Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Geodinam / geokniga- ¯«®­®¢-£¥®¤¨­ ¬¨ª -2001.pdf
Скачиваний:
399
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
4.65 Mб
Скачать

секунды. Взорванная внешняя оболочка звезды рассеивается в космическом пространстве.

Такой катастрофический конец эволюции звезд называется взрывом Сверхновых. Название “Сверхновые” эти звезды получили потому, что в течение нескольких недель перед взрывом они могут светиться так же ярко, как целая звездная галактика. Самая известная Сверхновая наблюдалась китайскими астрономами в 1054 г., а ее быстро разлетающиеся осколки до сих пор видны и образуют Крабовидную туманность. Взрывы Сверхновых (точнее, последние моменты звездной эволюции перед взрывами) как раз и создают потоки быстрых нейтронов, необходимых для образования химических элементов тяжелее 209Bi83.

Следует иметь в виду, что все описанные выше процессы, кроме возникновения легких элементов сразу же после Большого взрыва, повторялись во Вселенной многократно. Элементы образовывались накопительно: каждая звезда в процессе своей эволюции создавала определенную порцию сложных элементов из простейших, затем эта звезда превращалась в Сверхновую и взрывалась, ее вещество возвращалось в межзвездную среду и включалось в состав других звезд. Таким образом, в производство элементов, из которых построена Земля и создан сам человек, было вовлечено много Сверхновых, причем каждая последующая генерация звезд наследовала химический состав предыдущих. Между временем Большого взрыва (15 – 20 млрд лет назад) и временем, когда образовалась Солнечная система (около 5 млрд лет назад), во Вселенной сменилось много поколений звезд, которые превращались в Сверхновые, взрывались и понемногу обогащали межзвездное пространство, а значит, и более поздние звезды, тяжелыми элементами.

1.1.3. Происхождение Солнечной системы

Образованию Солнечной системы с центральной звездой и планетами-спутниками предшествовало существование обычной туманности, или протосолнечного газо-пылевого облака с

плотностью порядка 10–20 кг/м3. Заметим, что даже при такой чрезвычайно низкой плотности Солнечная туманность представляла собой ощутимый сгусток вещества во Вселенной, средняя плотность которой оценивается всего в 10–28 кг/м3. Солнечная туманность медленно вращалась и имела обычный космический состав: на каждые 105 атомов Н в ней приходилось 104 атомов He, 102 О, 60 С, по 20 N и Ne, по 10 Si, Mg и Fe, около 5 атомов S, по

13

одному атому Ca, Ar и Al и около 1 атома на все остальные элементы.

Ключевой вопрос – почему Солнечная туманность обособилась от остальных туманностей и превратилась в Солнечную систему? В метеоритах, состав которых считается представительным для всей Солнечной системы, обнаружены следы некоторых изотопов, прежде всего 26Al, ныне уже не существующего и целиком перешедшего в 26Mg. Это “загрязнение” Солнечной системы изотопами с возрастом более ранним, чем ее образование, позволяет предполагать, что превращение протосолнечного газопылевого облака в Солнечную систему было инициировано около 5 млрд лет назад взрывом недалекой Сверхновой. Таким образом, тяжелые элементы Солнечной системы накапливались в течение длительного времени, но затем их количество резко увеличилось вследствие взрыва Сверхновой.

Взрыв Сверхновой повлек за собой начало гравитационного сжатия (коллапса) протосолнечного облака с образованием в его центре Солнца – обыкновенной средней звезды с радиусом 696 000 км, состоящей примерно на 70% из водорода, на 28% из гелия и на 2% из остальных более тяжелых элементов. Отметим существенное отличие этого состава от приведенного выше среднего химического состава Вселенной – в Солнечной системе выше доля тяжелых элементов. Как любая звезда, Солнце производит тепло и свет, превращая в своих глубоких недрах водород в гелий.

Коллапс протосолнечного облака привел к последовательному отчленению от него серии колец примерно одинаковой массы, но располагающихся все теснее друг к другу по мере приближения к центральному ядру (Солнцу). Эти кольца соответствовали орбитам будущих планет и находились в экваториальной плоскости облака.

Внутри каждого газо-пылевого кольца твердые частицы постепенно отделялись от газа и собирались в локальные агрегации, так называемые планетезимали, имеющие размеры от 100 м до 5 км. Столкновение наиболее крупных планетезималей

14

привело в конце концов к образованию “зародышей” современных планет Солнечной системы, причем оставшиеся планетезимали бомбардировали поверхность растущих планет, убыстряя или замедляя их вращение, а также создавая различные наклоны осей вращения планет по отношению к плоскости их орбит.

