Вопрос №15. Количество и размеры метеоритных частиц, выпадающих на Землю. Метеоритные кратеры на Земле и других планетах. Падение метеоритов и глобальные вымирания.
Количество и размеры метеоритных частиц, выпадающих на Землю. Общий поток внеземного вещества, поступающего на Землю, оценивается в диапазоне от 100 до 1000 тонн в сутки. Даже если принять максимальную из этих оценок (1000 тонн в сутки), то и в этом случае за один миллиард лет на поверхности Земли накапливается слой мощностью лишь около двадцати сантиметров. Поток падающего на нашу планету внеземного вещества, по-видимому, убывает с течением геологического времени, но в любом случае практически на всём протяжении геологической истории (кроме самых ранних этапов) он был ничтожен и фактически никак не сказывался на геологических процессах, идущих на нашей планете.
Размеры падающих на Землю тел, в принципе, могут любыми – от астероидов, размер которых измеряется километрами, до мельчайших пылинок. Метеорные тела вторгаются в земную атмосферу со скоростями, превышающими вторую космическую скорость (11,2 км/с). Они испытывают очень сильное торможение и соответствующий разогрев при прохождении через атмосферу, и большинство из них полностью «сгорают», не долетев до земной поверхности. Впрочем, образующиеся при этом мельчайшие переплавленные частички потом всё равно оседают на земную поверхность. По самым оптимистическим оценкам до земной поверхности долетает в виде метеоритов лишь около одного процента от того вещества, которое в настоящее время падает на нашу планету из космоса.
Долетит метеорит до земной поверхности или нет, зависит, прежде всего, от его первоначальной массы и от скорости, с которой он вошёл в земную атмосферу, а также от его состава и механической прочности (железные метеориты более прочные, чем каменные). Считается, что в земной атмосфере полностью «сгорают» даже самые медленные метеориты, масса которых при входе в земную атмосферу составляла не более 30 кг. Считается также, что в земной атмосфере полностью «сгорают» даже многотонные метеориты, скорость которых при входе в земную атмосферу превосходила 22 км/с.
Метеоритные кратеры на Земле и других планетах. Очень крупные тела, масса которых измеряется многими тысячами тонн и более, достигают земной поверхности, даже если их скорость была значительно выше 22 км/с. При этом, столкновение с земной поверхностью происходит с высокой скоростью, измеряемой многими км/с. В результате удара происходит сильный взрыв и образуется ударный кратер. Размеры кратеров зависят от скорости и массы падающего тела, точнее, от его кинетической энергии в момент удара.
В настоящее время на Земле обнаружено около 180 ударных кратеров, из них 19 – на территории Российской Федерации. Самый большой кратер в нашей стране – кратер Попигай диаметром около 100 км находится на границе Красноярского края и Якутии. Самый близкий к Санкт-Петербургу – кратер Янисъярви диаметром около 14 км находится в Северном Приладожье (Карелия).
Кратеры на Земле в геологическом смысле недолговечны, так как они уничтожаются различными геологическими процессами. Они могут быть полностью стёрты в результате эрозии, перекрыты более поздними осадочными породами, или разрушены в ходе горообразования. Так как Земля очень активна в геологическом отношении, то кратеров на ней мало.
Большинство других тел Солнечной системы, имеющих твёрдую поверхность, напротив, испещрены кратерами (Луна, Марс, Меркурий, многие спутники планет-гигантов). Интенсивная бомбардировка поверхности этих тел произошла на самой раннем этапе истории Солнечной системы. Если же поверхность какого-либо космического тела в дальнейшем была полностью или частично «обновлена», то кратеров на таких поверхностях немного. В качестве примеров можно привести залитые базальтами лунные «моря», заливавшиеся водными потоками крупные площади на Ганимеде (спутник Юпитера). Мало кратеров на Венере, их практически нет на Ио и Европе (спутники Юпитера), что свидетельствует о продолжающихся на поверхности этих тел активных процессах.
Падение метеоритов и глобальные вымирания. Глобальные катастрофы, вызванные ударами комет или астероидов, неоднократно происходили в геологическом прошлом. Одна из самых крупных катастроф произошла 65 миллионов лет назад (на границе мела и палеогена), в результате которой мгновенно исчезли многие группы животных, в том числе и динозавры. Причиной массовой гибели животных стал не сам взрыв, а его экологические последствия. Считается, что в результате взрыва в атмосферу было выброшено огромное количество пыли, которая оседала в течение многих месяцев или даже нескольких лет. Атмосфера на какое-то время стала менее прозрачной для солнечных лучей, что привело к короткому, но очень резкому похолоданию и массовой гибели растений, а значит и животных вследствие нарушения всех пищевых цепочек.
