1. Земля как планета солнечной системы

Состав Солнечной системы: Солнце, планеты, астероиды, метеорные тела, кометные ядра, космическая пыль. Если не говорить о Солнце, в свете которого меркнет все, то главными членами Солнечной системы являются планеты. Планеты являются вторыми по значимости, потому что они - самые массивные тела, находящиеся на орбитах вокруг Солнца. Планеты и астероиды движутся вокруг Солнца по орбитам, лежащим близко к плоскости земной орбиты и солнечного экватора и в том же направлении, что и Земля. Орбиты больших планет лежат в пределах 40 а.е. от Солнца, хотя область гравитационного влияния Солнца намного больше. Кометы, наблюдаемые внутри Солнечной системы, возможно, происходят из облака Оорта, находящегося на расстоянии многих тысяч астрономических единиц.

Планеты в Солнечной системе собрались в две компании. Более близкой к Солнцу является четверка планет земной группы. Они получили своё название за сходство с нашей планетой Земля. На уже почтенных расстояниях от центрального светила расположились планеты-гиганты. Их тоже четыре.

Планеты земной группы

К планетам земной группы относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс (в порядке удаленности от Солнца). При исследовании этих планет выяснилось, что все они обладают малыми размерами и, главное, массами. Самая массивная из планет земной группы - Земля - в 330 000 раз легче Солнца. Однако плотность планет земной группы довольно велика: в среднем, она в пять раз больше плотности воды.

Обратите внимание на то, как Солнце расположено относительно центра орбит. Видно, что для орбит Земли и Венеры Солнце находится почти в центре. По меньшей мере, на глаз увидеть то расстояние, на которое Солнце от центра отстоит, трудно. Для Меркурия и Марса очевидна эллиптичность их орбит, от центра которых Солнце заметно удалено.

У планет есть атмосферы: довольно плотная у Венеры и почти незаметная у Меркурия. Можно даже сказать, что Меркурий атмосферы не имеет. Земля в этом показателе ближе к Венере, а Марс занимает промежуточное положение между нашей планетой и Меркурием. Состоят эти атмосферы из веществ, молекулы которых относительно тяжелы. В атмосферах Земли, Венеры, Марса можно обнаружить углекислый газ, водяные пары, азот. Схож и химический состав планет первой четвёрки. Они, в основном, состоят из соединений кремния (силикатов) и железа. Остальные элементы, конечно, тоже присутствуют, но их относительно немного.

Строение планет земной группы также одинаково. В центре планет есть железные ядра разной массы.

У этих планет есть магнитные поля: почти незаметное у Венеры и ощутимое у Земли. Меркурий и Марс обладают магнитными полями средней напряжённости.

Наконец, планеты земной группы бедны естественными спутниками - ещё одним типом небесных тел, населяющих Солнечную систему. Эти тела вращаются не вокруг Солнца, а вокруг планет. В этом смысле, планеты являются спутниками Солнца. Так вот, на четыре планеты земной группы приходится всего три спутника: один большой у Земли и два крохотных у Марса.

Планеты-гиганты или планеты юпитерианской группы

Планеты-гиганты расположились за орбитой Марса. Это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Уже давно астрономы знают, что планеты-гиганты гораздо больше и массивнее планет земной группы. Самый лёгкий гигант - Уран - в 14,5 раза массивнее Земли. В то же время, плотность планет гигантов в 3-7 раз уступает плотности планет земной группы.

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

Сейчас астрономам известны девять больших планет. Однако планет земной группы и планет-гигантов набирается лишь восемь. Девятой планетой почти по всем статьям является Плутон - девятая по удалённости, девятая по массе и размерам. Она не подходит ни к одной из групп, описанных выше. Плутон - крохотный ледяной шар, с атмосферой из тяжёлых газов. Он больше походит на некоторые спутники планет-гигантов, причём кое-каким из них уступает в массе и размерах (масса Плутона составляет менее одной пятой массы Луны. Плотность Плутона примерно в два раза больше плотности воды).