Принципиально важно, что уже на стадии превращения протосолнечного газо-пылевого облака в Солнечную систему в нем происходила дифференциация элементов по массе и электрическому заряду. Главную роль в этом сыграли центробежные силы, возникающие за счет вращения облака, а также электромагнитное излучение Солнца (“солнечный ветер”). Потому к началу образования планет Солнечная туманность уже оказалась существенно дифференцированной по химическому составу: легкие и летучие элементы были вынесены на ее периферию, а тяжелые элементы, наоборот, скопились вблизи центральной планеты. Этим объясняется явная зависимость состава и плотности планет Солнечной системы от их расстояния от Солнца.

Современная Солнечная система находится в краевой части Нашей Галактики (Млечного Пути) на расстоянии около 104 св. лет (1017 км) от ее центра. Период обращения Солнечной системы вокруг центра Нашей Галактики называется галактическим годом и составляет около 210 млн лет.

Солнечная система состоит из Солнца, девяти крупных планет, шесть из которых, в том числе Земля, имеют собственные спутники, более 2000 астероидов и огромного количества кометных тел (рис. 1.1.3.1, см. вклейку). Все крупные планеты обращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении, совпадающем с направлением вращения Солнца. Большинство крупных планет, за исключением Венеры, Урана и Плутона, вращаются вокруг своих осей в направлении, совпадающем с направлением их обращения вокруг Солнца. Девять крупных планет Солнечной системы подразделяются на внутренние, или планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс), и внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон). Основные характеристики планет Солнечной системы приведены в табл. 1.1.3.1 и показаны на рис. 1.1.3.2.

Отметим наиболее примечательные особенности отдельных планет и Солнечной системы в целом.

15

Меркурий – ближайшая к Солнцу планета, имеющая совсем маленькие размеры. Плотность Меркурия только немного меньше, чем плотность Земли, а его поверхность сильно изрыта ударными кратерами.

Таблица 1.1.3.1. Основные характеристики планет Солнечной

системы

 

Расстояние

Период

Период

Радиус,

Масса,

Плотность,

Планета

от Солнца,

обращения,

вращения,

км

1024 кг

г · см–3

 

106 км

сут.

сут.

 

 

 

Меркурий

57,9

87,969

58,65

2439

0,33

5,42

Венера

108,2

224,701

– 243,01

6050

4,87

5,25

Земля

149,6

365,256

0,997

6371

5,97

5,51

Марс

227,9

686,980

1,026

3398

0,64

3,94

Юпитер

778,3

4332,589

0,413

71900

1899

1,31

Сатурн

1427,0

10759,22

0,426

60000

568,6

0,69

Уран

2869,6

30685,4

– 0,646

26145

86,6

1,19

Нептун

4496,6

60189

0,758

24750

102,9

1,66

Плутон

5900,0

90465

– 6,38

1200

0,007

1,0

Примечание. Знак “минус” указывает на обратное вращение планеты.

Венеру называют сестрой Земли, потому что ее размеры, масса и плотность совсем немного отличаются от соответствующих земных параметров. Однако вокруг своей оси Венера вращается очень медленно (венерианские сутки в 243 раза длиннее земных) и в обратном направлении (т.е. в направлении, противоположном направлению обращения большинства планет вокруг Солнца). Хотя Венера и ближайшая соседка Земли, увидеть ее поверхность долго не удавалось из-за чрезвычайно плотной атмосферы, состоящей главным образом из двуокиси углерода. Вследствие чрезвычайно сильного парникового эффекта приповерхностная температура Венеры достигает почти 500°С. Но когда поверхность Венеры все же удалось сфотографировать, на ней, помимо изометричных ударных кратеров, типичных почти для всех планет, были обнаружены протяженные борозды планетарного масштаба. Многие ученые считают, что они возникли в условиях растяжения и, таким образом, представляют собой некоторое подобие глобальной рифтовой системы Земли.

Земля – третья планета Солнечной системы. Она вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, большая полуось которой имеет длину около 150 млн км (149,6 · 109 м). Период

16

вращения Земли составляет сутки

(23,94 ч

или

8,6189 · 104 с),

а

период обращения вокруг Солнца –

 

год (365,256 суток

или

3,1558 · 107 с).

