе 99,866 % всей массы Солнечной системы. Оставшиеся 0,134 % вещества представлены девятью большими планетами (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон) и несколькими десятками спутников планет (в настоящее время их открыто более 60), малыми планетами – астероидами (~100 тысяч), кометами (~1011 объектов), огромным количеством мелких фрагментов – метеороидов, а также космической пылью. Механически эти объекты объединены в общую систему силой притяжения Солнца.

                                                                          Большая часть планет обращается вокруг Солнца в одном направлении, по эллиптическим орбитам с небольшим эксцентриситетом и малым наклонением к плоскости эклиптики, т. е. плоскости орбиты Земли. Самой большой угловой скоростью обладает Меркурий — он успевает совершить полный оборот вокруг Солнца всего за 88 земных суток. А для самой удалённой планеты Нептуна— орбитальный период составляет 165 лет.

    Самая  крупная из планет – Юпитер  – меньше Солнца по размерам на порядок и по массе на три порядка. Средняя плотность Юпитера составляет 1,32 г/см³, что очень близко к средней плотности солнечного вещества (1,41 г/см³). Основными элементами, определяющими химический состав обоих объектов, являются водород и гелий. Сатурн по размерам почти не отличается от Юпитера, но меньшая плотность вещества планеты (0,686 г/см³) определяет и несколько меньшее значение массы. Следующие два гиганта – Уран и Нептун мало отличаются по средней плотности (1,28 и 1,64 г/см³ соответственно) и химическому составу. Все четыре планеты традиционно выделяются в группу планет-гигантов, отличительной особенностью которых являются не только значительные размеры и масса, но также и низкая средняя плотность, характерная для газового состава.

    Другая  группа – планеты земного типа – состоит из четырех планет, в нее входят Земля и Венера, которые почти не отличаются друг от друга по размерам, массе и средней плотности (5,52 и 5,24 г/см³ соответственно), а также меньшие по размерам и массе Марс и Меркурий.

    Перечень  больших планет Солнечной системы  дополняет необычный объект –  Плутон, который в момент своего  открытия в 1930 году занимал  наиболее удаленное от Солнца  положение, соответствующее месту  девятой планеты Солнечной системы. Но орбита Плутона обладает значительным эксцентриситетом, в 1969 году он пересек орбиту Нептуна, превратившись в восьмую по удаленности от Солнца планету. В этом статусе Плутон будет пребывать до 2009 года. А первый после своего открытия полный оборот вокруг Солнца Плутон завершит лишь в 2178 году.

Планеты земной группы составляют внутреннюю часть  Солнечной системы. Планеты-гиганты  образуют ее внешнюю часть. Промежуточное  положение занимает пояс астероидов, в котором сосредоточена большая  часть малых планет. На окраинах Солнечной системы, по-видимому, сосредоточены облака гигантских по размерам и массам комет, которые могли посещать окрестности Солнца задолго до появления жизни на Земле. Об этом свидетельствуют следы на поверхности таких безатмосферных тел, как Луна или Меркурий, способных сохранять отпечатки самых древних событий в истории планет.

    За  последние несколько лет было  обнаружено свыше 30 объектов, имеющих  сходство с ядрами комет, названных  транснептуновыми. Их размеры превосходят  100 км. Согласно оценкам, на расстоянии между 30 и 50 а.е. от Солнца сосредоточено около 70 000 тел размерами от 100 до 400 км. Соотношение расстояний и периодов обращения планет вокруг Солнца определяется известным законом Кеплера, согласно которому квадраты периодов пропорциональны кубам больших полуосей относительных орбит.

Все планеты  обращаются вокруг Солнца в одном  направлении, совпадающем с направлением осевого вращения Солнца, и в том  же направлении они обращаются вокруг своей оси. Исключение составляют Венера, Уран и Плутон, осевое вращение которых противоположно солнечному. Поразительно, что Уран вращается, практически «лёжа на боку».

В Солнечной  системе существует резкая диспропорция в распределении массы и момента  количества движения между Солнцем  и планетами. Хотя основная масса вещества Солнечной системы сосредоточена в самом Солнце, 98 % момента количества движения (произведения массы на скорость и радиус вращения) приходится на долю планет. В результате удельное значение моментов количества движения для планет в среднем в 35 000 раз больше, чем для Солнца. Причина этого еще не ясна. Возможно, ответственным за перенос момента количества движения является магнитное поле Солнца, пронизывающее всю нашу планетную систему.

    После  завершения стадии формирования больших планет и спутников из первичного газопылевого облака, окружавшего Солнце, состояние их поверхности в основном определялось двумя процессами: выпадением большого числа мелких фрагментов, находившихся в межпланетном пространстве, и внутренней активностью собственных недр. Современный вид поверхности больших планет и спутников показывает, что для каждого тела воздействия этих процессов сочетались в различных пропорциях. На поздних стадиях развития планет существенную роль играло также наличие или отсутствие у тела газовой оболочки – атмосферы. 

