Предмет и содержание землеведения

Современная наука это сложная система человеческих знаний, которую условно подразделяют на три большие группы — естественные, общественные и технические науки. Естественные науки — разделы науки, отвечающие за изучение внешних по отношению к человеку, природных (естественных) явлений. Естествознание – система наук о природе, совокупность естественных наук, взятая как единое целое. Естествознание – одна из трёх основных областей человеческого знания (вместе с науками об обществе и мышлении). Предметом естествознания являются различные виды материи и формы их движения, проявляющиеся в природе, их связи и закономерности, основные формы бытия.

Географией называют систему естественных (физико-географических) и общественных (экономико-географических) наук, изучающих географическую оболочку Земли, природные и производственные географические комплексы и их компоненты.

Подходы к определению объектов и предметов изучения географии менялись на протяжении истории развития науки. Общим оставалось одно: большинство ученых рассматривало как главный объект географической науки поверхность Земли. Предлагались разные термины для определения объекта географии: географическая оболочка, ландшафтная оболочка, геосфера, ландшафтная сфера, биогеносфера, эпигеосфера и др. Наибольшее признание получил

термин «географическая оболочка».

Познание географической оболочки как динамической системы, ее структуры и пространственной дифференциации — задача общего землеведения. Следовательно, предметом изучения землеведения является географическая оболочка. Географическая оболочка в землеведении исследуется как часть планеты и Космоса, которая находиться под властью земных сил и развивается в процессе сложного космическо-планетарного взаимодействия. Таким образом, общее землеведение следует рассматривать как науку об основных, главнейших географических закономерностях Земли.

Общее землеведение принадлежит к числу фундаментальных географических наук. В иерархии естественного цикла наук землеведение как частный вариант планетоведения должно находиться в одном ряду с астрономией, космологией, физикой, химией. В системе географических дисциплин землеведение занимает особое место. Его нельзя рассматривать как введение в физическую географию. По существу, это методологическое вступление в мир географии в целом. Оно представляется как бы «наднаукой», объединяющей информацию обо всех процессах и явлениях, происходивших после формирования планеты из межзвездной туманности.

Учение о географической оболочке — та призма, которая помогает определить географическую принадлежность изучаемых предметов, процессов и целых научных дисциплин. Например, земная кора, если изучать только ее физические свойства, представляет собой предмет геофизики; земная кора с точки зрения ее состава, строения и развития изучается геологией; и та же земная кора как структурная часть географической оболочки исследуется географией, точнее, общим землеведением. To же самое относится к атмосфере, изучением которой занимается метеорология. Однако ее нижние слои (тропосфера), входящие в географическую оболочку, служат носителями климата и изучаются одной из отраслевых географических дисциплин — климатологией.

С течением времени состояние географической оболочки менялось и меняется от чисто природной к природно-антропогенной и даже существенно антропогенной. Но она всегда была и будет по отношению к человеку и живым существам окружающей средой. В связи с этим основная задача землеведения это исследование глобальных изменений, происходящих в географической оболочке, для понимания взаимодействия физических, химических и биологических процессов, которые определяю экосистему Земли. Оно обеспечивает понимание прошлого и аргументированность причин и следствий современных процессов и явлений в географической оболочке. Исходя из того, что прошлое определяет современность, землеведение существенно помогает расшифровке тенденций развития практически всех глобальных проблем современности, являясь своеобразным ключом к познанию мира.

Землеведение как системное учение сложилось главным образом на протяжении XX в. в итоге исследований крупнейших географов и естествоиспытателей, а также обобщений накопленных знаний. Однако его первоначальная направленность заметно трансформировалась, пройдя путь от познания фундаментальных природно-географических закономерностей к исследованию на этой основе «очеловеченной» природы в целях оптимизации окружающей (природной или природно-антропогенной) среды и управления ею на планетарном уровне, имея благородную задачу — сохранение всего биологического многообразия.

Рассматривая землеведение как фундаментальную естественную науку географического профиля, необходимо обратить внимание на главный методический прием исследования географических объектов — пространственно-территориальный, т.е. изучение любого объекта в его пространственном расположении и взаимосвязи с окружающими объектами. В связи с этим и географическая оболочка понятие объемное, где территория с ее глубиной (недрами и водами) и высотой (воздухом) формируется совместно под действием географических процессов и явлений, постоянно изменяющихся во времени.

Итак, землеведение — фундаментальная наука, изучающая общие закономерности строения, функционирования и развития географической оболочки в единстве и взаимодействии с окружающим пространством-временем на разных уровнях его организации (от Вселенной до атома) и устанавливающая пути создания и существования современных природных (природно-антропогенных) ситуаций и тенденции их возможного преобразования в будущем.

Системная классификация географических наук

В каждой отрасли научного знания протекают процессы дифференциации и интеграции.

В географии процесс дифференциации начался в XIX в. и активно развивался в первой половине XX в. Дифференциация — это разделение или расслоение целого на многообразные части. По отношению к научному знанию она означает разделение одной науки на ряд дисциплин, на отдельные направления Единая география разделилась на физическую географию (с отдельными дисциплинами) и экономическую географию (с отдельными дисциплинами).

Во второй половине XX в. наряду с дифференциацией стали проявляться интеграционные тенденции. Интеграция — это объединение знаний, а по отношению к географии — это объединение знаний о природе и обществе.

В настоящее время система географических наук состоит из трех блоков (подсистем): естественнонаучного, социально-экономического и природно-общественного. Кроме того, выделяются «сквозные» науки.

1. Естественнонаучный блок. Этот блок представлен теоретическими и прикладными физико-географическими науками. Основным объектом физической географии является географическая оболочка, которую можно изучать, с одной стороны, как целое, а с другой — по отдельным природным компонентам и природным комплексам.

Общая физическая география изучает географическую оболочку как целое, исследует ее общие закономерности, например зональность, азональность, ритмичность и особенности дифференциации на материки, океаны, природные комплексы.

Ландшафтоведение— наука о ландшафтной сфере и ландшафтах, т.е. индивидуальных природных комплексах. Она изучает структуру ландшафтов, т.е. характер взаимодействия между рельефом, климатом, водами и другими компонентами комплекса, их происхождение, развитие, распространение, современное состояние, а также устойчивость ландшафтов к антропогенным воздействиям.

Палеогеография исследует закономерности развития гео-графической оболочки Земли и составляющих ее ландшафтов. Главная ее задача — изучение динамики природных условий Земли в прошлые геологические эпохи.

В группе общей физической географии и ландшафтоведения выделяются компонентные физико-географические науки, каждая из которых изучает один компонент географической оболочки, например рельеф, климат и др. Однако все природные компоненты тесно связаны друг с другом и с географической оболочкой, составными частями которой они являются, поэтому связаны и науки.

Геоморфология изучает рельеф Земли, а в буквальном переводе с латинского это наука о формах земной поверхности. Рельеф образуется в результате взаимодействия эндогенных (внутренних, например тектонических) и экзогенных (внешних— климат, воды и др.) сил Земли.

Важным компонентом географической оболочки является климат, изучаемый климатологией (греч. Klima — наклон, т. е. наклон поверхности к солнечным лучам). Обычно под климатом понимается многолетний режим погоды, который зависит как от внешних по отношению к Земле факторов, например количества поступающей солнечной радиации, так и от распределения суши и моря, гор и равнин, растительности и др.

Гидросфера изучается гидрологией, основной предмет которой—природные воды, протекающие в них процессы, закономерности их распространения. Гидросфера тесно взаимодействует с атмосферой, ландшафтной сферой, биосферой. В связи с разнообразием водных объектов в гидрологии сформировались две группы дисциплин: гидрология суши и гидрология моря (океанология).

Биогеография — наука, изучающая закономерности распространения растительного покрова, животного мира, формирования биоценозов. Биоценоз — это комплекс растительных и животных организмов, сформировавшийся на одном участке, для которого характерны относительно однородные условия существования. Пример биоценоза — лес, включающий деревья, кустарники, травянистый покров, мхи, насекомых, птиц, млекопитающих.

В последние годы в пограничных областях наук формируются новые смежные дисциплины. Так, на стыке геохимии и ландшафтоведения сложилась очень интересная дисциплина — геохимия ландшафта. Геохимия — наука о распространении химических элементов в земной коре, их миграциях, изменениях химического состава за геологическую историю.

Геофизика ландшафта — формирующаяся наука, расположенная на стыке ландшафтоведения и геофизики. Геофизические науки изучают физические процессы, протекающие как в целом на Земле, так и в отдельных геосферах литосфере, атмосфере, гидросфере. Но эти же процессы идут и в ландшафтной сфере Земли.

2. Социально-экономический блок. Этот блок представлен в первую очередь общей социально-экономической географией.

Наряду с общей социально-экономической географией в блок входят отраслевые науки (география промышленности, география сельского хозяйства, география транспорта, география сферы обслуживания и др.), а также география населения с отдельными направлениями, политическая география, экономико-географическое страноведение.

3. Природно-общественный блок. Это науки, предметами исследования которых являются различного типа взаимодействия между природой и обществом. К числу таких наук относятся геоэкология, историческая география, медицинская география, рекреационная география, ресурсоведение, учение о природно-хозяйственных районах и некоторые другие.

4. «Сквозные» науки. К их числу относятся дисциплины, которые пронизывают всю систему географических наук. Огромное значение для всех географических наук (и не только их) имеет картография. Основная ее цель — правильно отобразить существующий мир картографическими средствами. К ним кроме географических карт относятся звездные карты, рельефные карты, глобусы, блок-диаграммы.

История географии изучает развитие географической мысли и открытие человеком Земли. Она состоит из двух взаимосвязанных разделов: истории путешествий и географических открытий и истории географических учений, т.е. истории создания современной системы географических наук.

Географическая оболочка

Географическая оболочка представляет собой сложное образование, состоящее из взаимодействующих главных земных сфер или их элементов - литосферы, атмосферы, гидросферы, биосферы. Между оболочками Земли происходит сложное взаимодействие, непрерывный обмен веществом и энергией. Все компоненты географической оболочки настолько тесно связаны друг с другом, что изменение одного из них приведет к изменению системы в целом. Например, изменение климата сказывается на ледовитости морен, водности рек и озер, сменах растительных группировок и др.

Следует отметить, что территориально и по объему географическая оболочка совпадает с биосферой.

Географическая оболочка отличается, прежде всего, большим разнообразием вещественного состава и видов энергии. Вещество оболочки одновременно может, находится в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном.

В целом географическая оболочка – наиболее сложно устроенная часть нашей планеты, особенно на контакте сфер: атмосферы и литосферы (поверхности суши), атмосферы и гидросферы (поверхностные слои Мирового океана), гидросферы и литосферы (дно океана), вверх и вниз от этих поверхностей строение географической оболочки становится более простым.

Географическая оболочка неоднородна не только в вертикальном, но и горизонтальных направлениях. Она подразделяется на отдельные природные комплексы (ландшафты) – относительно однородные участки поверхности Земли. Каждый природный комплекс состоит из взаимосвязанных компонентов – составных частей. К ним относятся горные породы, воздух, растения, животные, почвы. Дифференциация географической оболочки на природные комплексы обусловлена неравномерным поступлением тепла на разные ее участки и неоднородностью земной поверхности (наличием материков и океанических впадин, гор, равнин, возвышенностей). Природные комплексы могут быть разных размеров. Самый крупный природный комплекс – географическая оболочка. К природным комплексам относятся материки и океаны. Внутри материков выделяются такие, например, природные комплексы как Восточно-европейская равнина, Уральские горы. Таким образом, вся географическая оболочка представляет собой сложное мозаичное строение и состоит из природных комплексов разного размера. Природные комплексы, образовавшиеся на суше, называют природно-территориальными, а в океане или другом водоеме – природными аквальными.

Географическая оболочка обладает рядом закономерностей. К важнейшим из них относятся целостность, ритмичность развития, горизонтальная зональность и высотная поясность.

Целостность – единство географической оболочки, обусловленное тесной взаимосвязью слагающих его компонентов. Причем географическая оболочка не механическая сумма компонентов, а качественно новое образование, обладающее своими особенностями и развивающееся как единое целое. Любой процесс, происходящий в любой из сфер географической оболочки, обусловлен сам и обуславливает другие, как внутри её самой, так и во всей географической оболочке. Количество солнечной радиации определяет температуру земной поверхности, - температура определяет движение воздуха над поверхностью, - движение воздуха приводит к конденсации, выпадают осадки, - количество осадков направляет развитие гидрографической сети, - речная сеть разрушает поверхность, на которой формируется. Стоит измениться какому-то одному звену этой цепочки – вся цепочка процессов станет строиться по-другому: меньше солнечной радиации – ниже температура, изменяется направление движения воздуха, осадки не образуются, речная сеть не формируется, поверхность преобразуется ветром. Взаимообусловленность элементов географической оболочки – её обязательное свойство.

Географическая оболочка – это саморегулирующая система, взаимодействие её элементов направленно на сохранение её целостности. При малейшем изменении какого-либо из элементов вся система перестраивается и, таким образом, сохраняет свою целостность. Все процессы в географической оболочке происходят по кругу. Они строятся как звенья в цепи, которые, сменяя друг друга, передают и трансформируют энергию от её одного звена к другому. Целостность свойственна всем природным комплексам. Она достигается круговоротом вещества и энергии. Целостность географической оболочки — это главное ее свойство.

