ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.09.2020
Просмотров: 5136
Скачиваний: 8
1.6. Происхождение Солнечной системы
Происхождение Галактики и Солнечной системы – одна из труднейших задач космогонии.
Пока нет ни одной общепризнанной космогонической гипотезы, хотя вопросы их возникновения и
развития имеют фундаментальное значение для многих наук о Земле.
По вопросу образования и эволюции Солнечной системы на протяжении трех последних веков
высказывались разные гипотезы двух основных направлений. В одной из них развивались идеи
одновременного образования Солнца и планет из общего облака диффузной космической материи
(гипотеза И. Канта – из «холодных космогонии», 1755 г.; гипотеза П. Лапласа – из «горячих
космогонии», 1796 г.). В пользу общности их происхождения говорит родство тел Солнечной
системы: сходство их химического и изотопного состава, возраст, особенности движения и пр. В
гипотезах другого направления образование Солнца отделяется от процесса формирования планет и
их спутников (гипотезы Д. Джинса, Ф. Мультона и Т. Чемберлена и других ученых начала XX в.). К
этой же группе относится и гипотеза академика О. Ю. Шмидта: захват Солнцем холодного
газопылево-метеоритного облака и дальнейшая конденсация его в планеты и спутники. Им детально
проработана модель образования планет, решен ряд вопросов динамического и механического
характера.
Камнем преткновения космогонических гипотез является важнейшая особенность Солнечной
системы – несоответствие массы и момента количества движения (МКД) Солнца («98% и =2%) и
планет («2% и «=98%)'. Астрофизики швед X. Альвен и англичанин Ф. Хойл объясняют резкое
торможение вращения Солнца передачей МКД от Солнца планетам через магнитное поле. Другой
способ преодоления этого противоречия – допущение сильной конвективной турбулентности
протосолнечной туманности с выносом вещества и избытка МКД во внешние час системы.
Рис. 8. Главнейшие этапы эволюции протосолнечного газопылевого облака (по В. А. Руднику и Э. В. Соботовичу):
I
этап – первоначальная протосолнечная газопылевая туманность и звезда, впоследствии ставшая «сверхновой» (более
4,7 млрд лет назад); II этап – протосолнечная туманность попала в сферу действия «сверхновой» (4,7 млрд лет назад); III
этап – в выведенной из равновесного состояния протосолнечной туманности начались процессы упорядочения, аккреции
«реликтового» вещества туманности и несколько позже – конденсации вещества «сверхновой» звезды и «вторичного»
вещества (4,7 млрд лет назад); IV этап – центральное сгущение превратилось в Солнце, началось формирование
Солнечной системы и, в частности, планеты Земля, завершившееся примерно 4,6–4,5 млрд лет назад.
Согласно В. Е. Хаину, наиболее вероятный «сценарий» образования Солнечной системы
включает следующие этапы (рис. 8):
1)
образование Солнца и уплотненной вращающейся околосолнечной туманности
межзвездного газопылевого облака, вероятно под влиянием близкого взрыва «сверхновой звезды;
2)
эволюция Солнца и околосолнечной туманности с передачей электромагнитным
и.турбулентно-конвективным способом МКД Солнца планетам;
3)
конденсация «пыльной плазмы» в кольца вокруг Солнца, а материала колец в планетезимали
(сгущения);
4)
дальнейшая конденсация планетезимлей в планеты;
5)
повторение подобного процесса вокруг планет с образованием их спутников.
Внутренние планеты в процессе эволюции утратили летучие вещества из-за близости Солнцу
(нагрев, действие солнечного ветра) состоят из железосиликатного каменного материала. Их
атмосфера вторичного происхождения – продукт дегазации недр в процессе вулканизма.
Внешние планеты и их спутники состоят значительной степени изо льда и замерзал легких
газов – водорода, аммиака, метана и др.
Таким образом, согласно современны представлениям, Солнечная система образовалась из
холодного газопылевого облака в результате его уплотнения. При этом считаете бесспорным
положение о том, что планеты и были раскаленными телами. Земля разогрелась постепенно, на более
поздней стадии своего развития.
Причину разогрева видят в энергии дифференциации вещества Земли по плотности
радиоактивного распада.