Положение Солнца в нашей  Галактике. 

   Солнечная система является частью Млечного Пути — спиральной галактики, имеющей диаметр около 30 тысяч парсек (или 100 тысяч световых лет) и состоящей из приблизительно 200 миллиардов звёзд. Мы живём вблизи плоскости симметрии галактического диска (на 20—25 парсек выше, т. е. севернее него), на расстоянии около 8 тысяч парсек (27 тысяч световых лет) от галактического центра (т. е. практически на полпути от центра Галактики к её краю), на окраине рукава Ориона — одного из спиральных рукавов Млечного Пути.

    Солнце вращается вокруг галактического центра по почти круговой орбите со скоростью около 220 км/c и совершает полный оборот за 226 миллионов лет. Этот промежуток времени называется галактическим годом.

Помимо кругового  движения по орбите, Солнечная система  совершает вертикальные колебания  относительно галактической плоскости, пересекая её каждые 30—35 миллионов  лет и оказываясь то в северном, то в южном галактическом полушарии. 

Граница Солнечной системы. 

    Вопрос о том, где именно заканчивается Солнечная система и начинается межзвёздное пространство, неоднозначен, поскольку связан с областями влияния двух различных явлений — солнечного ветра и солнечного тяготения. Даже далеко за пределами гелиопаузы Солнце оказывается в состоянии удерживать своим тяготением другие объекты — вплоть до облака Оорта — большого скопления комет, окружающего Солнечную систему и простирающегося на расстояния от 50 000 до 100 000 а. е. — почти на световой год. 

Ударные процессы в Солнечной  системе. 

    Кратеры,  возникшие в результате падения  тел различных размеров, наблюдаются  на поверхности всех тел с  твердой оболочкой. Предполагается, что средняя скорость соударения  составляет 15-20 км/с. Размеры образующегося при ударе кратера могут во много раз превышать размеры упавшего тела. Самый большой кратер в Солнечной системе находится на поверхности Луны. Это уникальное образование, относящееся к эпохе завершения процесса дифференциации планетных тел, то есть разделения недр на ядро, мантию и кору, обнаружено на обратной стороне Луны. Гигантская многокольцевая впадина расположена вблизи ее южного полюса (рис. 1). Диаметр внешнего кольца этой структуры достигает 2500 км, что в 1,4 раза больше лунного радиуса. Глубина впадины – 10-12 км относительно окружающего материка, а средняя разница высот между гребнем внешнего вала и дном превышает 13 км. Судя по количеству мелких кратеров на единицу площади внутри впадины, время его образования относится к раннему периоду лунной истории, на эпоху между 4,3 и 3,9 млрд лет.

    Внутри  впадины выделяется область темных  глубинных пород (депрессия) поперечником  около 1400 км, расположение которой  совпадает с протяженной областью отрицательной гравитационной аномалии. Это крайне необычно, поскольку круговые депрессии на поверхности видимого полушария Луны – круговые моря – совпадают с областями, имеющими крупные положительные гравитационные аномалии. Обобщив все известные сведения, ученые предположили, что этот кратер – след гигантского столкновения молодой Луны с довольно крупным телом. Событие столь грандиозного масштаба должно было в буквальном смысле слова потрясти весь лунный шар, так как размеры оставшейся после удара впадины превышают лунный радиус. Даже если глубина такого кратера существенно меньше одной десятой его диаметра, удар должен был проникнуть до границы коры и мантии. Это объясняет появление внутри впадины значительного количества пород, составляющих верхнюю мантию Луны.

    Вызывает  удивление запас прочности молодой  Луны, благополучно пережившей этот  удар и уцелевшей, не развалившись  на множество осколков. Оценки  энергии взрыва, необходимой для  образования столь крупной ударной  структуры, показывают, что упавшее космическое тело могло достигать в поперечнике около 200 км. Несколько лет назад получила широкое распространение гипотеза об ударном происхождении самой Луны, когда тело величиной с Марс косым ударом вырвало "кусок" Земли, раздробившийся на множество осколков, из которых в результате аккреции и возник единственный, необычно крупный спутник нашей планеты. Возможно, что бассейн в юго-западной части обратной стороны Луны появился, когда один из последних осколков – спутников Земли – перестал существовать, столкнувшись с Луной.  