Географической оболочке свойственная ритмичность развития – повторяемость во времени тех или иных явлений. В природе существуют ритмы разной продолжительности - суточный, внутривековой, сверхвековой.

Планетарной географической закономерностью является зональность – закономерное изменение природных комплексов по направлению о экватора к полюсам. Наиболее крупные зональные подразделения географической оболочки – географические пояса. Они отличаются друг от друга температурными условиями, а также общими особенностями циркуляции атмосферы, почвенно-растительного покрова.

Земная поверхность сложна и мозаична и зональные черты выделяются путем относительной генерализации более мелких структурных подразделений. Любая из имеющихся на сегодняшний день схема зонального деления земной поверхности и зонального распределения отдельных компонентов географической оболочки отличается лишь самим элементом, степенью подробности и объективной точности.

Радиационные пояса. Количество солнечной радиации, получаемое Землей, зависит от угла падения солнечных лучей на земную поверхность и расстояния между Землей и Солнцем. Угол падения солнечных лучей зависит в свою очередь от географической широты и высоты Солнца над горизонтом (меняющейся в течение суток и по временам года). Различный приход солнечной радиации на разных широтах позволяет выделить радиационные пояса: жаркий (между тропиками), два умеренных (между тропиками и полярными кругами) и два холодных (между полюсами и полярными кругами). Их иногда изображают в виде поясов освещенности Земли.

Тепловые пояса. Помимо географической широты, на распределение тепла на Земле влияют соотношение площадей суши и моря, состояние атмосферы, рельеф, высота местности над уровнем моря, морские и воздушные течения. Если принять во внимание эти факторы, то, очевидно, что границы тепловых поясов совмещать с конкретными параллелями не совсем правильно. Поэтому в качестве границ обычно принимают изотермы: годовые — для выделения пояса, в котором годовые амплитуды температуры воздуха малы, и самого теплого месяца — для выделения поясов, где колебания температуры в году более резкие. По этому принципу выделяют тепловые пояса, которых также пять: теплый, или жаркий, ограниченный в каждом полушарии годовой изотермой +20°С, проходящей вблизи 30-й северной и 30-й южной параллели, два умеренных, которые в каждом полушарии лежат между годовой изотермой +20°С и изотермой +10°С самого теплого месяца (соответственно, июля или января), два холодных, в которых средняя температура самого теплого в данном полушарии месяца менее +10°С.

Климатические пояса. В формировании природных зон участвуют не только прямая солнечная радиация, но и такие важные элементы климата, как адвективное тепло и влага. Для каждой природной зоны характерно определенное количество тепла и годовое количество атмосферных осадков, а также соотношение между ними. Рассматривая проблему географической зональности, А. А. Григорьев констатировал, что в основе изменений строения и развития географической среды по поясам, зонам и подзонам лежат, прежде всего, изменения количеств тепла, влаги и их соотношения. М.И. Будыко доказал тесную связь географических зон с двумя климатическими параметрами — радиационным балансом земной заключить, что основным фактором формирования географических зон является климат.

Действительно, атмосферная и океаническая циркуляции и влагооборот влияют на тепловые условия земного шара, а, следовательно, и на все то, что прямо или косвенно ими управляется. Причины и следствия переплетены здесь настолько тесно, что все три фактора должны рассматриваться как сложное единство. Каждый из перечисленных факторов зависит от географической широты места, высоты над уровнем моря и характера земной поверхности. Широта определяет величину солнечной радиации. С высотой меняются температура и давление воздуха, содержание в нем влаги, режим ветров. Так как все климатообразующие факторы, кроме рельефа и расположения суши и моря, имеют тенденцию к зональности, вполне естественно, что и климаты зональны.

По относительной устойчивости климата отдельных участков земной поверхности выделяют тринадцать климатических поясов: экваториальный, два субэкваториальных, два тропических, два субтропических, два умеренных, два субарктических, два арктических.

Географические пояса. Климатические пояса служат основой для выделения географических поясов — наиболее крупных зональных подразделений географической оболочки. По числу и даже по названиям географические пояса совпадают с климатическими. Однако границы этих поясов совпадают не везде, что связано с более сложной организацией географических поясов, включающих почвенно-растительный покров, геоморфологические, биохимические, гидрогеологические объекты, которые могут не соответствовать всем параметрам современного климата. В пределах географических поясов выделяют географические, или ландшафтные зоны, которые характеризуются господством одного зонального типа ландшафта. Зоны в меньшей степени, чем пояса, имеют широтную ориентацию и протяженность, так как условия увлажнения обусловлены не только климатическими факторами, но и структурой самого ландшафта. К.К.Марков, исследуя историю географической зональности, установил два типа зональности, которые сменяли друг друга во времени. В геологические эпохи, когда средняя температура земной поверхности была сравнительно высокой, формировалась простая, обычно субширотная зональность с сильным развитием тропических областей. В холодные периоды общее число географических зон и поясов увеличивалось, внутритропическое пространство сужалось, границы поясов и зон сдвигались в сторону от экватора, за счет чего расширялись внетропические пространства. Современная поясно-зональная структура земной поверхности дает основание полагать, что Земля еще переживает холодный период с сохранением ледниковых покровов, поскольку ледники свойственны не только полярным областям, но и высокогорьям всего земного шара. Интересная закономерность изменения природы, получившая название высотной поясности, наблюдается в горных районах. Высотная поясность – закономерная смена природных компонентов и природных комплексов с подъемом в горы от подножия до вершин.

Ученые неодинаково проводят верхнюю и нижнюю границы географической оболочки. Одни считают, что границы географической оболочки очерчивают пределы распространения жизни на Земле. При таком подходе верхняя граница совпадает с максимальной концентрацией озона на высоте 20—30 км (озон поглощает ультрафиолетовую радиацию, избыточное количество которой убивает все живое). Нижняя граница проводится на глубине 20 км, где температура земной коры достигает 600 °С и поэтому жизнь невозможна. Следовательно, при такой аргументации границ мощность географической оболочки составляет более 40 км, а сама оболочка совпадает с биосферой.

Иногда в географическую оболочку включают только тропосферу, по верхней границе которой (тропопаузе — в умеренных широтах на высоте 10—12 км) проводят и верхнюю границу географической оболочки. Нижнюю границу часто совмещают с подошвой земной коры (поверхностью Мохоровичича). Эта граница разделяет среды разного химического состава (либо фазы одной среды) и располагается в океанах на глубине 10 — 12 км, а на суше — на глубине до 55 — 65 км (в области активного горообразования).

Освоенную человеком часть географической оболочки называют географической средой, т.е. средой, в которой живет человек.

В последние годы обострение экологической обстановки на Земле привело к распространению в науке и обыденной жизни понятия «окружающая среда». Когда говорится о ней, то подразумевается, что оцениваются условия жизни человека в определенном природном окружении, состояние природных комплексов, их способность воспроизводить здоровую среду жизни человека, возобновимые природные ресурсы (биологические, водные и др.). Можно говорить о благоприятной и неблагоприятной окружающей среде, рациональном и нерациональном использовании ее ресурсов. Понятие окружающей среды отличается от понятия географической среды тем, что в центре рассуждений находится человек с его потребностями. Поэтому термин «географическая среда» широко используют историки и философы, а термин «окружающая среда» — экологи и метеорологи.

Итак, географическая оболочка представляет собой сложное комплексное образование и является объектом изучения общего землеведения, физической географии и ряда других преимущественно естественных наук.

Методы исследования в землеведении

Для развития физической географии необходимо огромное количество данных о природных объектах, явлениях и процессах. Только умело обработав с помощью различных методов исследования информацию, ученый-географ может прийти к обобщающему выводу о составе, развитие, закономерности распространения и изменения объекта исследования. Например, только для того, чтобы установить среднемесячную температуру воздуха в каком-либо пункте, необходимо воспользоваться 240 данными наблюдения, то есть иметь информацию о температуре, измеренную через каждые 3 часа ежесуточно. А среднемесячная температура января или июля, подаваемой на климатических картах, - это результат обработки данных многолетних наблюдений.

В физической географии разнообразие методов предопределяется сложностью изучаемых объектов — географической оболочки и ландшафтов. Имеющиеся классификации методов исследования неоднозначны и не бесспорны. Между тем в методах исследования требуется предельная ясность, так как их система определяет методологию науки, ее содержание и продвижение вперед

Географическая информация и пути ее получения.

Все разнообразие методов исследования сводится к трем категориям: общенаучным, междисциплинарным и специфическим для данной науки

Научное исследование включает два уровня знаний: эмпирический (опыт) и теоретический. При наблюдениях и тем более при экспериментах используются определенные теоретические представления, так что разграничение эмпирических и теоретических знаний не имеет четких границ.

Эмпирические знания включают следующие этапы: получение информации, ее обработка и простейшие обобщения.

Исходным этапом эмпирического уровня является сбор информации.

Вся информация делится на первичную, получаемую путем натурных измерений или наблюдений, и вторичную, которая является результатом обработки первичной информации. Первичная информация представляет собой массивы (базы) данных по многим физическим величинам (температура, солнечная радиация, концентрация химических элементов и др.), характерным для определенного участка земной поверхности. Вторичная информация выдается обычно в виде осредненных величин (например, средние температуры за май) и может быть представлена в виде описаний (параметров, обобщений), сводок, числовых характеристик, рядов измерений, графиков, таблиц и др. Данные могут относиться к точке, группе точек (пространству) или профилю.

Информация должна отвечать на вопросы: что, где, сколько, как. Каковы внешний вид и структура комплекса, что происходит с ним в данный момент, какое место в среде, в окружении каких объектов находится интересующий нас объект, каковы границы объекта, как осуществляется процесс и какова скорость его протекания и тенденция развития? Следует различать понятия «методы» и «средства» получения и обработки информации. Методы должны отвечать на вопрос: как достичь результата, а средства — определять, с помощью чего возможно это достижение.

Возможность и результативность использования информации при построении теорий или практическом решении поставленных задач определяются многими ее свойствами, среди которых наиболее важными являются надежность, релевантность, кондиционность. Все они составляют в итоге репрезентативность (показательность) информации, доказывающую ее неслучайность.

Рис. Организация измерений свойств географической оболочки

Надежность (качество) информации зависит от ряда факторов: надежности исполнителей (наблюдателей), парка и свойства используемых технических средств регистрации и обработки данных (в последнем случае — от характера используемых программ обработки), методов работы (технологии преобразования и применения информации), организации наблюдений (измерений), сбора, систематизации и хранения данных. Критериями надежности служат полнота, точность и достоверность информации.

Полнота напрямую зависит от пространственной и временной плотности (густоты) точек измерений (наблюдений). Она определяется размещением пунктов сбора информации и дискретностью измерений. Результаты (например, гидрометеорологические наблюдения с дискретностью в 3 часа) составляют временные ряды, позволяющие судить о состоянии нашей планеты не только в текущий момент в определенном месте, но и в прошлом.

Точность информации подразумевает точность пространственного положения точек наблюдения и погрешность определения физической величины. Точность во многом зависит от средства регистрации (измерительного прибора и др.).

Достоверность означает отсутствие дезинформации, которая может быть субъективной (перепутывание объектов, событий, величин, их неправильное толкование) и объективной, полученной в результате эксперимента или моделирования, когда исследование базируется на недостоверных данных. Отсюда известное всем географам правило — «пишу, что вижу».

Один из путей повышения надежности — дублирование источников информации.

Релевантность рассматривается как пригодность данных к решению конкретной задачи.

Кондиционность информации означает ее соответствие заданию, которое было составлено в начале наблюдений или эксперимента и где была указана номенклатура необходимых данных.

Со временем сложилась определенная система сбора информации, составляющая основу общих методов изучения географической оболочки. По способу получения информации выделяют экспериментальные и теоретические методы, по месту наблюдения — полевые и камеральные, по используемой технике — визуальные и инструментальные, по характеру информации — количественные и качественные. Особое положение занимают лабораторные методы исследования, включающие работу с пробами в стационарных условиях.

Получение информации возможно при непосредственном контакте исследователя с объектом в ходе наблюдений и экспериментов.

Наблюдения. Следует различать понятия «наблюдение» и «измерение». Наблюдение с древних времен было первоисточником знаний об окружающем мире. Оно дает сведения о географическом объекте в природной среде. К таким объектам относятся радуга, извержение вулкана и другие, свойства которых мы наблюдаем. Но поскольку все географические объекты материальны, они обладают определенным набором физических свойств (параметров), которые измеряют инструментальными средствами. Основные параметры географических объектов общеизвестны: температура, давление, скорость звука и др. В основе измерений лежат физические законы.

Среди измерений выделяют контактные и бесконтактные.

К контактным относятся измерения, при которых измеритель непосредственно контактирует с измеряемым объектом (например, измерение температуры воды, почвы, воздуха при помощи термометра). Контактные измерения составляют основу наблюдений географических объектов. К ним относятся измерения, проводимые в научных экспедициях или предоставляемые метеорологической, геофизической и другими сетями. Последние часто называют реперными, или стационарными, наблюдениями, поскольку они дают сведения об изменении среды в определенных точках географических регионов и учитывают неизменность положения в пространстве.

