- •Представления о происхождении Солнечной системы.
- •Значение изучения метеоритов и других планет для познания закономерностей развития Земли и общих законов формирования и развития планет.
- •Земля как планета.
- •Физические поля Земли.
- •Источники знаний о глубинном строении Земли.
- •Внутреннее строение Земли.
ЛЕКЦИЯ 1.2. ЗЕМЛЯ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Земля в составе солнечной системы
Строение Солнечной системы.
Земля – одна из планет в составе Солнечной системы. Что представляет из себя эта система в целом? Её составляют Солнце, а также большое число разнообразных космических тел, удерживаемых полем её тяготения. Солнце, в свою очередь, представляет собой одну из громадного множества звёзд, существующих во Вселенной. Звёзды группируются в обширные скопления – галактики. К настоящему времени астрономы насчитывают во Вселенной порядка 10 миллиардов галактик. К одному из таких звёздных скоплений – Галактики Млечного Пути – и принадлежит Солнце. Наша галактика представляет собой уплощённое спиралевидное скопление звёзд диаметром около 100 тысяч световых лет (световой год – это расстояние, которое проходит свет за 1 год, основная единица измерения расстояний в астрономии). Расположено Солнце на периферии галактики, на удалении около 2/3 радиуса от её центра. Здесь, в отличие от центральной части галактики, звёзды располагаются на большом удалении друг от друга. Вся галактика обращается вокруг своего центра, и Солнце участвует в этом движении вместе со всеми остальными объектами, составляющими Солнечную систему: планетами, их спутниками, астероидами, кометами и метеорами.
Основной компонент Солнечной системы – Солнце. Во-первых, на долю Солнца приходится 99,87% общей массы Солнечной системы. Поэтому, в соответствии с законом всемирного тяготения, именно Солнце занимает центральное место в системе, а меньшие тела (планеты, астероиды и кометы) движутся по околосолнечным орбитам. Во-вторых, процессы, протекающие на Солнце, являются основным источником энергии для всей системы в целом.
Планеты – второй по значимости компонент в Солнечной системе. Это космические тела сравнительно крупных размеров, имеющие сфероидальную форму и обращающиеся вокруг Солнца по слабо вытянутым эллиптическим орбитам. Планеты отличаются от Солнца, прежде всего малыми размерами, из чего вытекают и другие отличия. Масса планетных тел недостаточна для того, чтобы на них могли протекать реакции термоядерного синтеза, являющиеся источником энергии звёзд. Поэтому температура на планетах значительно ниже, и слагающее их вещество находится в ином состоянии. Если звёзды сложены горячим ионизированным газом (плазмой), то планеты слагаются (в разных соотношениях) более холодным твёрдым, жидким и газообразным веществом. В настоящее время известно 9 основных (так называемых «больших») планет. Это, в порядке удаления от Солнца, Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон.
Астероидами называют планетные тела небольших размеров. Основная их часть обращается вокруг Солнца по близким друг к другу орбитам, расположенным между орбитами Марса и Юпитера, где формируют так называемый пояс астероидов. Но некоторые из них вращаются по эксцентричным орбитам то, сильно приближаясь к Солнцу, то, удаляясь от него. Такие орбиты пересекают орбиты других планет, и есть немало геологических свидетельств неоднократных столкновений астероидов с большими планетами и их спутниками. Астероиды относительно крупных размеров, аналогично планетам, сфероидальны. Но мелкие астероиды имеют, как установлено, неправильную форму. По-видимому, многочисленные малые тела в поясе астероидов неоднократно сталкивались между собой и раскалывались от соударений, образуя обломки неправильной формы. Результатом таких соударений должно было становиться и изменение орбит части образовавшихся осколков – так появлялись астероиды с эксцентричными орбитами.