Вулканизм на телах Солнечной  системы 

    Исследование  вулканизма на телах Солнечной  системы в последние годы привело  к экзотическим открытиям и  неожиданным находкам, особенно  связанным с телами, находящимися  во внешней относительно Земли части Солнечной системы, со спутниками планет-гигантов. Обнаружение реликтовых вулканических построек на поверхности Марса и Венеры и даже некоторые признаки современного венерианского вулканизма не вызвали сильного удивления, поскольку представлялись как бы закономерным аналогом активности недр Земли. Настоящей сенсацией было открытие действующих вулканов на сравнительно небольшом спутнике Юпитера – Ио, хотя некоторые факты, известные до полетов космических аппаратов в окрестности Юпитера, могли бы натолкнуть на эту мысль: средняя плотность Ио (3,53 г/см3) указывает на то, что спутник практически целиком состоит из горных пород в отличие от его ближайших соседей – Европы, Ганимеда и Каллисто, а телескопические наблюдения выявили распространяющийся по орбите Ио газовый шлейф, в составе которого оказались сера, натрий, калий и кислород – продукты выбросов из недр спутника. Снимки, полученные с космического аппарата ВОЯДЖЕР 1, продемонстрировали существование на Ио около десятка действующих вулканов. Температура в центрах извержений (эруптивных центрах) достигала 700 К, выбросы со скоростью 1000 м/с поднимались на высоту до 300 км над поверхностью. Анализ изображений показал, что каждую секунду действующие эруптивные центры выбрасывают около 100 000 тонн вещества. Этого количества достаточно для того, чтобы покрыть всю поверхность Ио слоем в несколько десятков метров за несколько миллионов лет. По-видимому, этим объясняется полное отсутствие ударных кратеров на изученной поверхности спутника: погребение ударных структур под слоем вулканического материала идет с большей скоростью, чем их появление в результате падения метеороидов или комет.

        Наиболее вероятным энергетическим  источником вулканизма на Ио  считают приливный разогрев недр  спутника. Как и большинство спутников в Солнечной системе, Ио обращается вокруг Юпитера синхронно, то есть период осевого вращения спутника равен периоду его обращения вокруг планеты. Ио находится на орбите, расположенной довольно близко к Юпитеру, в результате величина приливного горба достигает нескольких километров. Небольшой эксцентриситет орбиты (0,004) приводит к явлениям, аналогичным либрациям Луны в процессе ее вращения вокруг Земли. Одновременно под влиянием соседних спутников – Европы и Ганимеда – возникают возмущения эксцентриситета орбиты, что вызывает периодические изменения амплитуды приливных деформаций в коре Ио. Такая постоянная пульсация предположительно тонкой коры (толщиной не более 20-30 км) обеспечивает энерговыделение, достаточное для расплава недр спутника, что и выражается в интенсивной вулканической активности. Оценки, сделанные на основе измерений теплового потока из "горячих" областей Ио, показывают, что приливный механизм способен генерировать до 108 мегаватт, что более чем в 10 раз превышает суммарную величину энергии, потребляемой всем человечеством на Земле.

    Модель  приливного разогрева недр в  некоторой степени применима  и к другому спутнику – Европе, место которой в системе Юпитера  также предполагает существование  пульсирующих деформаций его поверхности. Средняя плотность Европы меньше, чем средняя плотность Луны, и составляет 2,97 г/см3, так как спутник примерно на 20 % по массе состоит из водяного льда, образующего мощную (до 100 км) кору и частично расплавленную (водно-ледяную) мантию, и на 80 % из силикатных пород, составляющих разогретое ядро. На поверхности Европы нет эруптивных центров и следов недавних выбросов, практически нет и ударных кратеров. Обнаружено всего лишь три образования с размерами свыше 5 км, имеющих экзогенное происхождение. На соседних спутниках Каллисто и Ганимеде плотность ударных кратеров во много раз выше и в отдельных местах приближается к плотности кратеров на Луне. Следовательно, процессы погребения ударных структур на Европе проходят довольно быстро, хотя и не столь бурно, как на Ио.

    Еще  более экзотична вулканическая  активность спутника Нептуна.  Тритон – криовулканизм, то  есть вулканические процессы  при низких температурах: из-под  поверхности, покрытой замерзшим  азотом и имеющей температуру  около 38 К, выбивается гейзер высотой около 8 км при толщине столба выброса от 20 м до 2 км. На снимках, сделанных космическим аппаратом ВОЯДЖЕР 2 в 1989 году, были зафиксированы два действующих извержения. Выбросы развеивались ветром с востока на запад на значительное расстояние (более 100 км) и, осаждаясь на поверхность, оставляли следы в виде протяженных темных полос-шлейфов. По таким шлейфам в южной полярной области спутника было отождествлено еще около 50 ранее действовавших извержений. Диаметр Тритона составляет около 2700 км, его средняя плотность 2,0 г/см³. По массе спутник состоит на 70 % из силикатов и на 30 % из льдов, в состав которых входят N2, CO и CH4. Для объяснения криовулканизма, наблюдаемого на Тритоне, предложено несколько механизмов, включая и описанный выше приливный разогрев. Предполагают также, что криовулканические процессы имеют приповерхностный источник энергии, связанный с аккумуляцией слабого здесь солнечного тепла в одном из слоев многослойной структуры массы льда вблизи поверхности спутника. Постепенно накапливаясь, внутреннее давление достигает уровня, достаточного для гигантского выброса. Какова же истинная природа криовулканизма, пока не ясно.