К бесконтактным (дистанционным) относятся методы, которые осуществляются с помощью дистанционных измерителей параметров, т.е. на расстоянии. Их широкое применение началось с аэрокосмических систем исследования (самолетов, космических аппаратов), используемых при картографировании земной поверхности. С совершенствованием технологий исследователи научились измерять и другие физические свойства подстилающей поверхности. К дистанционным методам можно отнести фотосъемку в видимом (оптическом) и невидимых (инфракрасном, ультрафиолетовом, СВЧ) диапазонах. При дистанционных измерениях конкретный объект земной поверхности (например, циклон, температура поверхности моря, элементы рельефа) сканируется специальным прибором, настроенным на работу в соответствующем диапазоне частот спектра электромагнитного излучения, после чего сканируемое изображение передается с летательного аппарата на наземные службы слежения. Результаты дистанционных измерений обычно представляют в виде изображений (снимков), которые при дешифрировании могут быть оцифрованы для удобства работы с информацией.

Эксперименты — это измерения, проводимые в контролируемых условиях по заранее составленной программе. Они способствуют научному прогрессу и получению новых данных. В середине 70-х годов XX в. эксперименты на океанологических полигонах изменили наши представления о циркуляции вод Мирового океана. Вместе с тем это наименее разработанная часть методов изучения географической оболочки. Выделяют натурные и модельные эксперименты.

Натурные эксперименты связаны с целенаправленным сбором информации об исследуемых географических процессах и явлениях, организацией направленных воздействий на природные системы и изучением реакций систем на них. Они реализуются в природных условиях с целью приблизить географический объект к его естественному окружению. Но нельзя забывать, что земная поверхность уникальна и эксперимент может привести к негативным последствиям. Поэтому, во-первых, натурные эксперименты проводятся только в пределах относительно небольших регионов. Во-вторых, широко используются эксперименты не с самими объектами, а с их аналогами (обычно это математические модели). В-третьих, иногда можно воспользоваться результатами, которые были получены ранее в других местах и при сходных условиях.

Часто эксперименты ставит и сама природа. Такие явления, как интенсивная вулканическая деятельность и усиление солнечной активности, вызывают факторы, находящиеся за пределами географической оболочки. Тем самым их можно считать экспериментами внешнего природного происхождения. Природными экспериментами можно назвать все явления в географической оболочке, которые выходят за рамки средних значений — аномалии. Это катастрофические наводнения, сильные засухи, пыльные бури и другие аномальные явления. Именно для выяснения причин образования таких явлений и организуют натурные эксперименты. Слежение за реакцией географической оболочки в целом и ее отдельных частей позволяет получать новые данные об этих процессах.

Модельные эксперименты осуществляют на аналогах определенных природных систем в лаборатории или на компьютере. Модель — это упрощенное воспроизведение изучаемого объекта в виде физической конструкции, совокупности математических формул, карт, блок-диаграмм и др. Анализ модели позволяет получить новые знания. Построение моделей является вынужденной мерой, обусловленной невозможностью исследовать реальный объект во всем его многообразии. Не каждый природный процесс может быть описан и смоделирован полностью. Поэтому при моделировании возможны определенные упрощения реальных условий, но они не должны затрагивать суть эксперимента. Географическая модель обычно строится на основе преобразования масштабов (пространственных и временных), в связи с чем она меньше воспроизводимого объекта. Каждая географическая дисциплина имеет свои приемы моделирования.

Модели подразделяются на стационарные и нестационарные (динамические). Первые предполагают неизменность входных параметров, что часто вполне оправдано, вторые — их изменчивость в пространстве и во времени, из-за чего результаты моделирования могут быть различны.

Модели бывают физические и математические. При помощи физических моделей исследователи пытаются воспроизвести географический объект и процесс в искусственных условиях, и в таком понимании физическая модель тождественна конструированию (например, моделирование в искусственном бассейне волнения, изучение механизма передачи энергии ветра волнам и др.).

Гораздо эффективнее математические модели, которые создаются с использованием математических расчетов, уравнений гидромеханики, термодинамики и др. Математическое моделирование позволяет воспроизводить процессы при учете разных факторов, исключая одни и включая другие. Графическое отображение систем уравнений, описывающих исследуемый процесс, удобно представлять в виде функциональных схем (например, схема радиационного баланса).

Среди успешно действующих математических моделей — циркуляционные процессы в атмосфере и океане, изменение уровня Мирового океана, колебания климата и ледников в плейстоцене и др. Однако моделирование не ограничивается глобальными процессами. Наоборот, как правило, ученых интересуют локальные варианты развития ситуаций. В первую очередь, это касается разработки различных экологических моделей, в основе которых лежат реальные описанные математически физические процессы, развивающиеся в природных условиях при антропогенном воздействии на окружающую среду. Таким образом, моделирование всегда имеет прикладной аспект, а сами модели должны подтверждаться эмпирическим материалом. Если этого нет, то модель не работает.

Сложное устройство географической оболочки (ее составные части обладают разными уровнями организации, скоростями изменения и др.) значительно ограничивает возможность использования физических моделей для воспроизведения процессов. Наибольшая трудность состоит в практической невозможности установления критерия соответствия натуры и модели и учета всех факторов.

Информация по географии используется для различных научных и прикладных целей, что требует систематических наблюдений и постоянного сбора данных с определенной дискретностью, обновлением или детализацией собираемой информации по конкретному географическому явлению (например, циклон) или их совокупности (например, цепочка циклонов). Важно уметь организовать сбор и передачу информации, которые способствовали бы не только анализу географического объекта (например, циклона), но и служили принятию решения по предотвращению развития неблагоприятных последствий (например, штормовое предупреждение вследствие приближающегося циклона).

Теоретические знания. Обобщение эмпирических фактов вплоть до формирования законов и теорий осуществляется на теоретическом уровне и включает следующие действия:

абстрагирование, необходимое для того, чтобы во множестве конкретных наблюдений обнаружить нечто общее, типичное;

анализ, состоящий в исследовании результата абстрагирования, часто изолированно от других явлений;

синтез, который объединяет в целостную систему множество частных абстракций.

Абстрагирование, анализ и синтез пользуются правилами абстрактной логики, теорией подобия и аналогии, а также различными общенаучными и конкретно-научными принципами. Наибольшее значение для землеведения имеют два принципа: идеографический, основанный на выявлении особенностей и отличий, и номотетический, основанный на установлении всеобщего и общего в частных явлениях. Эти принципы не исключают, а дополняют друг друга, обеспечивая многосторонность исследования. Наряду с ними при изучении географических явлений и процессов следует учитывать и другие подходы, которые вместе с фактами составляют сравнительно-описательный метод.

Общенаучные и конкретно-научные принципы в землеведении

Принцип историзма определяет исследование природы земной поверхности через историю ее развития, исходя из положения «современность — ключ к познанию прошлого». Являясь составной частью сравнительно-исторического метода, он позволяет на основе анализа современной ситуации воспроизводить условия в прошлом. В биологии это нашло выражение в эволюционном учении, в геологии действует принцип актуализма, в физической географии и палеогеографии анализ формирования и развития древних (реликтовых) и современных элементов ландшафта позволяет выявить организацию природы в прошлом и настоящем, что служит основой прогноза на будущее. Разновидностью принципа историзма является метод возрастных рубежей — оценка временного положения исследуемого объекта относительно объектов с известными возрастами (раньше или позже их). Принцип историзма оказывается привлекательным при экологических исследованиях, так как прогнозы ближайших изменений могут быть сопоставлены с происходившими подобными переменами. Однако этот принцип не безупречен, поскольку он не учитывает изменения географических процессов, прежде всего ритмические и связанные с поступательной эволюцией окружающего мира.

Принцип всеобщей связи явлений — один из самых универсальных принципов, устанавливающий невозможность независимого существования явлений на земной поверхности. Он ориентирует исследователя на поиски причин и позволяет успешнее осуществлять прогноз и регулировать функционирование геосистем. Частным выражением принципа всеобщей связи явлений является принцип целостности географической оболочки — изменение любой ее части приводит к изменению всех других, хотя изменения в этой цепи происходят неравномерно в пространстве и во времени.

Принцип симметрии. В основе построения мира находится симметрия. Основу этого принципа составляет сравнение симметрии объекта с потенциально возможной для объектов данного типа, что ориентирует исследование в определенном направлении (например, обнаруженное отклонение формы Земли от шара заставило искать причины этого явления).

Экологический принцип. Данный подход применяется, если один объект рассматривается в качестве среды для другого. В этом случае то, ради чего (кого) изучается среда, называется субъектом. Им может быть организм, вид, биоценоз, как это принято в классической экологии. Но субъектом может выступать также атмосфера или океан, почва или система влагооборота и даже биосфера. Объектом (средой) является все то, что влияет на состояние субъекта. В живой природе — это совокупность абиотических (теплота, свет, давление) и биотических (взаимоотношений живых организмов) факторов.

Принцип научной идеализации. Объекты изучения общего землеведения часто настолько велики и сложны, что непосредственное исследование их большей частью невозможно. В этом случае реальные объекты заменяют идеальными (моделями). Идеальные объекты (и соответствующие им идеальные понятия) представляют собой подобие реальности и конструируются исследователем из набора основных свойств (параметров), присущих реальности. При этом второстепенные свойства не учитываются. Примерами идеальных объектов являются земной шар, ландшафт, идеальный материк.

Принцип аналогии. Непосредственные изучения и описания каждого объекта географической оболочки крайне непродуктивны, ибо требуют больших материальных затрат и времени. Одним из подходов, позволяющих существенно сократить время на исследование, является получение знаний по аналогии. В этом случае географическому объекту или процессу подбирают аналог в другой системе, которая достаточно изучена, и знания о нем переносят на изучаемый географический объект. Такой подход давно используется в разных науках.

Принцип балансов. В основе этого подхода находится закон сохранения вещества и энергии. Установив все возможные пути входа и выхода вещества и энергии и измерив потоки, исследователь по их разности может оценить, что произошло в геосистеме: накопление или расходование данных субстанций. В других случаях измерение входящих или выходящих потоков и изменений содержания изучаемого вещества в геосистеме обнаруживает неравенство положительных и отрицательных компонентов — невязку баланса. Если измерения произведены достаточно корректно, то единственное объяснение невязки баланса — это существование потока (процесса), о котором в данный момент неизвестно. Балансовый принцип используется в землеведении в качестве средства исследования энергетики, водного и солевого режимов, газового состава, биологического круговорота и др.

Принцип информационного анализа. Многие исследования строятся на основе представлений о передаче информации в географической оболочке. Информация, передаваемая в геосистемах, овеществляется в их структуре, т.е. в характере распределения элементов, вещества, в пространственно-временной неоднородности, свойствах объектов. Структура — это зафиксированная история процессов, информация о событиях, как очень далеких, так и происшедших недавно. Поэтому по параметрам одних объектов мы можем судить о других. Отличия такого подхода от принципа аналогии заключается в том, что аналогия предполагает некоторую идентичность сравниваемых объектов, тогда как в данном случае речь идет о получении любой информации. В геосистемах происходит не только передача информации, но и ее накопление, перекодирование. Своего рода летописью истории Земли является земная кора: характер напластований, минералогический и петрографический состав отложений, их остаточная намагниченность, палеонтологические остатки и другие данные позволяют реконструировать физико-географические условия далекого прошлого.

Принцип структурного анализа. Основой структурного анализа является изучение взаимодействия составных частей географической оболочки. Поиск факторов и причин развития тех или иных процессов ведется не за пределами геосистем, а связан со структурой взаимодействия составных частей объекта. Такой анализ можно также назвать кибернетическим, поскольку его основные элементы и аппарат заимствованы из кибернетики. Например, прогноз погоды в любом географическом пункте: с одной стороны, метеорологические условия местности определяются общими климатическими закономерностями, с другой — на них влияют местные климатообразующие факторы. Ключевым понятием этого анализа является обратная связь, которая может быть положительной и отрицательной. Первая усиливает внешнее воздействие на объект, вторая способствует его погашению. Сочетание положительных и отрицательных обратных связей, наблюдающихся в геосистемах, приводит к возникновению сложных «цепных реакций», которые не всегда удается объяснить и предсказать.

Принцип позиционного анализа. В основе этого подхода находится определение положения (экспозиция) географического объекта относительно потоков вещества и энергии, энергетических полей, природных или антропогенных тел. Знание, где (по какую сторону горного хребта, на каком берегу реки, севернее или южнее, западнее или восточнее и др.) находится географический объект, помогает объяснять не вполне понятные обстановки. Например, от экспозиции зависит азональность многих географических процессов: распределение атмосферных осадков в Южной Америке показывает, что на широте 0 — 20° ю.ш. западные склоны Анд сухие, восточные — влажные, на широте 35 — 55° ю.ш. картина меняется на противоположную.