Спутники планет отличаются и от самих планет, и от астероидов тем, что обращаются не непосредственно вокруг Солнца, а вокруг планет. В целом космические тела этого типа имеют, в сравнении с планетами, меньшие размеры. Но эта разница не является абсолютной: самые крупные из спутников по размеру превосходят самые маленькие планеты. Но каждый спутник всегда по размеру меньше той планеты, вокруг которой он обращается (опять же в соответствии с законом всемирного тяготения). При этом порядок размеров материнской планеты и её спутника сопоставим лишь в одном случае: в паре Земля – Луна. Это позволяет многим специалистам рассматривать данную пару в особом ранге – как двойную планету.
Кометы – самые загадочные образования в составе Солнечной системы. Это тела очень небольших размеров, вращающиеся вокруг Солнца по крайне эксцентричным орбитам. Некоторые кометы приближаются к Солнцу даже ближе Меркурия, после чего возвращаются далеко за орбиту Плутона. Степень эксцентричности орбиты у каждой кометы совершенно индивидуальна, как и период обращения. Те кометы, которые были исследованы, представляют собой скопления замёрзших газов, в которые включены частицы пыли. Это – крайне неустойчивые образования. При их приближении к Солнцу газы начинают испаряться (это выражается в появлении у кометы характерного «хвоста»), и потому с каждым оборотом комета часть своей массы теряет. Расчёты показывают, что время «жизни» кометы на типичной для нее эксцентричной орбите может составлять до нескольких миллионов, максимум – первых десятков миллионов лет, что несопоставимо с возрастом Солнечной системы. Следовательно, они в ней должны откуда-то появляться (иначе уже давно ни одной кометы бы не осталось). Откуда же? Согласно одной из гипотез, выдвинутой голландским астрономом Я. Ортом, источник комет – целый пояс таких мелких газово-пылевых глыб, расположенный на дальней периферии Солнечной системы. В результате гравитационных воздействий (например, влияния ближайших к Солнцу других звёзд) отдельные глыбы могут сходить со своих стабильных орбит и переходить на нестабильные, на которых мы их и наблюдаем. Другое возможное объяснение в том, что кометы – это глыбы, захватываемые Солнцем из межзвёздного пространства в процессе его движения вокруг центра галактики. Не исключено, что могут существовать кометы различного происхождения. В частности, расчёты показывают, что при взрывных вулканических извержениях большой мощности на малых космических телах (например, спутниках планет-гигантов, где действительно обнаружены проявления активной вулканической деятельности) часть продуктов извержения может быть выброшена за пределы поля тяготения материнского тела и выйти на резко эксцентричную околосолнечную орбиту (гипотеза «эруптивных» комет, от английского eruption – взрыв). Пока в современной Солнечной системе такие кометы не обнаружены. Но есть геологические признаки того, что одна из крупных космогенных катастроф в истории Земли, произошедшая около 10000 лет назад, была вызвана столкновением с ней кометы такого типа.
Поскольку Земля принадлежит к числу планет, рассмотрим эту группу тел в составе Солнечной системы несколько подробнее. Сравнительная характеристика размеров планет приведена в таблице 1:
Таблица 1
Планета |
Диаметр в км |
Диаметр относительно диаметра Земли |
Меркурий |
4878 |
0,38 |
Венера |
12102 |
0,95 |
Земля |
12756 |
1,00 |
Марс |
6786 |
0,53 |
Юпитер |
142984 |
11,21 |
Сатурн |
120536 |
9,45 |
Уран |
51118 |
4,01 |
Нептун |
49528 |
3,88 |
Плутон |
2300 |
0,18 |
Для сравнения: Солнце имеет диаметр 1391980 км (109,12 диаметра Земли). Его объём многократно превосходит суммарный объём всех других тел Солнечной системы. Крупнейший астероид – Церера – имеет размер 960 км (0,07 диаметра Земли).
Плутон, по данным новейших исследований, оказался достаточно мелким телом (ещё 30 лет назад предполагали, что его размеры близки к размерам Земли, диаметр около 6000 км). Фактически по размерам он занимает промежуточное положение между астероидами и большими планетам. Высказывалось предположение, что Плутон – это, строго говоря, не самостоятельная планета, а «потерянный» спутник Нептуна. Есть также гипотеза о существовании за орбитой Нептуна целого пояса малых планетных тел, аналогичного поясу астероидов. Плутон, в таком случае – лишь одно из множества таких тел. В последние годы появляются сведения об обнаружении за орбитой Нептуна других планетных тел, подобных Плутону. Но эти данные ещё требуют подтверждения.