Солнце

M_s = 1,99 10³⁰ кг Т_пов = 6000 К

R_s = 6,96 10⁸ м T_цент =1,5 10⁷ К

Р_цент =2 10¹⁶ Па

Ρ_ср =1,41 г/см³, но ρ = 2 10^-5 г/см³ при r = 0,995 R_s

Светимость L = 3,83 10²⁶ Дж/с

Солнечная постоянная S = L/(4π r₀²) = 1362 Вт/м² , где r₀ = 1,496 10¹¹ м = 1 а.е.

Планеты

Планета	а, а.е.	Т, лет	е	i, град	R,км	ρ, г/см^3	m	Число спутн.
Меркурий Венера Земля Марс Юпитер Сатурн Уран Нептун	0,39 0,72 1,00 1,52 5,20 9,54 19.19 30,07	0,24 0,61 1,00 1,88 11.86 29,46 84,02 164,78	0,206 0,007 0,017 0,093 0.048 0,054 0,046 0,008	7,0 3.4 0,0 1,8 1,3 2,9 0,8 1,8	2440 6050 6371 3397 69900 58000 25400 24300	5,5 5,2 5,5 3,9 1,3 0,7 1,4 1,6	0,06 0,82 1,00 0,11 318 95,2 14,6 17,2	Нет Нет 1 2 67 62 27 14

Число спутников – на начало 2014 г.

Здесь: a – среднее расстояние от Солнца (в а.е.); Т – сидерический период обращение вокруг Солнца; e – эксцентриситет орбиты; i – наклон орбиты к плоскости эклиптики; R – средний радиус; ρ – средняя плотность; m – масса планеты в единицах земных масс (масса Земли M = 5,974 10²⁴ кг). Все планеты по своим орбитам движутся в одну сторону: против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса эклиптики.

Планеты земной группы и планеты гиганты.

Астероиды (малые планеты)

Диаметр от сотен метров до 1000 км. Два пояса астероидов: так называемый Главный, между орбитами Марса и Юпитера (гипотетический Фаэтон) и пояс Койпера за орбитой Нептуна, который по массе значительно превосходит Главный пояс. Орбиты большинства астероидов имеют большие эксцентриситеты. Астероид Икар в своем движении попадает даже внутрь орбиты Меркурия. Самый крупный известный астероид – Церера, его диаметр около 1000 км.

За свою историю Земля многократно испытывала столкновения с достаточно крупными астероидами. Следы этих столкновений – кратеры (астроблемы). Один из самых крупных кратеров – Чиксулуб (юг Мексики, диаметр 180 км). Время образования – 65 млн. лет назад ( в конце мезозоя, начале кайнозоя), когда с поверхности Земли исчезло более 2/3 биоты. 230 млн. лет (в триасе) назад исчезло вообще 80-90% биоты. И это тоже коррелирует со временем образования нескольких крупных астроблем (кратер Маникуаган, Канада, диаметр 100 км и др.). Проблема астероидной опасности. Мониторинг. Эмпирический период столкновения с крупным астероидом (диаметром несколько км) около 30-40 млн. лет. Типичный случайный процесс.

Метеорные тела (не путать с метеоритами и метеорами)

Кометные ядра

Гипотетический пояс Оорта (за орбитой Плутона). Это огромное вместилище, которое хранит в себе кометные тела, и которое под воздействием сближающихся с Солнцем гигантских газо-пылевых облаков или звезд видоизменяют свои орбиты и проникают во внутреннюю часть нашей Солнечной системы Периодические кометы (порядка сотни широко известных, комета Галлея, в частности).

Пояс Койпера - это дискообразная область, находящаяся за орбитой Нептуна примерно от 30 до 100 АЕ от Солнца, содержащая множество маленьких ледяных тел. Сейчас ее рассматривают как источник короткопериодических комет.

Космогонические гипотезы

Две группы гипотез: гипотезы горячего и холодного происхождения планет. Кант-Лаплас (XVIII век) – небулярная гипотеза (небула – туманность). Из горячего облака одновременно образовались и Солнце и планеты.