Мониторинг. Развитие науки и технологий стимулировало зарождение особой системы сбора информации о состоянии природных объектов и явлений, которая называется мониторингом. Другая его функция — управление, обратная связь в системе «человек— природа», т.е. когда процесс отслеживается и на него может быть оказано влияние. Мониторинг объединяет в себе эмпирические и теоретические знания. Мониторинг включает несколько ступеней или блоков с разными функциями. Сначала выделяют виды и границы конкретного объема, участка поверхности или объекта. Затем оценивают эпизодические и систематические изменения процессов и явлений разных пространственно-временных масштабов, от краткопериодных до долгопериодных. Далее можно разделить естественные и антропогенные изменения. В результате всего этого формируется общая картина состояния и динамики анализируемого процесса или явления на конкретной территории или акватории. Так как процесс никогда не протекает изолированно, мы всегда имеем дело с целым комплексом природных явлений, вклад которых в общую изменчивость обстановки специфичен и требует самостоятельной оценки.

Накопленный материал сводится в банки данных, которые включают блоки сбора, первичной обработки и накопления (пополнения) информации, что позволяет построить карты-выводы о протекании природных процессов или явлений.

Картографический метод исследования заключается в использовании карт в целях: 1) получения сведений (качественных и количественных характеристик), 2) изучения взаимосвязей и взаимозависимостей явлений, 3) установления динамики и эволюции явлений, 4) нанесения данных мониторинга.

Карта — специфический язык географии. Долгое время главной функцией карт было изображение в масштабе объектов земной поверхности. Позднее карта стала использоваться как средство систематизации географических знаний и выявления пространственных закономерностей. В последние годы активно развивается компьютерная картография, для чего разработан целый ряд прикладных графических программ.

В землеведении картографическому методу по праву принадлежит основополагающая роль, ибо исследование состава, строения и динамики географической оболочки в значительной степени производится по картам. Однако картографическое изображение плохо раскрывает динамику явлений. Последнее сейчас преодолевается за счет применения компьютерных анимаций. Все больше применяются цифровые методы картографирования.

Геоинформационные системы (ГИС)

Возрастающая необходимость в систематическом получении и использовании информации требует организации достаточно сложных систем (центров), содержащих все исходные данные (рельеф, почва, вода, растительность, климат, население, промышленность, инфраструктура, характер и степень антропогенного воздействия и др.) для определенной территории (акватории). Для этого используют данные не только наук о Земле, но и других дисциплин (математики, кибернетики, картографии). Возникла новая наука — геоинформатика, изучающая принципы, технику (приборы) и технологию (методы) получения, накопления, систематизации, обработки и передачи информации.

Геоинформационная система — это аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение, распространение и интеграцию пространственно координированных данных для решения научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением природной средой и территориальной организацией общества.

В настоящее время созданы информационные системы, различающиеся по охвату обслуживаемой территории (глобальные, международные, региональные, национальные, областные и др.), проблемной ориентации и целям (охрана природной среды и рациональное управление природопользованием) и др. Геоинформационные системы могут быть: картографические (каталог карт и атласов), библиографические (каталогизированная информация об опубликованных и неопубликованных источниках данных в литературе), тематические (посвященные сбору данных о состоянии вод или атмосферы). Однако все ГИС делятся на три основные группы:

самостоятельно добывающие первичную информацию и выпускающие ее в виде сводок или баз данных;

аккумулирующие и перерабатывающие информацию;

собирающие опубликованную информацию для обслуживания потребителей.

Информационные системы, генерирующие и аккумулирующие информацию, могут составлять единую, или комплексную ГИС — систему, выполняющую сбор, кодирование, хранение, систематизацию, обработку, анализ и воспроизведение информации, заложенной в ней или полученной в результате моделирования по соответствующей программе. В такой ГИС традиционно выделяют четыре подсистемы:

сбор данных и ввод (например, распределение температуры поверхности моря на конкретную дату);

управление данными, их сортировка и классификация по заданным признакам;

вычислительная обработка и комбинирование данных по заданной программе;

предоставление текущей и прогнозируемой ситуаций в виде схем и карт.

Информация должна быть достаточной для получения представления о состоянии, динамике и функционировании (эволюции) природной системы, моделирования ее структуры и выдачи рекомендаций. Сейчас особое внимание уделяется проблеме оптимизации при организации совместных наземных (подспутниковых) и спутниковых съемок.

Центральное звено любой ГИС — банк данных (БД). В некоторых случаях БД рассматривают как самостоятельную систему. Базы данных можно подразделить на:

библиографические, которые содержат перечень документов, сопровождаемый описаниями в виде рефератов, аннотаций или списка ключевых слов (например, ресурсы Интернета);

справочные, которые содержат сведения, отсылающие пользователя к организациям, владеющим нужной информацией (например, Пулковская обсерватория);

фактографические, где содержится информация без отсылки к другим источникам.

Как ГИС, так и БД могут быть сугубо тематическими, охватывая сравнительно узкий круг материалов и предназначаться для решения частных задач на конкретных территориях и акваториях по определенной тематике (например, ГИС и БД по лесной или рыбной промышленности).

Географическая информация и Интернет. Ресурсы Интернета облегчают поиск необходимой информации, но обычно только на элементарном уровне. В Интернет можно найти хорошо иллюстрированный материал по земным объектам, краткие описания географических явлений и процессов, обзор публикаций. Однако сами данные, интересующие исследователя, как правило, отсутствуют, поскольку многие из них представляют коммерческий интерес.

В настоящее время поиск информации в Интернете осуществляется тремя путями. Первый путь — в одной из поисковых систем по набору ключевых слов (одному, двум или нескольким) подбирается необходимая информация из огромного массива ссылок, которые предложит компьютер. Второй путь состоит в том, что с помощью поисковой системы можно войти в официальный сайт (сервер) организации, заранее зная, что именно ее массив может удовлетворить запрос исследователя. Например, сайты метеорологических, геологических, геофизических и других служб (институтов). Третий путь заключается в поиске информации по конкретным электронным адресам, составляющим каталог исследователя, который постепенно пополняется.

Из истории развития общего землеведения

История науки — особая отрасль научного знания, которая анализирует факты, гипотезы, теории, учения, относящиеся к разным периодам. Исторический процесс развития всех наук имеет сходные черты: наука, как правило, отражает особенности жизни общества в данный период; развитие научного знания идет по спирали, каждый виток которой — это сбор фактов и их обобщение на уровне, соответствующем данной эпохе; в науках протекают процессы дифференциации и интеграции; глубина теоретической мысли зависит как от качества и количества фактов, так и от влияния философских учений, которые определяют методологию частной науки; по мере накопления научных знаний возрастает взаимное влияние наук.

Становление общего землеведения как науки неотделимо от развития географии в целом. Еще в глубокой древности человек стал интересоваться своим окружением на Земле и в Космосе. Люди систематически наблюдали за изменениями окружающего пространства и природными совпадениями, пытаясь установить причинно-следственные связи. Задолго до религиозных учений и представлений о божественном начале природы и жизни существовали взгляды на окружающий мир. Так постепенно складывались понятия и представления, многие из которых носили, несомненно, землеведческий характер.

Египтяне и вавилоняне прогнозировали время наступления наводнений в зависимости от расположения звезд, греки и римляне измерили Землю и установили ее положение в Космосе, китайцы и предки индусов постигали смысл жизни и взаимоотношения человека с его природным окружением.

В Древнем Китае было создано учение о всеобщем законе мира вещей, согласно которому жизнь природы и людей протекает по определенному естественному пути, составляющему вместе с субстанцией вещей основу мира. В мире все находится в движении и изменении, в процессе которых все вещи переходят в свою противоположность. Древний Вавилон и Древний Египет дали примеры использования достижений астрономии, космологии и математики в практической жизни народов. Здесь возникли учения о происхождении мира (космогония) и его строении (космология). Вавилоняне установили правильную последовательность планет, сформировали звездное астральное мировоззрение, выделили знаки зодиака, ввели 60-ричную систему исчисления, лежащую в основе градусной меры и шкалы времени, установили периоды повторяемости солнечных и лунных затмений. В эпохи Древнего и Среднего царств в Египте были разработаны основы прогнозирования нильских разливов, создан солнечный календарь, точно определена продолжительность года и выделено 12 месяцев. Финикийцы и карфагеняне применили знания астрономии для навигации и ориентирования по звездам.

Ученые Древней Греции уже за несколько веков до нашей эры пришли к заключению о шарообразности Земли, тогда же была высказана идея о вращении Земли вокруг своей оси. Важнейшими научными результатами землеведческого характера были: обоснование Аристотелем (384—322 гг. до н.э.) идей шарообразности Земли и наличия тепловых поясов на земной поверхности, вычисление Эратосфеном (276—194 гг. до н.э.) окружности Земли, осознание взаимодействия «стихий» и т.д. Эратосфену принадлежит термин «география».

В течение более чем тысячелетнего периода средневековья (III—XV вв. н.э.) в Европе наблюдался упадок науки, обусловленный социальными причинами и укреплением господства религии. В странах Востока продолжали развиваться некоторые идеи античных ученых-мыслителей, появились и новые идеи. Так, среднеазиатский ученый-энциклопедист аль-Бируни задолго до Коперника высказал мысль о гелиоцентрическом строении мира.

Многое дали развитию географии и ее отдельных направлений эпохи Средневековья и Возрождения. На грани XV и XVI столетий началась эпоха Великих географических открытий. Благодаря знаменитым путешествиям X. Колумба, Васко да Гама и Ф. Магеллана границы географического кругозора человечества расширились до масштабов всей земной поверхности. Замечательные путешествия совершили русские землепроходцы; они прошли через труднодоступные районы Сибири и в XVII в. вышли к Тихому океану.

Быстрое развитие космологии и небесной механики в XVI— XVII вв. (Н. Коперник, Г. Галилей, И. Кеплер, И. Ньютон) создало базу для теоретического осмысливания накопленных в наблюдениях и путешествиях материалов. Попытка создания научной географии была предпринята голландским географом Б. Варением (1622—1650). Его книга «Всеобщая география» сыграла выдающуюся роль в развитии научной географии. Варений назвал земную поверхность «земноводным кругом», как бы подчеркивая единство суши и океана. Он высказал разумные идеи о внутреннем строении Земли, описал ее внешние оболочки, выделил и охарактеризовал тепловые пояса.

На рубеже XVI и XVII вв. начинают оформляться контуры землеведения. Н.Карпентер (1625) попытался свести воедино сведения о природе Земли. Несколько позже (1650) появился труд Б. Варениуса, который можно считать официальным началом землеведения, где он записал, что «всеобщая география называется та, которая рассматривает Землю вообще, изъясняет ее свойства, не вступая в подробное стран описание». В 1664 г. Р. Декарт дал естественно-научное объяснение происхождения Земли. Он считал, что Солнце и все планеты Солнечной системы образовались в результате вихревого движения мельчайших частиц материи, а при формировании Земли произошла дифференциация вещества на огненно-жидкое металлическое ядро, твердую кору, атмосферу и воду. Этот труд породил много представлений (Т. Барнет, Дж. Вудворд, У. Уистон) о происхождении тел окружающего пространства и поведении земных масс. Возникли гипотеза контракции, базирующаяся на взглядах о сокращении объема планеты по мере ее остывания (Э. Бомон), предположения о зависимости крупных форм рельефа от движений земных масс, представления о непрерывной связи внутренних и внешних сил развития Земли (М.Ломоносов). Впервые были предприняты попытки классифицировать живые организмы (Дж.Рей, К.Линней, Ж.Ламарк), а естественную историю Земли стали рассматривать совместно с живыми организмами, включая человека (Ж.Бюффон, Г.Лейбниц). Значительным шагом в становлении идей развития природы стала гипотеза о происхождении Солнечной системы немецкого философа И. Канта (1724—1804). В которой автор опирался на открытые И.Ньютоном (1686) законы всемирного тяготения и движения материи. Он предложил механическую модель происхождения мира из первоначально рассеянной неоднородной материи путем самопроизвольного усложнения ее структуры. Признавая вечность и бесконечность Вселенной, И. Кант говорил о возможности нахождения в ней жизни. По существу, с И. Канта началось познание истории природы и Земли на строго научной основе. Еще до Канта идеи о развитии природы высказывались русским ученым-естествоиспытателем мирового значения М. В. Ломоносовым (1711—1765). Многие исследователи связывают зарождение современной научной географии с именем выдающегося немецкого ученого А. Гумбольдта (1769—1859). Он ставил задачей географии «...объять явления внешнего мира в их общей связи, природу как целое, движимое и оживляемое внутренними силами». Ему принадлежит утверждение, что география — это не энциклопедическое соединение естественных наук, что «ее последней целью является познание единства во множестве, исследование общих законов и внутренней связи теллурических явлений». Таким образом, Гумбольдт отчетливо осознавал географическое единство земной поверхности, и эту идею он попытался воплотить в своих трудах, в первую очередь в пятитомном фундаментальном труде по сравнительному землеведению (физическому миропониманию в оригинальной редакции) «Космос». Написал о своих путешествиях по Новому Свету в 30 томах. В них он изложил новейшие идеи: ввел понятия «земной магнетизм», «магнитный полюс» и «магнитный экватор», обосновал эволюционные изменения земной поверхности, заложил основы палеогеографии, сравнил фауну Южной Америки и Австралии, установив их связи и различия, исследовал очертания континентов и положения их осей, изучил высоты материков и определил положение центров тяготения континентальных масс. При изучении атмосферы Гумбольдтом были установлены изменения воздушного давления в зависимости от широты и высоты места и времени года, выяснено климатическое распределение теплоты, влажности, воздушного электричества, доказана тесная связь внутриземных и атмосферных процессов, а также взаимозависимость системы атмосфера—океан—суша. Понятие «климат» ученый употреблял в широком географическом понимании как свойство атмосферы, «...сильно зависимое от состояний моря и земли и произрастающей на ней растительности». Он также обосновал зависимость живой природы от климата и заложил основы научной геохимии. С именем К.Риттера (1779—1859) связано становление современной географии. Он показал интегрирующую роль географии в естествознании и познании окружающего мира, сформулировал вполне материалистичный взгляд на природу как совокупность всех вещей, «существующих вблизи и вдали от нас, соединенных временем и пространством в стройную систему», высказал идею равновесия природных процессов и явлений в постоянных круговоротах и превращениях, доказал взаимодействие суши, моря и воздуха в процессе функционирования. В 1862 г. Риттер создал первый курс землеведения (на русский язык переведен в 1864 г.), основой которого он полагал физическую географию, объясняющую силы (процессы) природы.