Фигура

Земли

Солнца,отРасстояние кммлн

 

 

Меркурий

Венера

Земля

Ìàðñ

Юпитер

Сатурн

Óðàí

Нептун

Плутон

имеет практически идеальную

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

форму вращающегося жидкого

 

 

6000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тела и аналитически описы-

 

 

5000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вается эллипсоидом

вращения

 

 

4000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(или референц-эллипсоидом) с

 

 

3000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

экваториальным

радиусом

 

 

2000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6378 км,

полярным

радиусом

 

 

1000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6357 км

и сжатием

3,35 · 10

3

.

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самой грубой аппроксимацией

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Юпитер

Сатурн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

фигуры Земли служит сфера с

 

80000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

радиусом 6371 км. Земля обла-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дает

наибольшей среди всех

Радиус, км

60000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

планет

Солнечной

системы

 

 

 

 

Меркурий

Венера

Земля

Ìàðñ

 

 

 

 

Óðàí

Нептун

Ïлутон

средней

плотностью

5,5 г/см3

40000

 

 

 

 

 

при

объеме

1021 м3

и

массе

 

20000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 · 1024 кг.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примечательная особен-

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ность Земли по сравнению с

кгасса,М

1E+023

Меркурий

Венера

Земля

Ìàðñ

Юпитер

Сатурн

Óðàí

Нептун

Плутон

черта является, по-видимому,

другими планетами Солнечной

 

1E+028

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

системы – почти полное отсут-

 

1E+027

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ствие на ее поверхности удар-

 

1E+026

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ных кратеров, столь характер-

 

1E+025

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ных для других планет. Эта

 

1E+024

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

следствием уникальной геоло-

 

1E+022

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

гической

активности

нашей

 

1E+021

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Меркурий

Венера

Земля

Ìàðñ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

планеты, полностью уничтожи-

 

 

ñì3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вшей ее первичную

оболочку

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(см. главу 6).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Земля

имеет

собствен-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ный спутник – Луну с радиу-

 

 

лотность,П г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Юпитер

 

 

 

 

Нептун

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сатурн

Óðàí

Плутон

сом 1738 км, массой 7 · 1022 кг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и средней плотностью гораздо

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

меньшей, чем у Земли, – всего

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

около 3,3 г/см3. Луна обраща-

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ется вокруг Земли по орбите с

Рис. 1.1.3.2. Основные характерис-

 

 

 

 

 

 

 

 

тики планет Солнечной системы.

 

 

17

радиусом 380 тыс. км (3,8 · 108 м) с периодом 27,3 суток. Последняя внутренняя планета Солнечной системы Марс

меньше Земли и обладает меньшей плотностью. Его поверхность покрыта ударными кратерами, но имеются и признаки внутренней активности – вулканы. На близких к Марсу орбитах выявлены два мелких спутника, Фобос и Деймос, которые по размерам (радиусы 11 и 6 км соответственно) относятся к классу астероидов.

Четыре планеты земной группы, а также их спутники имеют более высокую плотность, чем внешние планеты. Это, как уже говорилось, следствие допланетной дифференциации протосолнечного облака, в результате которой внутренние планеты образовались главным образом из Fe, Si, O и других сравнительно тяжелых элементов, с относительно небольшим количеством H и He – главных элементов Солнечной системы. Между внутренними и внешними планетами существует разрыв: резкое увеличение массы и радиуса орбит, а также уменьшение плотности (см. рис. 1.1.3.2). Между Марсом и Юпитером должна была бы находиться планета (гипотетический Фаэтон), но ее место занято поясом астероидов – “малых планет”, самая крупная из которых (астероид Церера) имеет радиус всего 480 км, а большинство представляет собой просто мелкие каменные глыбы неправильной формы.

Считается, что “виновником” возникновения пояса астероидов является следующая за ним планета-гигант Юпитер, которая за счет колоссальной массы и мощного гравитационного поля “оттянула на себя” планетезимали из зоны аккреции планеты, которая должна была бы сформироваться на месте пояса астероидов. Таким образом, гипотетический Фаэтон никогда не существовал. Кроме того, Юпитер уменьшил количество планетезималей и в зоне аккреции Марса, приостановив его рост, в результате чего масса Марса оказалась к концу аккреции относительно небольшой (см. рис.1.1.3.2).

Общая масса астероидов (а их всего, как уже сказано, около 2000) гораздо меньше массы любой планеты Солнечной системы. Важное значение пояса астероидов состоит в том, что из него появляется бoльшая часть метеоритов, время от времени попадающих на Землю и дающих нам неоценимую информацию о ее первичном составе и ранней эволюции.