В 1944 г. О.Ю. Шмидт выдвинул гипотезу о холодном происхождении планет (Солнце прихватило по пути холодное облако). Научная школа в ИФЗ, Софронов и др. Много надуманного и противоречащего наблюдательным данным астрономии, астрофизики, да и физике слипания частиц.

Планетные системы – это не редкость, а обычное явление. Открытых в настоящее время планетных систем перевалило за сотню. Правда, почти все они – планеты-гиганты (типа Юпитера).

Физические характеристики Земли

Масса М = 5,974 10²⁴ кг

Средняя плотность ρ = 5,514 10³ кг/м³ (плотность земной коры в среднем (2,7–2,9) 10³ кг/м³).

Экваториальный радиус а = 6378,140 км, полярный радиус с = 6356,755 км, средний радиус R = 6371 км.

Экваториальный момент инерции А = 8,012 10³⁷ кг м², полярный момент инерции

С = 8,038 10³⁷ кг м² .

Угловая скорость суточного вращения Ω = 7,292115 10^-5 рад/с

P_s = 86164 c – сидерические (звездные) сутки

P₀ = 86400 c – средние солнечные сутки

Земля – уникальная планета. Расстояние до Солнца (инсоляция), осевое вращение, наклон оси вращение к эклиптике, атмосфера, содержание в ней кислорода и т.д. Только эти ее особенности создали условия для существования на ней белковой жизни.

Возраст Земли и геохронологическая шкала

Радиоактивные методы абсолютного датирования горных пород. Уран, торий, калий и другие радионуклиды земной коры.

Уравнение радиоактивного распада

dN/dt = –N

N – число (концентрация) радиоактивных ядер на данный момент времени,  – постоянная ядерного распада (с^-1). Отсюда

N(t) = N₀ exp(–t),

N₀ – начальная концентрация радионуклида. Для N = N₀/2 получаем

t = T_1/2 = ln2/ – период полураспада.

Начальная концентрация, естественно, неизвестна, а можно измерить текущую концентрацию N радионуклида и концентрацию N₁ продукта его распада:

N₁ = N₀ – N = N e^t – N = N(e^t – 1),

N₁/N = e^t – 1.

Отсюда по известным N₁, N и  можно вычислить t.

Радиоизотоп	, с^-1	, лет^-1	T1/2, лет
^238U ^235U ^232Th ^40K ^14С	4,9 10^-18 3,1 10^-18 1,6 10^-18 1,7 10^-1^7	1,5 10^-10 9,7 10^-11 4,9 10^-1^1 5,3 10^-10	4,5 10^9 7,1 10^9 1,4 10^10 1,3 10^9 5730

Большие (порядка млрд. лет) периоды полураспада у трансурановых элементов, однако надо как-то учитывать естественное содержание их продуктов распада в горных породах. На практике поэтому чаще используют не уран-ториевые методы определения абсолютного возраста, а калий-аргоновый и рубидий-стронцевый методы. Современные масс-спектрометры позволяют определять мизерное содержание в породах даже радионуклидов-лантаноидов (редкоземельных). Самарий-неодимовый метод (Т_1/2 = 10⁹ лет). Главное достоинство – геохимическая идентичность радионуклида (самария) и продукта его распада (неодима).

Сравнительно недавно (несколько десятилетий назад) обнаружены остатки древнейшей земной коры. Это образования типа «серых гнейсов» и зеленокаменные пояса. Возраст этих пород достигает 3,9 млрд. лет. Такие породы обнаружены на Балтийском, Украинском, Алданском щитах, на юге Енисейского кряжа (Канская глыба) и в других районах земного шара. 3,9 млрд. лет назад – это начало геологической истории, но история Земли началась раньше – примерно 4,6 млрд. лет назад. Это следует из других, в том числе и негеологических, фактов. Возраст метеоритов, образцов лунного грунта, теоретические модели формирования планеты из протопланетного облака и т.д.

Советую почитать: В.Е. Хаин, Н.А. Божко «Историческая геотектоника. Докембрий». – М.: Недра, 1988.

Кайнозой + Мезозой + Палеозой = Фанерозой (большое количество органических остатков, эра жизни)

Протерозой + Архей + Катархей = Криптозой или докембрий (мало органических остатков).