Оригинальную систему природы Земли ученый рассматривал как своеобразный организованный и постоянно развивающийся единый организм, отличающийся особым строением, законами и механизмами развития. К. Риттер придерживался мнения, что, только опираясь на идею земного организма или целостности Земли, можно представить появление и развитие ее составных частей, понять тайну устройства планеты.

К. Риттер создал научную школу, в которую входили такие крупные географы, как Э.Реклю, Ф.Ратцель, Ф. Рихтгофен, Э.Ленц, внесшие значительный вклад в понимание географических особенностей отдельных частей Земли и обогатившие содержание теоретического землеведения и физической географии.

В XIX в. завершилось изучение основных особенностей устройства земной поверхности. Топографической съемкой были покрыты значительные участки суши. В начале века русскими мореплавателями Ф.Ф. Беллинсгаузеном и М.П. Лазаревым была открыта Антарктида. Более активно стали исследоваться океаны. К середине века относится возникновение океанографии. Значительно расширилась сеть метеорологических и гидрологических станций и постов. Обобщение полученных материалов позволило к концу века в общих чертах представить распределение высот и глубин на земном шаре, механизмы и закономерности атмосферной и океанической циркуляции, поставить вопрос об исследовании теплового и водного балансов земной поверхности и атмосферы.

Вторая половина XIX в. характеризуется новыми разработками в географических науках, из которых появились самостоятельные дисциплины. Наибольшая роль в это время принадлежит российским исследователям А.И. Воейков (1842—1916) известен как основоположник климатологии. Он установил важнейшие факторы образования климата, обосновал энергетический баланс земного шара, объяснил механизм теплопередачи и климатические процессы в различных географических поясах. Взаимосвязь природных явлений исследовалась В.В.Докучаевым (1846—1903). Основным результатом его трудов следует считать разработку понятия «природный комплекс» применительно к почве — самостоятельному естественноисторическому телу и продукту взаимодействия климата, живых организмов и материнских горных пород.

Исследуя почвы и растительность, он ввел понятия «естественные исторические процессы» и «зоны природы», которые легли в основу открытого им закона мировой зональности. Докучаевым сформулирована программа комплексной и единой парадигмы нового естествознания — науки о соотношениях между живой и неживой природой, между человеком и окружающим его миром. Г.Н.Высоцкий (1865—1940) внес существенный вклад в понимание процессов функционирования природных комплексов. Он установил водорегулирующую роль верхнего горизонта почвы, выделил типы почв по характеру водного режима. Ему удалось показать значение леса в гидроклиматических особенностях географической оболочки и его роль как одного из факторов развития географической среды В методическом отношении его исследования обогатили науки о Земле применением пространственно-временных диаграмм для выявления изменений.

Примерно в эти же годы З.Пассарге (1867 - 1958) ввел фундаментальное понятие физической географии — «естественный ландшафт» — территорию, где все компоненты природы обнаруживают соответствие. Он выделил факторы ландшафта, составил ландшафтную классификацию на примере Африки.

В России в эти же годы близкими вопросами занимался Л. С. Берг (1876 - 1950), который обосновал понятие «ландшафтная зона» как совокупность одних и тех же ландшафтов и разработал обоснованное деление территории Сибири и Туркестана, а затем и всего Советского Союза на географические (ландшафтные) зоны. Он утвердил понятие о ландшафте как о закономерном единстве предметов и явлений, где целое влияет на части, а части — на целое. Им были заложены основы ландшафтно-географического районирования с выделением зон и ландшафтов как реально существующих природных образований с естественными границами. Берг сформулировал идею о смене ландшафтов в ходе развития планеты и доказал необратимость этих смен. Географию он считал наукой о географических ландшафтах, придавая ей тем самым страноведческий характер, а землеведение рассматривал как отрасль физической географии.

А.Н.Краснов (1862—1914) известен как основоположник конструктивного землеведения, позволившего ему на этой основе разработать и осуществить мероприятия по преобразованию Черноморских субтропиков. Он создал первый курс «Общего землеведения» (1895—1899), задачей которого было нахождение причинной связи между формами и явлениями, обусловливающими несходство различных частей земной поверхности, а также исследование их характера, распространения и влияния на жизнь и культуру человека. Краснов подчеркивал антропоцентричность географии. Ему принадлежат классификации климатов и растительного покрова Земли, районирование земного шара по типам растительности, исходя из зонально-регионального принципа. К пониманию зональности географических процессов и явлений он подошел до открытия В.В.Докучаевым закона мировой зональности и описаний Л. С. Бергом ландшафтных зон. Оценивая научное наследие А. Н. Краснова, необходимо подчеркнуть, что он был первым исследователем землеведения, который практически воплотил часть своих выводов в переустройстве обширной территории. В отличие от предшественников задачей землеведения ученый считал не описание разрозненных явлений природы, а выявление взаимной связи и взаимообусловленности между явлениями природы, полагая, что научное землеведение интересует не внешняя сторона явлений, а их генезис.

Вслед за учебником А. Н. Краснова было издано «Общее землеведение» А. А. Крубера (1917), где дано понятие «земная оболочка», или «геосфера» (впоследствии разработанное А.А.Григорьевым). Крубер подчеркивал единство всех компонентов географической среды, которые необходимо изучать в целостности. Этот учебник был основным всю первую половину XX в.

Огромное значение для развития землеведения имели работы В.И. Вернадского (1863— 1945), главным образом его учение о биосфере. Введенное им понятие «живое вещество» и доказательство его широчайшего распространения и постоянного участия в природных процессах и явлениях, поставили вопрос о необходимости нового понимания сущности географической оболочки, которую следовало рассматривать как биокосное формирование. Научно-философские рассуждения позволили Вернадскому наряду с другими учеными (Л.Пастером, П.Кюри, И.И.Мечниковым) высказать мнение о космическом происхождении жизни (теория панспермии) и особом характере живого вещества. Биосферу ученый понимал как взаимосвязанную систему живых организмов и среды их обитания. К сожалению, многие взгляды Вернадского, в том Охрана географической оболочки, сохранение ее чистоты для последующих поколений, возможные только объединенными усилиями человечества в условиях мира, стали велением времени.

Наблюдения из космоса помогли глубже понять геологическую структуру земной коры, течения и распределение жизни в океане, динамические явления в атмосфере. Главное же — они убедили в реальности географической оболочки как единого целого, функционирующего в результате взаимодействия литосферы, гидросферы и биосферы.

В современный этап развития общего землеведения существовавшая ранее океанография (в лучшем случае океанология) переросла в физическую географию Мирового океана, связанную с физической географией материков едиными ландшафтно-географическими закономерностями. Установлен планетарный характер срединно-океанических хребтов, выявлены их природа и роль в тектонической жизни земной коры в свете новой глобальной тектоники (тектоники литосферных плит). По-новому, ближе к действительности, стала рисоваться структура океанических течений. Много неожиданных открытий принесло изучение глубоководной фауны, которая оказалась богаче и разнообразнее, чем предполагалось.

Наряду с океаном активному изучению в современный этап подвергся ледовый вариант ландшафтной сферы. На ледниковом щите Антарктиды круглогодично работают научно-исследовательские станции СССР и ряда других государств. В Центральной Арктике дрейфуют начиная с 1937 г. советские станции «Северный Полюс».

С помощью искусственных спутников Земли, пилотируемых станций, метеорологических ракет получены достоверные физические характеристики верхних слоев атмосферы. Здесь обнаруживается целая система экранов, защищающих географическую оболочку от непосредственного воздействия солнечного ветра, рентгеновского и ультрафиолетового излучений, что позволило М. М. Ермолаеву (1969) различать географическое пространство. Верхнюю границу его он проводит у магнитопаузы, на высоте в среднем около 105 км.

Современный этап в развитии общего землеведения совпадает по времени с ландшафтным этапом в развитии физической географии. Ландшафтная теория и учение о географической оболочке достигли такого уровня, что стали оказывать определяющее воздействие на развитие отраслевых географических наук. Начало ландшафтному этапу было положено Первым Всесоюзным совещанием по вопросам ландшафтоведения в 1955 г.

Познание географической оболочки, а тем более географического пространства как целостных систем — задача столь сложная и трудоемкая, что настоятельно потребовала для своего решения объединения усилий ученых разных стран. Международное сотрудничество в этой области впервые было осуществлено путем проведения первого МПГ (Международного полярного года) в 1882—1883 гг., в максимум солнечной активности. В проведении его участвовало 11 стран, вокруг Северного Ледовитого океана было создано 10 станций, из них 2 — Россией. Второй МПГ проведен в 1932— 1933 гг., в минимум солнечной активности. В нем приняли участие 44 страны, организовано свыше 100 станций. С 1 июля 1957 г. начался Международный геофизический год (МГГ), длившийся 30 месяцев. В МГГ участвовало 67 стран, на 4 тысячах станций работали 30 тысяч специалистов в области метеорологии, океанологии, гляциологии, сейсмологии, геомагнетизма. По программе МГГ в СССР работали 500 станций и обсерваторий. Продолжением МГГ можно считать Международные проекты по изучению верхней мантии, литосферы, океана и ледников.

Середина и вторая половина XX в. были особенно наполнены событиями в различных отраслях знаний, которые потребовали качественных изменений во взглядах и суждениях.

Отметим наиболее значимые из них:

• поверхности планет и их спутников сложены горными породами основного и ультраосновного состава и испещрены кратерными неровностями — следами падений метеоритов или других космических тел;

• на объектах Солнечной системы почти повсеместно отмечены вулканические процессы и льдистые образования, часть из которых может быть замерзшей водой; большинство космических тел имеет

• собственную атмосферу со следами кислорода и органических соединений (метан и др.); в космическом пространстве широко распространено органическое вещество, в том числе за пределами Солнечной системы; вокруг Земли существует пылевая сфера — космическая пыль, состоящая из минерального и органического веществ;

• живые организмы на Земле обнаружены во всех сферах и различных обстановках: внутри горных пород на удалении от поверхности на тысячи метров, при температуре окружающей среды в сотни градусов по Цельсию и давлении в тысячи атмосфер, в условиях высоких значений радиоактивного и иного излучения, при низких температурах почти до абсолютного нуля, на дне океанов в условиях вулканических извержений (белые и черные курильщики), в различных рассолах, включая металлоносные, в абсолютной темноте и без присутствия кислорода; фотосинтез может проходить без солнечного света (при свете от подводных извержений), а бактерии могут производить органическое вещество за счет химической энергии (хемосинтез); живые организмы чрезвычайно многообразны и сложны по своему строению, хотя и состоят из ограниченного количества биохимических соединений и генетических кодов;

• строение коры континентов и дна океанов принципиально различается;

континенты имеют древние (более 3,0 — 3,5 млрд лет) архейские ядра, что свидетельствует о постоянном местоположении их центральных частей и разрастании площадей современных материков главным образом за счет наращивания по периферии более молодых геологических структур; горные породы материков допалеозойского возраста (более 1 млрд лет) в большинстве случаев метаморфизованы;

• удельный вес кислорода атмосферного воздуха больше удельного веса фотосинтетического кислорода, что указывает на глубинный источник его происхождения при дегазации вещества мантии; исследование дегазируемого вещества в пределах суши показало присутствие в нем (%) диоксида углерода — около 70, оксида углерода — до 20, ацетилена — 9, оксида серы — 3,7, метана — 2,1, доля азота, водорода и этана не превышает 1 %;

• в толщах Мирового океана происходит повсеместное перемешивание вод в виде восходящих и нисходящих потоков, разнообразных многоярусных течений, вихрей и др.;

• взаимодействие океана и атмосферы носит более сложный характер, чем предполагалось ранее (например, Эль-Ниньо и Ла-Нинья);

• природные катастрофы приводят к перемещению огромных масс вещества и энергии, что превышает эффект антропогенного воздействия на окружающую среду.