18

Юпитер – планета-гигант, крупнейшая в Солнечной системе. Юпитер имеет массу бoльшую, чем все остальные вместе взя-тые планеты (в 300 раз больше массы Земли), но и при этом его масса составляет меньше 0,1% массы Солнца. Плотность Юпитера невысока, что объясняется большим содержанием H и He. Из-за быстрого вращения (сутки на Юпитере длятся всего 10 ч) он обладает значительным экваториальным вздутием. У Юпитера известны 16 спутников, среди которых самые крупные (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто) превосходят по размерам Луну.

Сатурн во многом похож на Юпитер. Его плотность, минимальная среди планет Солнечной системы, меньше плотности воды. Наиболее выразительная особенность Сатурна – наряду с относительно крупными спутниками (всего их 17, крупнейший – Титан с радиусом более 2500 км) у него присутствует система колец, образованных огромным числом отдельных частиц из льда и замерзших газов, движущихся по своим орбитам без столкновений.

Уран и Нептун имеют примерно одинаковые размеры; плотность обеих планет выше плотности Сатурна, что, вероятно, объясняется меньшим содержанием H и He. Уран – вторая планета Солнечной системы, после Венеры, испытывающая обратное вращение. Другой отличительной особенностью Урана является большой (82°) наклон оси вращения относительно плоскости орбиты – Уран практически “лежит на боку”. У него выявлено 9 спутников, из которых самый крупный – Титания с радиусом около 800 км, а у Нептуна – 11 спутников, среди которых один крупный (Тритон с радиусом около 1400 км).

Плутон – самая удаленная планета Солнечной системы и одновременно самая мелкая. Это третья после Венеры и Урана планета, испытывающая обратное вращение. Орбита Плутона отличается от орбит других планет: она наклонена к средней плоскости Солнечной системы на 17° и настолько эксцентрична, что иногда Плутон оказывается внутри орбиты Нептуна. Наклон оси вращения Плутона относительно плоскости орбиты не так велик, как у Урана, но все же необычен для планет Солнечной системы – он составляет около 60°. По размерам Плутон (радиус около 1200 км) меньше, чем спутник Нептуна Тритон, поэтому одно время предполагалось, что Плутон тоже когда-то был спутником Нептуна и лишь впоследствии стал самостоятельной

19

планетой. Однако после открытия у Плутона собственного спутника Харона (радиус 600 км) от такой гипотезы пришлось отказаться.

Таким образом, из девяти планет Солнечной системы три (Венера, Уран и Плутон) вращаются весьма необычно. Прежде всего все три планеты испытывают обратное вращение. Кроме того, Венера вращается чрезвычайно медленно: венерианский день (оборот вокруг своей оси) длится дольше, чем год (оборот вокруг Солнца)! Уран и Плутон имеют самые большие наклоны осей вращения к плоскостям своих орбит. Такие особенности осевого вращения этих планет наводят на мысль, что когда-то они могли вращаться нормально, а их нынешнее обратное вращение является результатом каких-то катастрофических событий, например столкновения с другими крупными небесными телами.

Следует специально отметить, что термины “Солнечная система” и “система планет, обращающихся вокруг Солнца”, строго говоря, не являются синонимами. Внешние границы Солнечной системы далеко выходят за пределы орбиты самой удаленной от Солнца планеты Плутон. По современным представлениям, границам Солнечной системы соответствует так называемое “облако Оорта”, куда распространяются орбиты многочисленных комет, находящихся во внешних частях Солнечной системы, за орбитой Юпитера. Кометы – небольшие тела размером от сотен метров до десятков километров, состоящие в основном изо льда. Расчеты орбит многих из наблюдавшихся комет показывают, что их максимальное удаление от Солнца может достигать гигантской величины порядка 105 а.е. (1,5 · 1013 км), в то время как удаление

Плутона от Солнца более чем на три порядка меньше – около

40 а.е. (6 · 109 км).

Периоды обращения комет вокруг Солнца измеряются десятками миллионов лет, а в наиболее удаленных частях кометных орбит притяжение ближайших звезд уже сравнимо с притяжением самого Солнца. Из-за этого некоторые кометы даже переходят с эллиптических на параболические и гиперболические орбиты и навсегда выбрасываются из Солнечной системы.

Этот вывод принципиально важен, так как он показывает, что ни одна планетная система, в том числе и наша Солнечная, не является полностью замкнутой. Раз кометы могут покинуть Солнечную систему, значит, возможно и обратное – посещение в

20

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.