Сведения о массах планетных тел также удобно рассмотреть в их сравнении с таковыми для Земли:
Солнце – 330 000 масс Земли
Меркурий – 0,06
Венера – 0,81
Марс – 0,11
Юпитер – 318
Сатурн – 95
Уран – 14,5
Нептун – 17
Плутон – 0,002
Церера – 0,0002
Астероиды суммарно – 0,0015
Все спутники планет – 0,125
На Солнце, как уже было сказано, приходится 99,87% общей массы Солнечной системы. Из остатка в 0,13% основная часть приходится на самую крупную планету – Юпитер (0,1%). Но, как можно видеть, даже эта самая большая из планет по массе с Солнцем совершенно не сопоставима.
Распределение плотностей для больших планет:
Меркурий – 5,42 г/см3
Венера – 5,25
Земля – 5,52
Луна – 3,34
Марс – 3,94
Юпитер – 1,31
Сатурн – 0,69
Уран – 1,19
Нептун – 1,66
(точных данных по Плутону пока нет)
В целом наблюдается определённая тенденция уменьшения плотностей планет в направлении от внутренних (близких к Солнцу) к внешним. Из ближних к Солнцу планет явно «выбивается» из этого ряда Земля. Но если усреднить её плотность с плотностью Луны (их, напомним, можно рассматривать вместе как двойную планету), закономерность будет выдерживаться. Самая низкая плотность – у Сатурна (по образному выражению одного из астрономов, эту планету невозможно было бы утопить даже в керосине). А далее (у Урана и в ещё большей мере у Нептуна) она снова повышается.
Сравнение основных параметров – размеров, массы и плотностей – даёт основания разделять большие планеты на две группы. Первую образуют относительно близкие к Солнцу планеты: Меркурий, Венера, Земля с Луной и Марс. Они характеризуются сравнительно малыми размерами и относительно высокой плотностью. Их называют планетами земной группы. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун получили название планет-гигантов. Их отличают большие размеры и очень низкая плотность. Большую часть объёма этих планет составляют газы – на Уране и Нептуне они преимущественно замёрзшие. С последним фактом, видимо, связана и обратная тенденция к повышению плотностей у планет, наиболее удалённых от Солнца.
Представления о происхождении Солнечной системы.
1. Гипотезы Канта и Лапласа. Или «небулярные гипотезы» (от латинского nebula – туманность). Обе выдвинуты практически одновременно, на рубеже XVIII и XIX веков, немецким философом и естествоиспытателем Иммануилом Кантом и французским астрономом Пьером Лапласом. Основная суть – происхождение Солнца и планет из общей гомогенной массы первичного вещества в едином процессе. Оба автора опирались в построении модели развития Солнечной системы на известные в то время законы физики, в первую очередь – закон всемирного тяготения. Именно силы тяготения должны были обеспечить группировку огромного числа рассеянных пылевых частиц и газовых молекул в ограниченное количество космических тел. Нередко эти две гипотезы рассматривают как одну (гипотезу Канта – Лапласа). Но на самом деле это две самостоятельные гипотезы, которые, при всём их сходстве, различаются некоторыми существенными деталями. Главное отличие в том, что по И. Канту Солнечная система сформировалась из скопления холодного газа и пылевых частиц, изначально неподвижных. А по П. Лапласу – из раскаленного газового облака, которое вращалось.
Основная трудность, которую не смогли преодолеть ни И. Кант, ни П. Лаплас, ни их сторонники – несоответствие между моментами вращения Солнца и планет. По всем расчётам выходило, что если все элементы Солнечной системы возникли из первично единой «туманности», то и моменты их вращения должны были бы быть одинаковыми. Поэтому многие авторы в попытке устранить данное несоответствие, выдвигали другие гипотезы. Эти иные гипотезы, при всём их разнообразии, можно объединить в одну группу.
