ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 01.01.2020
Просмотров: 2170
Скачиваний: 5
4.2 Происхождение и структура Солнечной системы
4.2.1 Структура Солнечной системы
Наша галактика Млечный путь насчитывает около 200 млрд. звезд, одной из которых является Солнце. Солнце находится в одном из рукавов галактики. Расстояние от Солнца до центра галактики составляет около 30 тыс. световых лет. Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с и совершает один оборот за 250 млн. лет. Этот период называется галактический год.
Солнечная система — планетная система, включающая в себя центральную звезду Солнце и все естественные космические объекты, вращающиеся вокруг неё. Все объекты Солнечной системы делят на три категории: планеты, карликовые планеты и малые тел. В Солнечной системе имеется восемь известных планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), пять признанных карликовых планет (Церера, Плутон, Хаумеа, Макемаке, Эрида). Оставшиеся объекты, обращающиеся вокруг Солнца — малые тела Солнечной системы.
Размеры планет значительно меньше Солнца (например, Земля в 100 раз меньше Солнца). Планеты Солнечной системы (см. приложение) делятся на две группы: планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун).
Планеты земной группы расположены ближе к Солнцу. Они меньше по размеру и состоят в основном из силикатов (соединений кремния) и металлов. Планеты гиганты расположены дальше от Солнца. Они намного массивнее, чем планеты земной группы и состоят из водорода и гелия. Каждая из внешних планет окружена кольцами пыли и других частиц. Шесть планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Уран, Нептун) и три карликовые планеты (Плутон, Хаумеа, Эрида) имеют естественные спутники.
В Солнечной системе имеются две области, заполненные малыми телами. Это пояс астероидов, расположенный на границе между планетами земной группы и планетами гигантами, и область, расположенная за орбитой Нептуна. За орбитой Нептуна располагаются карликовые планеты (Плутон, Седна, Хаумеа, Макемаке и Эрида), состоящие из замёрзших воды, аммиака и метана. Здесь
На долю Солнца приходится 99,87% массы Солнечной системы, поэтому сила его гравитационного притяжения почти полностью управляет движением планет, которые обращаются вокруг Солнца по орбитам, близким к эллипсам, в одном из фокусов которого находится Солнце. Ближайшая к Солнцу точка орбиты объекта называется перигелий, наиболее удалённая — афелий.
У более близких к Солнцу объектов больше угловая скорость вращения, поэтому короче период обращения (год). Самой большой угловой скоростью обладает Меркурий — он успевает совершить полный оборот вокруг Солнца всего за 88 земных суток. А для самой удалённой планеты — Нептуна — период обращения составляет 165 земных лет.
Орбиты всех планет и большинства астероидов лежат приблизительно в одной плоскости (плоскости эклиптики, т. е. в плоскости земной орбиты). Наибольшим наклоном к эклиптике и наибольшей вытянутостью обладают орбиты Плутона (17°) и Меркурия (7°).
Все планеты обращаются вокруг Солнца в одну сторону (против часовой стрелки, если смотреть со стороны северного полюса Солнца), причем направление их осевого вращения, как правило, совпадает с направлением движения по орбите (исключение составляют Венера и Уран, они вращаются в противоположную от движения по орбите сторону).
К Солнечной планетной системе относится большое число так называемых малых тел. Астероиды – самые распространенные малые тела Солнечной системы. Размеры астероидов варьируются от нескольких метров до сотен километров. Астероиды сходны по составу с планетами земной группы, поскольку состоят из силикатов и металлов. Они имеют неправильную форму, неровную поверхность и вращаются вокруг своей оси. Атмосфер у астероидов нет. Крупнейшими объектами пояса астероидов являются Церера, Паллада и Юнона. Сейчас известно около 2000 астероидов.
К особым космическим объектам относятся кометы. Кометы - малые тела Солнечной системы, размером всего в несколько километров. Они состоят в основном из водяного льда с вкраплением замерзших летучих соединений. Когда комета приближается к Солнцу, её ледяная поверхность начинает испаряться и ионизироваться, порождая протяженный хвост.
Солнце — звезда Солнечной системы и её главный объект. По звёздной классификации Солнце — типичный жёлтый карлик. Солнце представляет собой плазменный шар со средней плотностью вещества 1,4 г/см3, окруженный так называемой короной, которую можно наблюдать. Источником солнечной энергии являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, которые происходят в недрах. Активность Солнца циклична и составляет примерно 11 лет. Солнечная активность на Солнце проявляется в виде пятен, факелов, вспышек, протуберанцев и других явлений на поверхности Солнца.
Радиус Солнца в 109 раз, а объем в 1,3 млн. раз, масса в 333000 раз больше радиуса, объема и массы Земли. Температура поверхности Солнца 6000 К.