Одним из доказательств того, что первопричиной массового вымирания животных 65 миллионов лет назад был именно удар астероида, является наличие так называемой иридиевой аномалии. В осадочных породах на границе мела и палеогена по всему земному шару обнаруживаются резко повышенные концентрации иридия – химического элемента, малораспространённого в земной коре, но в значительных количествах отмечающегося в метеоритах. В начале 90-х годов XX века был найдены следы кратера, который, как считается, образовался в результате этого удара. Это кратер Чиксулуб в Мексике. Его возраст – 65 миллионов лет, а диаметр – около 170 километров. Он расположен на полуострове Юкатан, причем большая часть окружности этого кратера находится не на суше, а на мелководье Мексиканского залива. Астероид, вызвавший образование этого кратера должен был иметь в поперечнике около десяти километров.
Тема «НОВЫЕ ДАННЫЕ КОСМИЧЕСКИХ МИССИЙ ПОСЛЕДНИХ ДЕСЯТИЛЕТИЙ.»
Вопрос №16 Новые данные о строении Вселенной. Новые данные о Марсе – происхождение марсианских ландшафтов, вода на Марсе. Новые данные о других планетах Солнечной системы и их спутниках. Новые данные о кометах и метеоритах и метеоритная опасность.
Вселенная — это окружающий нас материальный мир, безграничный во времени и пространстве. Границы Вселенной скорее всего будут раздвигаться по мере появления новых возможностей непосредственного наблюдения, т.е. они относительны для каждого момента времени.
Вселенная — это нестационарный объект, состояние которого зависит от времени. Согласно господствующей теории, в настоящее время Вселенная расширяется: большинство галактик (за исключением ближайших к нашей) удаляются от нас и друг относительно друга. Скорость удаления (разбегания) тем больше, чем дальше находится галактика — источник излучения. Эта зависимость описывается уравнением Хаббла:
v = HR,
где v — скорость удаления, км/с; R — расстояние до галактики, св. год; Н — коэффициент пропорциональности, или постоянная Хаббла, Н= 1510-6 км/(ссв. год). Установлено, что скорость разбегания возрастает.
Одним из доказательств расширения Вселенной служит «красное смещение спектральных линий» (эффект Доплера): спектральные линии поглощения в удаляющихся от наблюдателя объектах всегда смещаются в сторону длинных (красных) волн спектра, а приближающихся — коротких (голубых).
Спектральным линиям поглощения от всех галактик присуще смещение в красную сторону, а значит, имеет место расширение.
Распределение плотности вещества в отдельных частях Вселенной различается более чем на 30 порядков. Самая высокая плотность, если не принимать во внимание микромир (например, атомное ядро), присуща нейтронным звездам (около 1014 г/см3), самая низкая (10 -24 г/см3) — Галактике в целом.
Из общей массы вещества Вселенной только около 1/10 является видимым (светящимся), остальные 9/10 — невидимое (несветящееся) вещество. Видимое вещество, о составе которого можно уверенно судить по характеру спектра излучения, представлено в основном водородом (80—70%) и гелием (20—30%). Других химических элементов в светящейся массе вещества настолько мало, что ими можно пренебречь. Во Вселенной не обнаружено значительного количества антивещества, за исключением малой доли антипротонов в космических лучах.
Вселенная заполнена электромагнитным излучением, которое называют реликтовым, т.е. оставшимся от ранних стадий эволюции Вселенной.
В глобальном масштабе Вселенная считается изотропной и однородной.
Другой особенностью Вселенной является неоднородность и структурность (дискретность) в малом масштабе. Структурными элементами Вселенной являются космические тела, прежде всего звезды, образующие звездные системы разного ранга: галактика — скопление галактик — Метагалактика, Для них характерны локализация в пространстве, движение вокруг общего центра, определенная морфология и иерархия.
Галактика Млечного Пути состоит из 1011 звезд и межзвездной среды. Она принадлежит к спиралевидным системам, которые имеют плоскость симметрии (плоскость диска) и ось симметрии (ось вращения). Сплюснутость диска Галактики, наблюдаемая визуально, свидетельствует о значительной скорости ее вращения вокруг оси. Абсолютная линейная скорость ее объектов постоянна и равна 220—250 км/с (возможно, что она возрастает для очень удаленных от центра объектов). Период вращения Солнца вокруг центра Галактики составляет 160—200 млн лет (в среднем 180 млн лет) и называется галактическим годом.
Солнечная система - это Солнце и совокупность небесных тел: 9 планет и их спутников, множество астероидов, комет и метеоров, которые вращаются вокруг Солнца или заходят (как кометы) в Солнечную систему.