2. Гипотезы образования планетной системы как случайного события:
- гипотеза Бюффона (планеты образовались в результате выброса солнечного вещества от падения на Солнце кометы);
- гипотезы Чемберлена, Мултона, Джинса – различные вариации на тему образования планет в результате выброса солнечного вещества в результате взаимодействия сблизившихся или столкнувшихся звёзд;
- гипотеза Шмидта – образование планет в результате захвата Солнцем изначально чужеродной ему газово-пылевой туманности.
Общее для всех этих гипотез – представление об образовании Солнечной системы как о случайном событии. Большинство из них опровергнуты как несостоятельные. Кометы слишком малы, чтобы их взаимодействие с Солнцем могло привести к столь значительным последствиям. Воздействие на Солнце другой звезды может оказать влияние, но, по всем расчётам, формирование в результате Солнечной системы в известной нам форме невозможно. Хотя отрыв части солнечного вещества при сближении с другой звездой достаточно вероятен, формирование из него планетных тел, находящихся на устойчивых орбитах, возможно в очень узком диапазоне условий, и при том все орбиты будут находиться лишь внутри современной орбиты Меркурия.
Аргументов, безусловно опровергающих гипотезу Шмидта, нет. Но многих учёных в ней не удовлетворяет уже то, что формирование у звёзд планетных систем не рассматривается как закономерный процесс. И, следовательно, наличие у звезды планетной системы должно рассматриваться как редчайшее исключение. Между тем, новейшие астрономические данные говорят о наличии планет у ряда ближайших к нам звёзд, и нет оснований полагать, что и в более отдалённых частях Вселенной картина будет принципиально иной. К тому же, данные космохимии свидетельствуют о том, что, если взять только так называемую каменно-металлическую составляющую вещества Солнца и планет, то соотношение химических элементов в ней оказывается очень сходным. А это тоже заставляет считать более вероятным изначальное родство между Солнцем и окружающими его планетными телами.
3. Возрождение небулярной гипотезы произошло в середине XX в. и является заслугой шведского астронома Ханнеса Альвена. Он нашёл новый путь к разрешению проблемы несоответствия между угловыми скоростями вращения Солнца и планет. Статья Х. Альвена, опубликованная в 1942 г, поначалу осталась не замеченной (общественности, в том числе и научной, было не до этого). Но с 1950-х гг его идеи постепенно завоёвывают признание. В результате все современные модели происхождения Солнечной системы представляют собой развитие этих идей.
Х. Альвен доказал, что при взаимодействии Солнца с окружающим облаком ионизированного газа должны происходить не только гравитационные, но и магнитные взаимодействия, в результате которых вращение Солнца будет замедляться, а газового облака – ускоряться. Последнего ни И. Кант, ни П. Лаплас учесть в принципе ещё не могли, так как изучение физики электромагнитных явлений в их времена находилось в самом зачаточном состоянии. При этом расчёты показывают, что формирование планетных тел только из газов невозможно. Но достаточно наличия небольшого количества пылевых частиц, чтобы «процесс пошёл». Если считать, что исходная газово-пылевая туманность была единой по составу, можно рассчитать соотношение газовой и пылевой фракций по современному химическому составу Солнца. На газы придётся 98%. Остальное – пылевые частицы трёх видов: льдинки (замерзшие газы – вода, аммиак, метан и др.), минеральные частицы на кремнекислородной (силикатной) основе, металлические частицы.
Следующая стадия процесса – аккреция (слипание) этих частиц. Буквально – «приращение» (термин применяется и к другим процессам увеличения какого-либо объекта за счёт присоединения к нему новых составных частей). В настоящее время предложено несколько различных вариантов реконструкции хода этого процесса, и именно в этой части современные модели разных исследователей в наибольшей мере расходятся. Модели аккреции разработаны ещё в рамках гипотез «случайного» образования Солнечной системы, так что эти отвергнутые идеи всё же внесли свой весомый вклад в создание современных представлений о происхождении планетных систем.