Планеты земной группы расположены ближе к Солнцу и представляют собой твердые шары, состоящие в основном из силикатов с относительно тонкими газовыми атмосферами. По-видимому, в центре у всех этих планет присутствует железное или железно-никелевое ядро. Атмосферы планет сильно различаются по плотности и составу. У Меркурия примерно на 10 порядков менее плотная, чем земная, атмосфера состоит в основном из гелия, поставляемого солнечным ветром; у Марса и Венеры преобладающим компонентом (свыше 95%) атмосферы является углекислый газ, плотность атмосферы Марса в 160 раз меньше, чем Земли, а Венеры — в 90 раз больше.
Земля единственная из всех планет обладает кислородной атмосферой и гидросферой — жидкой водой на поверхности. Не исключено, что когда-то жидкая вода была и на Марсе, но сейчас она присутствует там в виде льда, захороненного под пылью.
Внутреннее строение планет изучено весьма слабо. Больше всего мы знаем о Земле, о которой будет сказано дальше. Модели внутреннего строения для остальных планет земной группы строятся по аналогии с Землей.
У планет-гигантов нет ни твёрдой, ни жидкой поверхности. Газы их обширных атмосфер, уплотняясь с приближением к центру, постепенно переходят в жидкое состояние. Именно отсутствие резкого перехода от газообразного состояния вещества в атмосфере к жидкому позволяет нам говорить о планетах-гигантах как о планетах без поверхности. Из-за своей большой массы и достаточной удаленности от Солнца, гиганты удержали почти полностью легкие газы водород и гелий, из которых состоят их необычайно мощные атмосферы. В горячих недрах планет-гигантов (температура доходит до 20 0000С), вероятно, присутствуют твердые ядра.
4.2.2 Происхождение Солнечной системы.
Считается, что все планеты Солнечной системы возникли почти одновременно примерно 4,6 млрд. лет назад. В современной космогонии принята концепция холодного начального состояния планет, которые образовались в результате объединения твердых частиц межзвёздного газопылевого облака. В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшались и росла скорость вращения облака. Центр, где собралась большая часть массы, становился всё более и более горячим, чем окружающий его диск. Эти процессы привели к формированию характерного протопланетного диска и горячей протозвезды в центре.
Планеты сформировались из протопланетного диска. Сначала возникла система колец, которые затем распадались на множество отдельных сгустков. Сталкиваясь друг с другом, сгустки продолжались сжиматься и уплотняться, образуя допланетные тела — планетезимали. Планетезимали — допланетные тела, образовавшихся в допланетном облаке в результате конденсации вещества. Столкновение планетезималей привело к тому, что наиболее крупные начали еще более увеличиваться в размерах, у них появилась способность удерживать близко находящиеся частички за счет тяготения, вследствие чего образовались планеты. По аналогии с возникновением планет объясняется появление их спутников. Образование допланетных тел продолжалось десятки тысяч лет, формирование планет заняло от 105 до 108 лет.
4.3 Особенности планеты Земля
Земля — третья планета Солнечной системы, наибольшая из планет земной группы. Земля участвует в двух движениях, происходящих с запада на восток: она вращается вокруг собственной оси и обращается по эллиптической орбите вокруг Солнца. Расстояние от Земли до Солнца в разных точках орбиты неодинаковое, среднее расстояние составляет 149,6 млн. км. В процессе движения вокруг Солнца плоскость земного экватора перемещается таким образом, что в одних участках земной орбиты земной шар наклонен к Солнцу своим северным полушарием, а в других – южным. Период обращения вокруг Солнца составляет 365,256 дней, при суточном вращении 23 часа 56 мин.
Земля имеет единственный естественный спутник Луну.
По форме Земля близка к эллипсу. За средний радиус Земли принимают Rcp = 6371 км, который соответствует радиусу шара по объему, равному объему эллипсоида Земли. Масса Земли 5,976 1024 кг, средняя плотность Земли 5,5 г/см3
Большая часть Земли (до 71%) покрыта водой. Средняя глубина Мирового Океана 3900 км. Наибольшую глубину — 11 022 м — имеет Марианский желоб в Тихом океане. На современных континентах больше распространены равнины. Горы занимают незначительную часть планеты. Наибольшую высоту над поверхностью мирового океана — 8848 км — имеет вершина Джомолунгма (Эверест), находящаяся в Гималаях (Евразия).
Земной шар состоит из ряда концентрических оболочек, или геосфер: атмосферы, гидросферы, литосферы, земной коры, мантии и ядра. Литосфера – твердая оболочка, включающая верхнюю часть мантии и земную кору.