Солнце представляет собой раскаленный газовый шар, в составе которого обнаружено около 60 химических элементов. Солнце вращается вокруг своей оси в плоскости, наклоненной под углом 7°15' к плоскости земной орбиты. Источником энергии Солнца являются ядерные реакции, преобразующие водород в гелий. На Землю поступает всего одна двухмиллиардная часть солнечной энергии.
Солнце имеет оболочечное строение. В центре выделяют ядро с температурой более 15 млн К и плотностью в 150 раз больше плотности воды. В ядре генерируется почти вся энергия Солнца. Выше располагается зона конвекции (перемешивания), в которой вещество приходит в движение вследствие неравномерности переноса тепла (процесс, аналогичный переносу энергии в кипящем чайнике). Видимая поверхность Солнца образована его атмосферой. Ее нижняя часть мощностью около 300 км, излучающая основную часть радиации, называется фотосферой. Над фотосферой до высоты 14 тыс. км располагается хромосфера. Во время полных лунных затмений она видна как розовый нимб, окружающий темный диск. Самая внешняя и самая разреженная часть солнечной атмосферы — солнечная корона — простирается на расстояния в несколько десятков солнечных радиусов. Температура здесь превышает 1 млн град.
Планеты земной группы - Меркурий, Венера, Земля, Марс имеют относительно небольшие размеры, высокую плотность и внутреннюю дифференциацию вещества. Их отличает повышенная концентрация углерода, азота и кислорода, недостаток водорода и гелия. Для планет земной группы характерна тектоническая асимметрия: структура коры северных полушарий планет отличается от южных.
Меркурий — самая близкая к Солнцу планета. Среди планет Солнечной системы ее отличает самая вытянутая эллиптическая орбита. Магнитное поле Меркурия в 100 раз слабее земного, что в значительной степени связано с медленным вращением планеты вокруг своей оси.
Венера оборачивается вокруг своей оси еще медленнее (за 244 земных дня), чем Меркурий, причем в обратном направлении, поэтому Солнце на Венере восходит на западе и заходит на востоке. Для Венеры характерна очень плотная атмосфера.
Земля — третья от Солнца и самая крупная из планет земной группы. Вместе со своим спутником Луной она образует систему — двойную планету. ( след. билет.)
Марс. Марсианские сутки длиннее земных, а солнечной энергии к нему поступает в 2,3 раза меньше по сравнению с Землей. Период обращения вокруг оси почти как у Земли. Наклон оси к плоскости орбиты обеспечивает смену сезонов года и наличие «климатических» поясов — жаркого экваториального, двух умеренных и двух полярных. Марс обладает двумя спутниками — Фобосом и Деймосом , которые, очевидно, являются осколками астероидов.
Планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, и Плутон заметно отличаются от планет земной группы. Удаленность этих планет от Солнца позволила им сохранить значительное количество первичного водорода и гелия, потерянных планетами земной группы под воздействием «солнечного ветра» и из-за недостаточности собственных гравитационных сил. Хотя плотность вещества внешних планет невелика (0,7—1,8 г/см3), объемы и массы их огромны.
Юпитер - самая крупная планета с характерными пятнами и полосами на поверхности. Юпитер обладает мощной атмосферой и сильным магнитным полем. По мнению некоторых ученых, Юпитер выполняет в Солнечной системе роль своеобразного «пылесоса» — его мощное магнитно-гравитационное поле перехватывает блуждающие во Вселенной кометы, астероиды и другие тела. На начало 2003 г. число спутников Юпитера достигло 48.
Сатурн. Отличительной особенностью Сатурна является кольцо, расположенное выше облачного слоя атмосферы. По наблюдениям с космических станций установлено, что кольцо состоит из ряда мелких колец, находящихся на разном расстоянии друг от друга. Вещество колец представлено твердыми обломками, очевидно, силикатных пород и ледяных глыб размером от пылинки до нескольких метров. Вблизи Сатурна обнаружено 30 спутников (по состоянию на 2002 г.).
Уран. В плотной атмосфере Урана, мощность которой 8500 км, обнаружены кольцевые образования, пятна, вихри, струйные течения, что свидетельствует о неспокойной циркуляции воздушных масс. Вокруг планеты обнаружены 10 колец, состоящих из частиц около 1 м в диаметре. Внутри колец движутся каменные глыбы неправильной формы и диаметром 16—24 км, названные спутниками-«пастухами».
Нептун — самая удаленная от Солнца планета. Облака атмосферы образованы в основном метаном. В верхних слоях атмосферы наблюдаются потоки ветра, несущегося со сверхзвуковой скоростью. Это означает существование в атмосфере градиентов температуры и давления, вызванных, видимо, внутренним разогревом планеты. Нептун имеет 8 каменных спутников.