Новые данные убеждают в необходимости их учета при совершенствовании теоретических основ современного землеведения. Задача огромная, но посильная для исследователей XXI века. Следует максимально учитывать имеющиеся факты, интерпретируя их не только с позиций сегодняшних условий на поверхности Земли и прогрессивно-эволюционной направленности формирования геосистем, но и возможности иного пути развития (в частности направленно скачкообразного, эволюционно-катастрофического).

Структура Вселенной

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. Следовательно, можно сказать, что Вселенная это часть материального мира, доступная изучению естественнонаучными методами.

Вселенная является одним из конкретно-научных объектов экспериментального исследования. Предполагается, что фундаментальные законы естествознания верны для всей Вселенной. 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= 15*10в-6 км/(ссв. 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. По данным Ф.Ю.Зигеля, нормальная плотность межзвездного вещества в пересчете на атомы водорода составляет одну молекулу (2 атома) в 10 см³, в уплотненных облаках — туманностях она достигает нескольких тысяч молекул. Если концентрация превышает 20 атомов водорода в 1 см³, то начинается процесс сближения, перерастающий в аккрецию (слипание).

Изучение распространенности элементов в космосе – довольно сложная задача, так как вещество в космическом пространстве находится в различном состоянии (звезды, планеты, пылевые облака, межзвездное пространство и т.д.). Иногда состояние вещества трудно представить. Например, сложно говорить о состоянии вещества и элементов в нейтронных звездах, белых карликах, черных дырах при колоссальных температурах и давлениях. Тем не менее, науке достаточно много известно о том, какие элементы и в каких количествах есть в космосе.

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%). В межзвездном пространстве встречаются ионы и атомы различных элементов, а также группы атомов, радикалы и даже молекулы, например молекулы формальдегида, воды, HCN, CH₃CN, CO, SiO₂, CoS и др.

Особенно много в межзвездном пространстве ионов кальция. Кроме него, в космосе рассеяны атомы водорода, калия, углерода, ионы натрия, кислорода, титана и другие частицы. Вселенная заполнена электромагнитным излучением, которое называют реликтовым, т.е. оставшимся от ранних стадий эволюции Вселенной.

В глобальном масштабе Вселенная считается изотропной и однородной. Признаком изотропности, т.е. независимости свойств объектов от направления в пространстве, является равномерность распределения реликтового излучения. Самые точные современные измерения не обнаружили отклонений в интенсивности этого излучения в разных направлениях и в зависимости от времени суток, что одновременно свидетельствует о большой однородности Вселенной.

Другой особенностью Вселенной является неоднородность и структурность (дискретность) в малом масштабе. В глобальном масштабе в сотни мегапарсек вещество Вселенной можно рассматривать как однородную непрерывную среду, частицами которой являются галактики и даже скопления галактик. При более детальном рассмотрении отмечается структурированность Вселенной. 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.

Что касается пространства Вселенной, то его неограниченность не вызывает сомнения. Мир – это материя, а материя не может иметь границ в том смысле, что за материальным миром может располагаться нечто нематериальное. И это, разумеется, принципиальный философский вопрос – вопрос о материальном единстве мира. А если говорить о бесконечности или конечности той области материального мира, в которой мы живем, – Метагалактики (астрономы часто называют ее «наблюдаемой», или «астрономической» Вселенной), то в этом случае проблема бесконечности приобретает уже не философский, а чисто естественно-научный характер Изучая Вселенную, астрономы на основе данных наблюдений строят все более сложные и все более точные модели, способные описать и объяснить все большее число космических явлений. Однако любая такая теоретическая модель – это не сама Вселенная, а только ее приближенное описание, которое по мере развития науки становится все более глубоким и все более близким к реальной действительности.

Современные средства астрономических наблюдений – мощные телескопы и радиотелескопы – охватывают огромную область пространства радиусом около 12 миллиардов световых лет. Как мы уже отмечали, до одной из ближайших к нам галактик – туманности Андромеды – световой луч бежит 2 миллиона лет. А ведь огромный путь от Солнца до окраинной планеты Солнечной системы – Плутона – свет преодолевает всего за пять с половиной часов. Таковы скромные размеры планетной семьи Солнца на фоне гигантских масштабов Метагалактики 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.

Изучать нашу Галактику необычайно сложно. Это одна из труднейших задач науки. Ведь мы находимся внутри этой Галактики и не можем ни вылететь за ее пределы (чтобы взглянуть на нее со стороны), ни побывать в различных ее точках. Тем не менее, наука преодолевает эти трудности. Тщательно и всесторонне ученые исследуют электромагнитные излучения, приходящие из различных районов Галактики. Но нередко космические события не удается исследовать непосредственно; тогда на помощь астрономам приходит теория. Она связывает воедино результаты многочисленных наблюдений, обобщает их, находит в них определенные закономерности и таким образом восстанавливает недостающие в наших знаниях звенья космических процессов. Вселенная имеет гигантские размеры, а это означает, что для изучения ее объектов необходимо применять другие единицы измерения, отличные от единиц измерения на Земле. Для измерений в космическом пространстве используют:

- световой год, который соответствует расстоянию, которое пройдет свет за один год;

- астрономическая единица – соответствует радиусу орбиты Земли (1 а.е. равна 1,496.1011 км)

- парсек (параллакс-секунда), соответствует расстоянию, с которого радиус земной орбиты виден под углом 1 секунда. Под таким углом однокопеечная монета видна с расстояния 3 км. Самая ближняя звезда от Солнца – это Проксима Центавра находится на расстоянии 1,3 парсека или 4,1.1013 км.

Средняя плотность галактик в наблюдаемой части Вселенной составляет около 3 на 1 кубический миллион парсеков. Типичная скорость движения галактик около 1000 км/сек. Для прохождения расстояния до ближайшей соседки требуется около миллиарда лет. Отсюда видно, что за время существования Вселенной каждая галактика могла испытать, по меньшей мере, одно столкновение с другой галактикой

Эволюция Вселенной.

В соответствии с моделью расширяющейся Вселенной, разработанной А.А.Фридманом на основании общей теории относительности А. Эйнштейна, установлено, что:

1) в начале эволюции Вселенная пережила состояние космологической сингулярности, когда плотность ее вещества равнялась бесконечности, а температура превосходила 10²⁸ К (при плотности свыше 10⁹³ г/см³ вещество обладает неизученными квантовыми свойствами пространства-времени и тяготения);

2)вещество, находящееся в сингулярном состоянии, подверглось внезапному расширению, которое можно сравнить со взрывом («Большой взрыв»);

3)в условиях нестационарности расширяющейся Вселенной плотность и температура вещества убывают во времени, т.е. в процессе эволюции;

4)при температуре порядка 10⁹ К осуществлялся нуклеосинтез, в результате которого произошла химическая дифференциация вещества и возникла химическая структура Вселенной;

5) исходя из этого Вселенная не могла существовать вечно и ее возраст определяют от 13 до 18 млрд лет.

Стандартная модель эволюции Вселенной предполагает, что начальная температура внутри сингулярности превышала 10¹³ градусов по абсолютной шкале Кельвина. Плотность материи равнялась приблизительно 10⁹³ г/см³. В подобном состоянии неизбежно должен был произойти Большой взрыв, с которым связывают начало эволюции в стандартной модели Вселенной, называемой, поэтому также моделью Большого взрыва. Предполагаемые процессы, проходившие после Большого взрыва, описаны выше. Предполагается, что такой взрыв произошел примерно 20 миллиардов лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более умеренным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях ее эволюции. Полагают, например, что через 0,01 с после взрыва плотность материи с невообразимо большой величины должна была упасть до 10¹⁰ г/см³. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов). При этом могли происходить непрерывные превращения пар электрон + позитрон в фотоны и обратно – фотоны в пару электрон + позитрон. Но уже через три минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия. Остальные химические элементы образовались из этого дозвездного вещества в результате ядерных реакций. В момент, когда возникли нейтральные атомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде реликтового излучения. Это явление находится в полном соответствии с моделью «горячей Вселенной». Оно сохранилось до наших дней и наблюдается именно как реликт, или остаток, от той весьма отдаленной эпохи образования нейтральных атомов водорода и гелия.

Известный американский астроном К. Саган построил наглядную модель эволюции Вселенной, в которой космический год равен 15 миллиардам земных лет, а 1 секунда – 500 годам. Тогда в земных единицах времени эволюция представится так:

Большой взрыв 1 января 0 час. 0 мин

Образование галактик 10 января

Образование Солнечной системы 9 сентября

Образование Земли 14 сентября

Возникновение жизни на Земле 25 сентября

Океанский планктон 18 декабря

Первые рыбы 19 декабря

Первые динозавры 24 декабря

Первые млекопитающие 26 декабря

Первые приматы 29 декабря

Первые гоминиды 30 декабря

Первые люди 31 декабря примерно в 22 часа 30 мин.

По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших раньше симметрий и возникновения на этой основе новых структур. Тот факт, что любая эволюция сопровождается разрушением принципа положительной обратной связи, согласно которому неравновесность и неустойчивость, возникающие в открытой системе, вследствие взаимодействия со средой со временем не ликвидируются, а наоборот, усиливаются. Это приводит в конечном счете к разрушению прежних симметрий и возникновению новой структуры.

Очевидно, что о первоначальной эволюции Вселенной мы можем судить только на основании тех результатов, которые известны нам сегодня. Поэтому любая модель, которая строится для объяснения современного ее состояния, должна учитывать эти факты. Другими словами, о ранней эволюции Вселенной мы можем делать заключения только путем экстраполяции, или распространения известного на неизвестное, и выдвижения гипотез о неизвестных этапах ее развития.

Конечно, в стандартной модели имеется еще много неясного и спорного, но она опирается на такой твердо установленный факт, как смещение спектральных линий света, идущего от далеких галактик, который интерпретируется как удаление, или «разбегание», их от наблюдателя. Кроме того, эта гипотеза основывается на такой фундаментальной идее, как нарушение симметрий в процессе образования все новых и более сложных материальных структур и систем, которая лежит в фундаменте современной концепции системного подхода и синергетической самоорганизации. Этим, однако, не ограничивается связь синергетики со стандартной моделью Вселенной. Процессы микроэволюции Вселенной, продолжавшиеся не менее 10 миллиардов лет, привели к образованию молекул и тем самым явились предпосылкой для начала макроэволюции Вселенной, в результате которой возникли окружающие нас макротела, разнообразные их системы вплоть до галактических. Здесь существенное значение принадлежит различным физическим взаимодействиям. В настоящее время различают четыре типа физических взаимодействий. Непосредственно мы можем воспринимать два их типа:

• гравитационные взаимодействия, т.е. силы тяготения, которые действуют на все макротела и притом на достаточно больших расстояниях. Именно они, как хорошо известно, определяют движения планет, звезд, галактик и других космических систем;

• электромагнитные силы, которые играют решающую роль при образовании молекул, химических соединений, кристаллов и всех систем, которые занимают промежуточное положение между микромиром и мегамиром, состоящим из космических объектов и систем.

Остальные два типа физических взаимодействий (ядерные и слабые) непосредственно не воспринимаются человеком, но играют существенную роль при образовании разнообразных объектов микромира. Следует, впрочем, отметить, что приведенная характеристика четырех типов взаимодействий относится лишь к их современному состоянию. В ходе эволюции они соотносились иначе, а на первоначальном этапе, когда Вселенная была достаточно горячей, ядерные силы находились в симметрии с гравитационными, а силы электромагнитного взаимодействия – со слабыми взаимодействиями. Только вследствие нарушения симметрии между сильными ядерными и гравитационными силами стало возможным образование небесных тел, галактик и других космических систем. В свою очередь, нарушение симметрии между электромагнитными силами и слабыми взаимодействиями привело к образованию огромного множества тел, структур и систем, которые составляют окружающий нас видимый мир. Таким образом, благодаря нарушению симметрии между разными типами физических взаимодействий стало возможно не только возникновение микро- и макрообъектов, но также последующая взаимосвязанная эволюция микроскопической и макроскопической ветвей развития.

Микроэволюция обеспечила условия для развертывания макроэволюции. Освобождение гравитационных сил, произошедшее вследствие разрушения их симметрии с ядерными силами примерно через 700 тысяч лет после взрыва, привело к образованию звезд, галактик, их скоплений и других космических систем. В свою очередь гравитационные и ударные волны способствовали возникновению и развитию ядерных реакций внутри звезд и ядер галактик и их скоплений.

Следовательно, микро- и макроэволюции дополняли друг друга, вот почему они представляют собой две ветви единого процесса. Отсюда становится ясным, что возникновение и эволюция физических, химических, геологических и других систем неорганической природы прочно укладывается в рамки космической и земной эволюции. Однако наиболее важным для понимания места человека во Вселенной является возникновение жизни на Земле и социально-экономическая и культурно-историческая эволюция человечества.