Земная кора образовалась в результате вулканической деятельности. Возраст земной коры оценивается примерно в 3,8 млрд. лет. Земная кора состоит из 7 плит толщиной около 64 км, которые плавают по верхней части мантии. Масса земной коры 2,8 1019 тонн, что составляет лишь 0,473 % от общей массы Земли. Толщина ее неравномерна: максимальна в областях прогибания земной коры - до 70 км, минимальна под океанами — 5-10 км, и вообще отсутствует в областях поднятий. 98,6% массы земной коры составляют всего восемь химических элементов (O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg). Около половины массы земной коры (47%) приходится на кислород, более 25% (27,5%)— на кремний. Температура внутри Земли повышается на 2° на каждые 100 м глубины.
Кора подразделяется на несколько слоев: осадочный (состоит из продуктов разрушения коренных пород), гранитный и базальтовый. Толщина этих слоев различна и сильно варьируется.
Ниже коры находится мантия, в ней сосредоточена большая часть вещества Земли. Температура мантии составляет 1500-20000 С, простирается она до глубины 2900 км, где проходит ее граница с ядром Почти вся мантия находится в твёрдом кристаллическом состоянии, т.к. влияние давления сказывается сильнее, чем температуры. Мантия более плотная, чем земная кора, и содержит в основном тугоплавкие элементы. Она недоступна непосредственному исследованию, поэтому большая часть информации о мантии получена геохимическими и геофизическими методами.
Разделяет кору и мантию граница Мохоровича, на которой происходит резкое увеличение скоростей сейсмических волн. Изменение скорости распространения сейсмических волн обусловлено увеличением плотности вещества мантии.
Процессы, идущие в мантии, являются причиной движения континентов, вулканизма, землетрясений, горообразования и формирования рудных месторождений. На саму мантию активно влияет металлическое ядро планеты.
Ядро состоит из внешнего (до глубины 5000-5100 км) и внутреннего ядра (до центра Земли 6371 км). Внешнее ядро жидкое, расплавленное, его плотность 10 г/см3, состоит в основном из железа и никеля. Глубже находится внутреннее твердое ядро диаметром 2500 км, по-видимому, того же состава, что и внешнее ядро. Его температура достигает 50000С, а плотность 12,5 г/см3.
Одна из особенностей Земли – наличие у нее магнитного поля (геомагнитного поля). Магнитное поле создается за счет движения расплавленного железа в жидком наружном ядре Земли и защищает все живое от ионизирующего космического излучения. Северный и южный магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, магнитная ось не проходит через центр Земли, а располагается примерно на 400 км в стороне от него. Магнитные полюса перемещаются: магнитный полюс в южном полушарии вышел в Индийский океан, северный магнитный полюс движется через Ледовитый океан в направлении Сибири.
Сила притяжения Земли оказалась достаточной для удержания газов и паров воды, из которых сформировались плотная атмосфера и мощная гидросфера.
Атмосфера - воздушная среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с нею. Атмосфера простирается на высоту 2000 - 3000 км, ее масса около 5,15 1015 т. Атмосфера состоит из газов, воды и пыли. Газовый состав атмосферы: 78,1% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона, в незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий, неон и другие газы. Давление и плотность воздуха в атмосфере Земли с высотой убывают.
Атмосфера имеет слоистую структуру. Слоистая структура - результат температурных изменений на разных высотах. От поверхности Земли вверх эти слои располагаются так: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера.
Тропосфера - нижняя часть атмосферы, до высоты 10-15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха. Температура здесь с высотой падает (в среднем на 0,6° на каждые 100 м). Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности. Тропосфера обладает еще одним важным свойством — парниковым эффектом, благодаря которому средняя температура земной поверхности составляет в настоящее время +15°С (вместо равновесной температуры земной поверхности -23°С).
Над тропосферой до высоты 50-55 км лежит стратосфера. В этом слое находится наибольшее количество озона, который поглощает ультрафиолетовое излучение, вредное для жизни. Поглощая ультрафиолетовое излучение, озон нагревает стратосферу.
Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до 80 км. Здесь температура с высотой падает: от -2 до - 138 градусов Цельсия.
Термосфера - часть атмосферы над мезосферой, характеризующаяся очень высокими температурами (на высотах около 800 км она достигает 1000°). Воздух в ней обладает значительной ионизацией, при этом возникают заряженные атомы и свободные электроны. Термосфера обладает огромной электропроводностью, в ней наблюдаются полярное сияние, свечение ночного неба, колебания магнитного поля.
Выше 800-1000 км атмосфера переходит в экзосферу (сферу рассеяния) и постепенно в межпланетное пространство. Плотность воздуха здесь незначительна. Температура с высотой возрастает до +2000 °С.