Плутон — самая дальняя из планет, открыта в 1930 г., не принадлежит к планетам-гигантам. Его масса в 10 раз меньше земной. Поверхность планеты, очевидно, ледяная. У Плутона есть единственный спутник Харон.
Луна — спутник Земли, вращающийся от нее на расстоянии 384 тыс. км. Вид Луны для земного наблюдателя постоянно меняется в соответствии с ее фазами — новолуние, первая четверть, полнолуние, последняя четверть. Период полной смены лунных фаз называется синодическим месяцем, который в среднем равен 29,53 земных суток. Лунная поверхность представляет собой чередование темных участков — «морей», соответствующих плоским равнинам, и светлых участков — «материков», образованных возвышенностями. (образцы верхнего слоя лунного грунта — реголиты) У Луны не обнаружено собственного дипольного магнитного поля. По химическому составу лунные породы близки к земным. Небольшая масса позволяет Луне удерживать лишь очень разреженную атмосферу, состоящую из гелия и аргона.
Астероиды. Своеобразной границей между планетами является пояс астероидов (малых планет) — скопление твердых космических тел разного размера, свидетельствующих либо о разрушении былой планеты Фаэтон, либо о нереализованных возможностях образования еще одной планеты. В настоящее время в каталогах зарегистрировано свыше 2000 относительно крупных астероидов (Церера, Паллада, Веста и др.). Большинство астероидов располагается в главном поясе между орбитами Марса и Юпитера.
Тема «ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ»
Вопрос №17. Мощность, состав и реологические свойства внутренних оболочек Земли.
В вертикальном разрезе мантию иногда подразделяют на верхнюю мантию (от границы с корой до 400 км), где плотность пород растет плавно; переходную зону (400-1000 км), где происходят небольшие скачки плотности, связанные с фазовыми превращениями минералов; и нижнюю мантию (1000-2900 км), где плотность снова растет плавно.
Вопрос №18. Основные границы внутренних оболочек и способы их изучения (P и S волны и их характеристики).
Наиболее важными для изучения внутреннего строения Земли являются так называемые P-волны (продольные) и S-волны (поперечные).
В случае продольных P-волн частицы среды колеблются вдоль направления движения волны. При этом создаются участки сжатия и растяжения, распространяющиеся во все стороны от очага землетрясения. Продольные P-волны распространяются и в твердой, и в жидкой, и в газообразной средах, и являются, по существу, обычными звуковыми волнами.
Продольные P-волны являются самыми быстрыми из всех сейсмических волн – им нужно лишь двадцать минут, чтобы пересечь весь земной шар по диаметру.
В случае поперечных S-волн частицы породы колеблются в направлении, перпендикулярном направлению движения волны. Поперечные S-волны распространяться лишь в твердых телах. Вытекающая из рисунка аналогия поперечных S-волн с морскими чисто внешняя - в жидкой (и в газообразной) среде поперечные S-волны не распространяются. Еще в начале XX века было установлено, что поперечные S-волны не проходят через центральную область нашей планеты - ее ядро, что свидетельствовало о его жидком (расплавленном) состоянии. Поперечные S-волны примерно в 1,7 раза медленнее, чем продольные P-волны.
Кропотливый математический анализ хода сейсмических волн, возникающих при сильных землетрясениях и зарегистрированных сейсмостанциями, расположенными по всему миру, позволил определить, какую скорость имеют сейсмические волны на разных глубинах внутри тела Земли. Был построен так называемый «скоростной разрез Земли», т.е. график зависимости скорости сейсмических волн от глубины (слева).
Наиболее резкие изменения скорости сейсмических волн фиксируются на границе коры и мантии (граница Мохоровичича – в среднем около 40 км под континентами) и на границе мантии и ядра (поверхность Гуттенберга – 2900 км).
Помимо этого, на скоростном разрезе выделяется еще несколько сейсмических границ. Наиболее важной из них является граница, разделяющая ядро на внешнее и внутреннее (на глубине 5100 км). Несколько слабых скачков скорости сейсмических волн фиксируются в мантии на глубинах от 400 до 1000 км – они обусловлены скачкообразными превращениями некоторых минералов в более плотные модификации.
Между сейсмическими границами скорость волн возрастает с глубиной плавно, что связано с постепенным ростом плотности среды под действием возрастающего с глубиной давления. Очень важной особенностью скоростного разреза, проявленной в верхней мантии, является так называемая «зона низких скоростей», наличие которой объясняют тем, что породы в этой зоне частично расплавлены.