Глава 2 Фигура и размеры Земли и их географические следствия
Земля, как и другие планеты Солнечной системы, имеет шарообразную форму. Ее диаметр
около 12 750 км. Поскольку человек видит лишь небольшую часть Земли, земная поверхность
кажется ему плоским кругом, ограниченным линией, где небо как бы соприкасается с землей.
Недаром многим древним народам Земля казалась плоской. Позже, в Древней Греции во времена
Гомера (IX–VIII вв. до н. э.), Землю представляли слегка выпуклым диском, наподобие щита воина, и
считали, что сушу со всех сторон омывает океан.
Во времена Пифагора (VI в. до н. э.) стали предполагать, что Земля – шар, как и другие
планеты. Первые доказательства шарообразности Земли принадлежат древнегреческому ученому
Аристотелю (IV в. до н. э.). К ним он относил наблюдения за лунными затмениями, во время
которых тень от Земли, отбрасываемая на поверхность Луны, всегда круглая; изменение вида
звездного неба при движении по меридиану; расширение горизонта при поднятии. Постепенно
представления о Земле как о шаре стали основываться не на наблюдениях, а на точных расчетах и
измерениях. Первым, кто измерил величину земного шара, был древнегреческий ученый Эратосфен
(III – II
вв. до н. э.). Он измерил длину дуги 1° меридиана, а затем на этой основе рассчитал длину
всей окружности Земли по меридиану. Она составила примерно 40 000 км, что близко к
действительности. Таким образом, ученые Древней Греции имели в общем правильные
представления о форме и величине Земли. Однако карты их, показывающие распределение суши и
воды на земной поверхности, были весьма несовершенны из-за недостатка фактических данных.
В период Средневековья, вплоть до XV в., многие научные представления античных народов о
Земле, в том числе и о ее шарообразности, из-за господства церкви во всех сферах жизни отрицались.
рис. 9. Фигура и размеры Земли
С конца XV в. начинается возрождение, а потом и интенсивное развитие многих наук и
культуры. Наступил период Великих географических открытий. Христофор Колумб в поисках
западного пути в Индию открыл Новый Свет – Америку (1492 г.). Васко да Гама, обогнув Африку,
проложил морской путь в Индию (1497 г.). Фернан Магеллан и его спутники совершили первое
кругосветное плавание (1519–1522 гг.). В этот период сомнений в шарообразности Земли не было и
Землю стали изображать в виде объемной модели – глобуса. Самый первый глобус диаметром 0,54 м
был изготовлен немцем Мартином Бехаймом (1492 г.). По результатам открытий в XVI в.
создавались многочисленные карты Земли и обширные географические атласы (Г. Меркатор, А.
Ортелий). В XVII в. в ряде европейских стран были начаты детальные съемки местности.
В связи с развитием знаний о природе Земли представления о ее форме продолжали
совершенствоваться. В начале XVII в. голландским картографом Снеллиусом был изобретен способ
измерения больших расстояний путем триангуляции. Этот способ помог уточнить представление о
форме и величине Земли посредством измерения длины 1° меридиана в разных широтах. В конце
XVII
в. на основании работ Ньютона возникло предположение о том, что ввиду осевого вращения
земной шар должен быть сплюснут у полюсов. Последующими измерениями в XVIII в. было
подтверждено, что Земля имеет фигуру
эллипсоида,
незначительно сплюснутого вдоль оси вращения
(рис. 9). У Земли полярный радиус (*6357 км) короче экваториального (=6378 км) на 21,4 км.
Сжатием Земли
называется отношение разности наибольшего (а) и наименьшего (в) радиусов
эллипсоида к наибольшему радиусу. Сжатие Земли невелико и составляет
(а
–
в)/а =
1/298,3. В
дальнейшем выяснилось, что сплюснутость у Северного полюса на 30 м меньше, чем у Южного.
Кроме того, было установлено, что экваториальные радиусы Земли не равны: большой радиус вдоль
меридиана 15° в. д. – 165° з. д. на 213 м больше малого вдоль меридиана 105° в. д. – 75° з. д. Из-за
полярного и экваториального (1/30000) сжатия фигура Земли является трехосным эллипсоидом.
Поскольку величина сжатия земного эллипсоида невелика и он мало отличается от шара, его
называют также
сфероидом.