Считать ли Вселенную бесконечной или конечной – зависит от конкретных эмпирических исследований и прежде всего от определения плотности материи во Вселенной. Однако оценка плотности распределения материи во Вселенной наталкивается на серьезные трудности, связанные с наличием, так называемого скрытого (невидимого) вещества в виде темных облаков космической материи. Хотя никакого окончательного вывода о том, является ли Вселенная открытой или замкнутой, сделать пока еще нельзя, но многие свидетельства говорят, по-видимому, в пользу открытой бесконечной ее модели. Во всяком случае, такая модель лучше согласуется с неограниченно расширяющейся Вселенной. Замкнутая же модель предполагает конец такого расширения и допущение ее последующего сжатия. Коренной недостаток такой модели состоит в том, что пока современная наука не располагает какими-либо фактами, подтверждающими подобное сжатие. К тому же сторонники замкнутой Вселенной признают, что эволюция Вселенной началась с Большого взрыва. Наконец, остается нерешенной и проблема оценки плотности распределения материи и связанной с ней величины кривизны пространства–времени.

Важной проблемой остается и оценка возраста Вселенной, который определяется по длительности ее расширения. Если бы расширение происходило с постоянной скоростью, равной в настоящее время 75 км/с, то время, истекшее с начала Большого взрыва, составило бы 13 миллиардов лет. Однако есть основания полагать, что расширение происходит с замедлением. Тогда возраст Вселенной будет меньше. С другой стороны, если допустить существование отталкивающих космологических сил, тогда возраст Вселенной будет больше.

Значительные трудности связаны также с обоснованием первоначально «горячей» модели в сингулярной области, поскольку предполагаемые плотности и температуры никогда не наблюдали и не анализировали в современной астрофизике. Но развитие науки продолжается, и есть основания надеяться, что и эти труднейшие проблемы со временем будут разрешены.

Главный же итог современных исследований состоит в том, что они показали: Вселенная не находится в стационарном состоянии, она непрерывно изменяется вследствие понижения в ней температуры. Именно в результате такого процесса происходит эволюция материи, связанная с появлением новых и сложных структур.

Теория большого взрыва

Первоначально теория Большого взрыва называлась «динамической эволюционирующей моделью». Впервые термин «Большой взрыв» применил Фред Хойл в своей лекции в 1949

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,7 ± 0,13 млрд лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с температурой примерно 1032 К (Планковская температура) и плотностью около 1093 г/см³ (Планковская плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.

Приблизительно через 10 в−35 секунд после наступления Планковской эпохи (Планковское время — 10в−43 секунд после Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение.

Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии).

После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения.

Критика теории Большого взрыва

Теория стационарной Вселенной - модель, разработанная в 1948 году Фредом Хойлом, Томасом Голдом, Германном Бонди в качестве альтернативы теории Большого взрыва. Согласно этой модели, по мере расширения Вселенной между разлетающимися галактиками постоянно создаётся новая материя. Таким образом космологический принцип соблюдается. Сейчас сторонников у данной теории практически нет.

Солнечная система

Солнечная система – это, прежде всего звезда Солнце и восемь планет, обращающихся вокруг него. В порядке расстояний от светила, они располагаются следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Современные названия планет связаны с именами богов древнеримской мифологии. При этом имена, данные планетам, не случайны: в какой-то степени они характеризуют их основные качества. Так, Меркурий (посланец богов) отличается яркостью и быстрым перемещением по небу; Венера (богиня красоты и любви) – яркостью и красотой; Марс (бог войны) – кроваво-красным оттенком; Юпитер (верховный бог) – величавым и спокойным блеском; Сатурн (бог времени и судьбы) – свинцово-мертвенным сиянием и крайне медленным перемещением среди звезд. Меткость названий в известной степени свидетельствует о большой наблюдательности древних астрономов. Но, разумеется, какие-либо физические характеристики планет в то время были совершенно неизвестны, и рассуждения о планетах основывались лишь на фантазии и религиозных представлениях. Современные научные представления о Солнечной системе имеют своим началом теорию, разработанную великим польским ученым Николаем Коперником (1473–1543). В результате многолетних наблюдений и раздумий Коперник пришел к выводу, что центр нашей планетной семьи – Солнце, а Земля представляет собой одну из планет. Открытие польского ученого положило конец более чем тысячелетнему господству геоцентрической системы, разработанной древнегреческим философом и ученым Аристотелем (IV в. до н.э.) и дополненной во II в. до н.э. Клавдием Птолемеем. Геоцентрическая система утверждала, что наблюдаемые движения небесных светил объясняются их обращением вокруг центра Вселенной – неподвижной Земли.

Законы движения планет вокруг Солнца открыл немецкий ученый Иоганн Кеплер (1571–1630). Кеплер установил, что планеты перемещаются вокруг нашего дневного светила по несколько вытянутым окружностям – эллипсам, и чем ближе планета к Солнцу, тем больше ее скорость. Но законы Кеплера, рисуя картину движения планет, ничего еще не говорили о тех силах, которые этими движениями управляют. Решение данной проблемы пришло позже – в результате открытия английским ученым Исааком Ньютоном (1642–1727) закона всемирного тяготения. Именно сила тяготения удерживает планеты около Солнца, не дает им улететь в космическое пространство и заставляет обращаться по замкнутым орбитам.

Солнце служит центром притяжения не только для больших планет, но и для десятков (а возможно, и сотен) тысяч различных космических тел: планетных спутников, астероидов, комет, а также метеоритов, частиц газопылевой материи, рассеянных атомов различных химических элементов, потоков атомных частиц и т. д.

Солнечной системе присущи определенные закономерности:

- орбиты планет лежат почти в одной плоскости, совпадающей с плоскостью экватора Солнца;

- планеты вращаются вокруг Солнца в том же направлении, в каком Солнце вращается вокруг своей оси, вращение собственных спутников планет происходит в том же направлении. Исключение составляет Венера, вращающаяся по часовой стрелке, Уран, который вращается «лежа на боку» - угол между плоскостью экватора Урана и плоскостью его орбиты составляет 82^о. В обратную сторону вращается Тритон – спутник Нептуна, маленькая Феба вокруг Сатурна и несколько маленьких спутников Юпитера.

- солнечная система обладает устойчивостью, несмотря на взаимное гравитационное возмущение;

- практически все вещество солнечной системы (99,9%) сосредоточено в Солнце. Почти половина оставшейся доли сосредоточена в Юпитере;

- планеты четко делятся на две группы: железокаменные, состоящие в основном из тяжелых элементов (железо, никель, кремний, кислород и др.) и водородно-гелиевые. К первым относятся Меркурий, Венера, Земля, Марс, расположенные сравнительно недалеко от Солнца (в пределах 1,5 астрономических единицы) ко вторым – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, расположенные достаточно далеко от Солнца (от 3 до 30 астрономических единиц). Эти группы планет резко отличаются по плотности.

Солнечная система, таким образом, – весьма сложное образование, ряд закономерностей которого стал доступен для изучения лишь в последние десятилетия. Огромную роль в их исследовании приобретает сейчас космонавтика – наиболее мощное и перспективное средство познания Вселенной.

Планетная космогония имеет свои специфические трудности. В ней крайне ограничена возможность эксперимента – лабораторным исследованиям доступны пока лишь метеориты и образцы лунных пород. Ограничены также возможности сравнительного метода исследования, так как строение и закономерности других планетных систем пока остаются неизвестными. Все наши представления о происхождении Солнечной системы мы должны основывать на закономерностях, присущих лишь ей одной. Так, важной закономерностью является то, что все планеты движутся вокруг Солнца в одном направлении, в единой плоскости и почти по круговым орбитам. С точки зрения законов небесной механики, это весьма редкий случай обращения тел под действием сил тяготения. Ведь согласно законам механики, такое движение должно происходить в разных направлениях и разных плоскостях, по вытянутым эллиптическим орбитам. Если бы Солнечная система образовалась в результате случайного, беспорядочного объединения небесных тел, то закономерности планетных движений значительно бы отличались от существующих.

Обращает на себя внимание также и то, что по своим физическим характеристикам планеты образуют две различные группы, отличающиеся размерами, плотностью, химическим составом планет. Одна из них состоит из сравнительно небольших планет земной группы – Меркурия, Венеры, Земли и Марса, которые имеют значительную плотность и состоят в основном из силикатов и металлов. Другую группу составляют планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, обладающие весьма малой плотностью, более быстрым вращением вокруг своей оси. Планеты второй группы состоят в основном из легких летучих элементов: на Юпитере и Сатурне преобладают водород и гелий, а на Уране и Нептуне – метан, аммиак, вода.

Меркурий

Ближайшая к Солнцу планета – Меркурий обладает наибольшей эллиптичностью своей орбиты, в результате чего расстояние от планеты до Солнца изменяется в пределах от 47 миллионов (в перигелии) до 70 миллионов (в афелии) километров. Среднее же расстояние от Солнца до Меркурия составляет 58 миллионов километров, в 3 раза меньше, чем до Земли. Несмотря на значительную яркость, эта планета с трудом поддается наблюдению, так как никогда не удаляется от Солнца более чем на 28 градусов к западу или к востоку. Это приводит к тому, что она почти всегда «прячется» на светлом фоне утренней или вечерней зари. И все же «неуловимая» планета иногда дарит ученым возможность наблюдать ее в дневное время, когда она медленно проходит на фоне солнечного диска. Это редкое астрономическое явление наблюдалось, в частности, в ноябре 1973 г.

Меркурий вокруг собственной оси оборачивается за 58,6 земных суток, а вокруг Солнца — за 88 суток. Температура на освещенной стороне оценивается в 325-437° С, на ночной стороне — от -123 до -185°С. Американский космический корабль «Маринер-10» в 1974 г. обнаружил на Меркурии разреженную атмосферу (давление 10-11 атм), состоящую из150 гелия и водорода в соотношении 50:1. Магнитное поле на Меркурии в 100 раз слабее земного, что в большой мере связано с медленным вращением планеты вокруг собственной оси. Анализ переданных кораблем «Маринер-10» изображений показал, что поверхность Меркурия имеет много общего с лунной. В то же время явно отмечается преобладание материкового рельефа над «морями». Наряду с похожими на лунные кратерами разных размеров отмечены отсутствующие на Луне эскарпы — обрывы высотой 2-3 км и протяженностью в сотни и тысячи километров.

Масса Меркурия равна 0,33 1027 г, что составляет 1/18 массы Земли. Несмотря на небольшие размеры (диаметр планеты 4880 км), Меркурий имеет необычайно высокую плотность (5,42 г/см3), что значительно выше плотности Луны и близко к плотности Земли.

О химическом составе поверхностных пород и недр Меркурия можно судить лишь по косвенным данным.

Отражательная способность меркурианского реголита свидетельствует о том, что он состоит из тех же пород, которые слагают лунный грунт. Высокая плотность планеты, видимо, означает наличие горячего, вероятно расплавленного, металлического ядра, на которое приходится, по расчетам, около 62% всей ее массы. Ядро окружено силикатной оболочкой толщиной порядка 600 км.

Меркурий – наименьшая из всех планет, его диаметр – всего 4880 километров. В телескоп он виден в виде серпика.

Любопытной особенностью планеты является длительный период суточного вращения: продолжительность солнечных суток на Меркурий равна 176 земным суткам. Это приводит к весьма резкому колебанию температуры: она меняется почти от 450 градусов тепла днем до 160 градусов холода в ночное время. Диапазон колебания температуры, таким образом, достигает почти 600 градусов. Таким образом, условия на Меркурий таковы, что органическая жизнь на этой планете невозможна: там нет кислорода и воды, чрезвычайно высокая температура, атмосферу пронизывает жесткое излучение Солнца – радиация, способная уничтожить жизнь в самом ее зародыше. В XIX веке появилась гипотеза о том, что Меркурий ранее являлся спутником Венеры. В 1976 году был произведен математический расчет этой гипотезы, который показал, что это может объяснить потерю вращательного момента у Меркурия и Венеры, большой эксцентриситет орбиты Меркурия, резонансный характер движения Меркурия вокруг Солнца. Убегание Меркурия могло произойти за 500 миллионов лет и сопровождалось огромным выделением энергии, которое разогревало и Венеру, и ее спутник. Эта гипотеза помогает объяснить и наличие магнитного поля у Меркурия, и химический состав его ядра. На основании анализа фотографий Меркурия американские геологи П. Шульц и Д. Гаулт предложили следующую схему эволюции его поверхности. После завершения процесса аккумуляции и формирования планеты её поверхность была гладкой. Далее наступил процесс интенсивной бомбардировки планеты остатками планетного роя, во время которой образовались бассейны типа Калорис, а так же кратеры типа Коперника на Луне. Следующий период характеризовался интенсивным вулканизмом и выходом потока лавы, заполнявшей крупные бассейны. Этот период завершился около 3 млрд. лет назад (возраст планет Солнечной системы известен довольно точно и равен 4,6 млрд. лет).

У Меркурия есть слабое магнитное поле, которое было обнаружено космическим аппаратом «Маринер-10». Напряженность магнитного поля на экваторе планеты 3,5 мГс, у полюсов 7 мГс, что составляет 0,7 % земного магнитного поля. Тщательное изучение магнитного поля планеты показало, что оно имеет более сложную структуру, чем земное. Кроме дипольного (двухполюсного) в нём присутствуют ещё поля с четырьмя и восемью полюсами. Со стороны Солнца магнитосфера Меркурия сильно сжата под действием солнечного ветра.