Геохронологическая шкала (упрощенный вариант)

Эра	Период Эпоха		Начало млн. лет		Продолжит. млн. лет
Кайнозойская Кайнозой Cenozoic (млекопитающие)	Четвертичный Quaternary (Q)	Голоцен	0,01	1,64
		Плейстоцен	1,64
	Третичный Tertiary (T)	Неоген	23,3	63
		Палеоген	65,0
Мезозойская Мезозой Mesozoic (пресмыкающиеся)	Меловой (Мел) Cretaceous (K)		146		81
	Юрский (Юра) Jurassic (J)		208		62
	Триасовый (Триас) Triassic (Tr)		245		37
Палеозойская Палеозой Paleozoic (беспозвоночные)	Пермский (Пермь) Permian (P)		290		45
	Каменноугольный (Карбон) Carbonierous (C)		362,5		73
	Девонский (Девон) Devonian (D)		408,5		46
	Силурский (Силур) Silurian (S)		439		31
	Ордовикский (Ордовик) Ordovican (O)		510		71
	Кембрийский (Кембрий) Cambrian (Cm)		570		60
Протерозойская Протерозой	Вендский (Венд) Vendian (V)		800
	Рифейский (Рифей) Riphean (Rf)		1650
	Ранний протерозой		2500
Архейская Архей			4000
Катархей			4600

Физический состав Земли

По сути дела более или менее определенно можно говорить только о составе земной коры. В ней обнаружено около 300 изотопов различных химических элементов.

Почти 99,5% состава земной коры определяют всего 9 элементов:

O – 47%; Si – 29%; Al – 8%; Fe – 5%; Ca – 3%; Na – 2,5%; K – 2,5%; Mg – 2%; Ti – 0,5%.

Земная кора состоит в основном из легкоплавких силикатов, алюмосиликатов и других окислов:

SiO₂ – 58%; Al₂O₃ – 15%; FeO и Fe₂O₃ – 8%; CaO – 6%; MgO – 4%; Na₂O – 4% и т.д.

Проценты округлены.

Далее мы увидим, что и по плотности и по другим физическим свойствам земная кора сильно отличается от более глубоких геосфер. Имеются все основания предполагать, что она является вторичным образованием, результатом дифференциации вещества первичной однородной Земли. И эта дифференциация началась где-то на рубеже 4 млрд. лет назад. Однако вопрос о формировании земной коры (отдельно континентальной, отдельно океанической) тесно связан с проблемой глобальной эволюции Земли.

Физический состав глубинных недр Земли и по настоящее время является предметом дискуссий. Большинство геофизиков придерживается мнения, что до глубины примерно 2900 км земные недра имеют также как и земная кора преимущественно силикатный состав.

Согласно сейсмическим и геомагнитным данным у Земли имеется жидкое ядро диаметром около 3500 км, плотность которого в среднем около 10 г/см³. Считают, что такое тяжелое ядро содержит значительное количество расплава железа или его соединений с кислородом или с другими элементами.

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. Посчитать и сравнить ускорения силы тяжести вблизи поверхностей Солнца, Юпитера и Марса.

2. Примерно раз в 170 лет большие планеты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) располагаются в довольно узком секторе по одну сторону от Солнца. Такие события называют «великим противостоянием планет». Вычислить, насколько при таком событии сместится центр тяжести Солнечной системы относительно центра Солнца. Ответ дать в солнечных радиусах.

3. Посчитать, какая энергия выделится при столкновении Земли с астероидом диаметром 100 км. Скорость столкновения принять равной 30 км/с (это орбитальная скорость Земли), плотность астероида – 5 г/см³. Сравнить эту энергию с энергией катастрофических землетрясений и извержений вулканов (порядка 10¹⁸–10¹⁹ Дж).

4. В результате масс-спектрометрических измерений было установлено, что отношение концентрации аргона к концентрации калия–40 в исследуемой горной породе составляет 0,05436. Вычислить возраст породы.

5. Вычислить момент инерции Земли как однородного шара. Сравнить с известной величиной . Дать объяснение полученному расхождению.