В XIX в. было установлено, что фигура Земли сложнее и не соответствует ни одной правильной
геометрической фигуре. Она отклоняется от эллипсоида из-за неоднородного строения недр и
неравномерного распределения масс по плотности. В 1873 г. фигура Земли была названа по
предложению немецкого ученого И. Листинга
геоидом («подобным Земле»).
Геоид определяется как
фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести, т. е. отвесной
линии. Поверхность геоида совпадает с уровенной поверхностью Мирового океана в спокойном
состоянии, мысленно продолженной под материками. Поднятия и опускания над эллипсоидом
составляют в среднем от ±50 до ±100 м. Их называют волнами геоида.
Выступы и понижения геоида были точно измерены из Космоса. На поверхности Океана
выделяются шесть гигантских неровностей – планетарных аномалий с поперечником 3 – 5 тыс. км.
Максимальное возвышение геоида наблюдается в Тихом океане близ острова Новая Гвинея ( + 78 м),
минимальные отметки – в Индийском океане у острова Шри-Ланка ( – 112 м). Так что общий размах
выпуклостей и вогнутостей поверхности Океана достигает 190 м. Исследования показали, что
источниками крупнейших аномалий океанической поверхности служат массы вещества,
расположенные на глубинах порядка 400–900 м: под «буграми» на поверхности Океана расположены
массы вещества повышенной плотности, а под «впадинами» – массы пониженной плотности.
Обобщенные черты рельефа водной поверхности Океана видны на рисунке 10.
Таким образом, на фигуре Земли отразились два фактора: осевое вращение Земли и сила
тяжести (вес). Вес в целом уменьшается от полюсов к экватору на 6 г на 1 кг (на пружинных весах) и
изменяется в зависимости от состава и плотности пород. Фигура Земли не остается постоянной и
меняется как в связи с уменьшением скорости осевого вращения, так и в результате
перераспределения масс внутри Земли.
Истинная физическая, или топографическая, поверхность Земли со всеми ее горами и
впадинами не совпадает с поверхностью геоида и отступает от него на несколько километров (рис.
11). Сила тяжести все время стремится выровнять действительную поверхность Земли, привести ее в
соответствие с уровенной поверхностью. Она является всеобъемлющей силой на Земле и лежит в
основе рельефообразующих и всех других природных процессов.
Разница между эллипсоидом и геоидом невелика, поэтому для геодезических и
картографических работ в нашей стране приняты следующие величины земного эллипсоида Ф. Н.
Красовского (назван в честь ученого, под руководством которого велись расчеты): экваториальный
радиус а = 6378,2 км, полярный радиус b = 6356,8 км, полярное сжатие
(а
–
b
)/а=
1/298,3, длина
меридиана 40008,5км, длина экватора 40075,7 км, площадь поверхности Земли 510 млн км
2
. Для
анализа большинства глобальных географических процессов и закономерностей допустимо
принимать Землю за шар.
Рис. 10. Рельеф водной поверхности Мирового океана по данным информации с искусственных
спутников Земли (по Р. К. Клиге и др.)
Рис. 11. Физическая и теоретические поверхности Земли (по Г. Ю. Грюнбергу и др.)
В настоящее время научными доказательствами шарообразности Земли считаются фотографии
и измерения из Космоса с искусственных спутников Земли с разных расстояний и точек траекторий
полетов, а также градусные измерения на поверхности Земли и лунные затмения. Постепенное
появление предметов из-за горизонта, увеличение дальности (радиуса) видимого горизонта при
подъеме, изменение вида звездного неба при движении по меридиану, освещение высоких частей
предметов перед восходом и после захода Солнца, кругосветные плавания и другие следствия
свидетельствуют лишь о выпуклости Земли.
Фигура и размеры Земли имеют большое географическое значение. Шарообразная форма
Земли обусловливает уменьшение угла падения солнечных лучей на земную поверхность от экватора
к полюсам и, как следствие этого явления, образование нескольких тепловых поясов. Тепловые
пояса, в свою очередь, наряду с другими факторами (величиной и массой Земли, определенным
расстоянием ее от Солнца) обусловливают закономерное изменение многих природных процессов и
компонентов в географической оболочке по направлению от экватора к полюсам, т. е.
широтную
зональность.
Размеры и масса Земли предопределяют такую силу земного притяжения, которая удерживает
атмосферу определенного состава и
гидросферу, без которых была бы невозможна жизнь, основанная на органических полимерах.
Важно при этом и расстояние Земли от Солнца. При более близком положении Земли к Солнцу, чем
теперь, она могла бы превратиться в раскаленную пустыню, при более отдаленном – приобрести
постоянный ледяной панцирь. От размеров Земли зависят масштабы процессов, происходящих на
планете, а также спектр природных зон: при больших размерах он был бы богаче и разнообразнее,
при меньших – гораздо беднее, чем сейчас. Таким образом, жизнь на Земле, возникновение и
существование на ней географической оболочки в значительной мере зависят от формы и размеров
нашей планеты, а также расстояния ее от Солнца.
Глава 3 Движения Земли и их географические следствия
Земля, как и другие планеты Солнечной системы, участвует одновременно в нескольких видах
движения. Главные движения Земли – годовое движение по орбите вокруг Солнца и суточное
вращение вокруг оси. Первое обеспечивает годовую сезонность во всех сферах географической
оболочки, второе – смену дня и ночи и суточную ритмику сфер.
3.1. Движение Земли по орбите вокруг Солнца
Земля, подобно другим планетам, движется вокруг Солнца. Этот путь Земли называют орбитой
(лат.
orblta
–
колея, дорога). Доказательствами орбитального движения Земли служат явления
аберрации света звезд и их параллактическое смещение, которым присущ периодический характер.
Периодичность равна одному году, что соответствует времени обращения Земли вокруг Солнца.
Отражением движения Земли по орбите является движение Солнца по эклиптике.
Эклиптика
–
большой круг небесной сферы, образующийся при пересечении ее плоскостью орбиты. Плоскость
эклиптики наклонена к плоскости
небесного экватора
и пересекается с ней под углом 23°27'. Места
их пересечения называются
точками весеннего и осеннего равноденствия.
В этих точках Солнце
бывает дважды в году – 21 марта и 23 сентября при переходе из южного полушария в северное и
наоборот (см. рис. 1).
Орбита Земли – эллипс, близкий к окружности, в одном из фокусов которого находится
Солнце. Расстояние от Земли до Солнца изменяется в течение года от 147 млн км в
перигелии
(2
января) до 152 млн км в
афелии
(5 июля). Длина орбиты более 930 млн км. Земля (точнее, барицентр)
движется по орбите с запада на восток, совпадая с направлением ее осевого вращения, со средней
скоростью около 29,8 км/с и проходит весь путь за 365 сут. 6 ч 9 мин 9 с. Этот промежуток времени
называют
звездным (сидерическим) годом.
Тропический год
–
промежуток времени между двумя последовательными прохождениями
Солнца через точку весеннего равноденствия. Он на 20 мин короче сидерического года и равен 365
сут. 5 ч 48 мин 46 с, так как точка весеннего равноденствия медленно смещается в направлении
движения Земли по орбите (навстречу видимому годичному движению Солнца) на угол 50" в год и
равноденствие наступает раньше, чем Солнце пройдет 360° по эклиптике. Это явление было названо
предварением равноденствий, и вызвано оно прецессией.
Прецессия
–
медленное конусообразное
вращение земной оси вокруг перпендикуляра к плоскости орбиты с вершиной в центре Земли (рис.
12). Период ее полного оборота составляет около 26 тыс. лет. Прецессия обусловлена притяжением
Солнцем и Луной экваториальной выпуклости Земли и стремлением их повернуть земную ось в пер
пендикулярное положение к плоскости орбиты, чтобы совместить плоскости небесного экватора и
эклиптики. Но Земля, как всякое вращающееся тело, противодействует этим силам, что вызывает
конусообразное вращение ее оси вокруг полюсов (подобно оси вращающегося волчка). Из-за
изменения положения земной оси и оси мира изменяется положение в пространстве земного и
небесного экватора и соответственно точек весеннего и осеннего равноденствия.
Рис. 12. Прецессия земной оси
Рис. 13. Освещение Земли и полуденная высота
Солнца над горизонтом на разных широтах в дни
равноденствий