Высокая плотность и наличие магнитного поля показывает, что у Меркурия должно быть плотное металлическое ядро. По современным расчётам, плотность в центре Меркурия должна достигать 9,8 г/см³, радиус ядра составляет 1800 км (75 % радиуса планеты). На долю ядра приходится 80 % массы Меркурия. Несмотря на медленное вращение планеты, большинство специалистов считает, что её магнитное поле возбуждается тем же динамо-механизмом, что и магнитное поле Земли. Этот механизм сводится к образованию кольцевых электрических токов в ядре планеты при её вращении, которые и генерируют магнитное поле. Выяснение происхождения магнитного поля Меркурия может иметь большое значение для проблемы планетарного механизма в целом.

Над массивным ядром располагается силикатная оболочка толщиной 600 км. Плотность поверхностных пород порядка 3,3 г/см³. Данные об атмосфере Меркурия указывает лишь на её сильную разрежённость. Давление у поверхности планеты в 500 миллиардов раз меньше, чем у поверхности Земли (это меньше, чем в современных вакуумных установках на Земле). Меркурий расположен очень близко к Солнцу и захватывает солнечный ветер своим тяготением. Атом гелия, захваченный Меркурием, находится в атмосфере в среднем 200 дней. Кроме гелия на Меркурии зарегистрировано наличие водорода. Общее количество атомов и молекул газа в столбе атмосферы Меркурия около 2•1014 над 1 см² поверхности. При высоте атмосферы в несколько сотен километров это дает плотность у поверхности около 107 см^–3. Кроме того, раскаленные, как печь, твердые породы выделяют различные атомы, в том числе атомы щелочных металлов, которые регистрируются в спектре атмосферы. Подозревается присутствие углекислоты и угарного газа.

Венера

Вторая от Солнца планета – Венера, ближайшая наша соседка: при ее наибольшем сближении с Землей нас разделяет всего около 40 миллионов километров. Орбита Венеры отдалена от дневного светила на 108 миллионов километров.

За 225 земных суток Венера совершает полный оборот вокруг Солнца. Скорость ее движения по орбите – около 35 километров в секунду.

Несмотря на сравнительную близость к Земле, Венера – одна из наиболее «неразгаданных» планет. Густой облачный покров Венеры затрудняет ее изучение. Поперечник Венеры почти равен земному и составляет 12 000 километров. Наличие атмосферы и почти одинаковые с Землей размеры и масса долгое время позволяли ученым считать Венеру «близнецом» нашей планеты. Но исследования последних лет заставили ученых решительно отказаться от такого взгляда. Главное отличие Венеры от Земли – особенность ее суточного вращения. Оказалось, что сутки на этой планете, подобно Меркурию, длиннее ее года: оборот Венеры вокруг оси длится дольше, чем обращение вокруг Солнца, и совершается в обратном направлении, чем у других планет земной группы.

Ось вращения практически перпендикулярна к плоскости орбиты. Это значит, что на Венере не происходит смены времен года.

Через каждые полтора года Венера сближается с Землей, причем в это время всегда бывает обращена к Земле одним и тем же участком поверхности.

Отмеченные особенности движения Венеры создали совершенно особые условия снабжения ее солнечной энергией, и нашли свое отражение в других ее физических характеристиках. Многие из этих условий были выяснены в последние полтора-два десятилетия методом радиоисследования. Они показали, что на планете царит очень высокая температура, а ее атмосфера чрезвычайно насыщена углекислотой. Эти сведения блестяще подтвердились во время полетов к планете советских автоматических космических станций «Венера-4», «Венера-5», «Венера-6», «Венера-9» и «Венера-10».

Венера оборачивается еще медленнее, чем Меркурий, вокруг собственной оси — за 243 земных дня, причем в обратном направлении, в связи, с чем Солнце на Венере восходит на западе, а заходит на востоке. Венерианский год продолжается 224,7 земных суток.

Масса Венеры 4687 ^. 10²⁷ г, что составляет 81% земной массы. Средний радиус планеты — 6050 км, средняя плотность — 5,245 г/см³ , ускорение силы тяжести — 8,8 м/с²; вес предметов на Венере только на 10% меньше их веса на Земле.

Полагают, что кора планеты маломощная (15-20 км), а основная часть ее представлена силикатной оболочкой, сменяемой на глубине 3224 км железным ядром. Радиолокационное зондирование позволило установить наличие расчлененного рельефа — с горными цепями высотой до 8 км, с кратерами диаметром в десятки километров (максимально до 160 км) и глубиной до 0,5 км. Обширные выровненные пространства покрыты каменистыми россыпями остроугольных обломков.

Вблизи экватора обнаружена гигантская линейная впадина длиной до 1500 км и шириной 150 км при глубине до 2 км. Скорее всего, ее происхождение — рифтогенное. Венера, как и Луна, не имеет дипольного магнитного поля. Это связывают с ее высокой температурой. На поверхности планеты замеренная температура оказалась равной 468±7° С, а на глубине, видимо, составляет 700-800° С. В то же время породы поверхности обладают намагниченностью.

Атмосфера Венеры. Совсем недавно предполагалось, что «сестра» Земли является её подлинным повторением, что на её поверхности лишь немного теплее, что имеется гидросфера, а, может быть, и биосфера. Учёные называли Венеру и Землю планетами-близнецами, и далее мечтали обнаружить на Венере жизнь.

Поэтому на первых советских межпланетных космических станциях, отправляющихся к Венере, имелись приборы, позволяющие узнать, сел аппарат на твердую поверхность или качается на морских волнах.

Одна из причин заблуждения — чрезвычайно плотная атмосфера планеты, не позволяющая взглянуть на поверхность Венеры ни с Земли, ни даже с орбиты вращающегося вокруг нее космического аппарата.

До начала космической эры астрономы знали о Венере очень мало. Плотная облачность мешала им увидеть ее поверхность в телескопы. Не удавалось точно определить даже ее диаметр, поскольку она была постоянно окутана облаками. Не были известны ни температура на поверхности Венеры, ни давление, ни состав атмосферы, ни особенности рельефа. Космическим аппаратам удалось пройти сквозь атмосферу Венеры, состоящую, как выяснилось, в основном из углекислого газа с примесями азота и кислорода. Бледно-желтые облака в атмосфере содержат капельки серной кислоты, выпадающей на поверхность кислотными дождями.

Исследования атмосферы Венеры неоднократно проводились при спуске на поверхность планеты советских космических аппаратов «Венера», начиная с 1967 г., а также при помощи научной аппаратуры, установленной на воздушных шарах, которые были доставлены на планету советскими станциями «Вега-1» и «Вега-2

Газовый и аэрозольный состав атмосферы таков, что часть солнечного излучения проникает вплоть до поверхности Венеры. Однако прозрачность атмосферы для инфракрасного (теплового) излучения очень мала. В результате температура поверхности планеты оказывается чрезвычайно высокой. Это явление, называемое парниковым эффектом, на Венере значительно сильнее, чем на Земле, где аналогичный прирост температур составляет около 35 °. Ранее предполагалось, что из-за плотных облаков на поверхности Венеры всегда темно. Однако, полет "Венеры-8" показал, что для солнечного излучения облака Венеры достаточно прозрачны, так что освещенность на её поверхности примерно соответствует освещенности на Земле в пасмурный день. Однако и этого количества солнечной энергии оказывается достаточно, чтобы вследствие парникового эффекта температура на поверхности Венеры установилась выше, чем на Меркурии, расположенном ближе к Солнцу.

Средняя температура на Венере находится в пределах +470°С. Это означает, что такие металлы, как свинец, олово и цинк могут существовать там только в расплавленном состоянии. Суточные и годичные колебания температуры на Венере практически отсутствуют. Ее плотная атмосфера хорошо сохраняет тепло даже в условиях очень большой продолжительности венерианских суток. Перепады температуры от дня к ночи составляют не более 1°, а от экватора к полюсам — не более 12°. Но вот с высотой температура заметно понижается — на вершинах наиболее высоких гор она почти на 100° ниже, чем в низменностях. Хотя по земным меркам это все равно — сильнейшая жара.

Облачный покров планеты трехслойный: на высотах от 70 до 90 км находится разреженная стратосферная дымка, на 50—70 км — основной облачный слой, а на 30—50 км — подоблачная дымка. Основной облачный слой весьма стабилен, хотя местами он гуще, а местами чуть более прозрачный. Он оранжево-желтого цвета. Такой цвет неба, необычный для жителей Земли, обусловлен тем, что атмосфера Венеры состоит из СО², молекулы которого рассеивают именно эту часть солнечного света.

По мере приближения к поверхности Венеры, температура, давление и плотность атмосферы возрастают. Вблизи поверхности планеты плотность атмосферы всего в 14 раз меньше плотности воды, то есть давление газа на поверхности Венеры больше давления атмосферного газа на поверхности Земли в 90 раз! Такое давление, существует на Земле на глубине 90 метров под водой!.

Космонавт, оказавшийся на Венере, подвергся бы этой ужасной силе, которая его тут же раздавила бы. Космические корабли приходится конструировать так, чтобы они выдерживали сокрушительную, раздавливающую силу атмосферы Венеры.

Плотность атмосферы у поверхности Венеры примерно в 50 раз больше, чем у поверхности Земли. 40% массы венерианской атмосферы находится в пределах 10 км от поверхности планеты. Можно сказать, что воздух там в определенной степени вязкий и движение в такой плотной газовой среде должно чем-то напоминать перемещение в воде.

Таким образом, с высотой плотность атмосферного газа и температура уменьшаются. Так, на высоте 30 км. давление равно 9,4 бар, плотность 10 кг/м³ и температура 222°С. На высоте 60 км. давление падает до 0,09 бар, плотность падает до 0,2 кг/м³, а температура уходит в минус 30°С. Из-за высокого молекулярного веса атмосферного газа выше 150 км. атмосфера Венеры разряжена больше, чем атмосфера Земли на таких же высотах. Выше этого уровня преобладают легкие частицы — атмосферный кислород и углекислый газ. А еще выше (выше 320 километров) резко увеличивается относительное содержание гелия и водорода. Легкие составляющие атмосферного газа — угарный газ, кислород и водород появляются как результат распада (диссоциации) молекул углекислого газа и водяного пара. Эта диссоциация происходит под воздействием жесткого (высокоэнергичного) ультрафиолетового излучения Солнца в стратосфере Венеры. Атмосфера Венеры делится на разные высотные слои — тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу (криосферу).

Выше 700 километров начинается корона Венеры, состоящая только из водорода. Она простирается до 1000 километров и плавно переходит в межпланетную среду. На высотах короны температура практически не меняется с высотой. Она, конечно, зависит от времени суток, то есть от того количества тепла, которое поступает в атмосферу от Солнца. Это значит, что температуры днем выше, чем ночью. Так, выше 160 километров температура днем (в подсолнечной точке) близка к 300 К при минимальной солнечной активности и 450 К — при максимальной. Ночью температура падает до 100 К.

Наблюдения облачных структур в ультрафиолетовых лучах, проведенные с борта американского космического зонда «Маринер-10», показали, что на высотах около 50-60 км существуют постоянные атмосферные течения - ветры ураганной силы, скорость которых достигает 100—110м/сек (около 400 км/час). С приближением к поверхности, начиная с высоты 20 км, скорость ветра резко уменьшается и на высоте 10 км составляет уже лишь 3 м/сек (около 10 км/час). На самой же поверхности планеты; ветер дует со скоростью 0,5—1 м/сек (2—4 км/час). Однако надо иметь в виду, что на Венере, воздушная смесь в 50 раз плотнее земного воздуха, поэтому создаваемое таким ветром давление гораздо больше.

В атмосфере Венеры зарегистрированы грозовые разряды. По концентрации частиц облачный слой Венеры напоминает земной туман с видимостью в несколько километров. Облака, видимо, состоят из капелек концентрированной серной кислоты, ее кристалликов и частиц серы и водяных паров. Следует отметить, что капельки серной кислоты, хотя и в значительно меньшем количестве, присутствуют и в земной атмосфере. Вероятно, как и на Земле, на Венере серная кислота образуется из сернистого газа SO₂ - оксида серы(IV), источником которого являются вулканические извержения и серосодержащие породы поверхности - пириты.

Химический состав атмосферы. Вплоть до 1967 года, по аналогии с Землей, предполагалось, что основная химическая составляющая атмосферы Венеры — азот. Ученые считали, что кроме него там находится небольшое количество (1-10%) углекислого газа, полосы поглощения которого были обнаружены еще в 30-е годы. Однако, как показали самые простые химические датчики, установленные на первых «Венерах», все обстоит иначе — в атмосфере Венеры преобладает углекислый газ (по последним данным — 96,5%), а азота там менее 4% (3,5%). В атмосфере Венеры содержится не только углекислый газ и азот, но и целый ряд малых составляющих (малых — по количеству). Какие они и сколько их (усредненное количество), показано на диаграмме. На поверхности Венеры и в ее атмосфере очень мало воды - всего лишь более одной сотой процента. Правда, после самых первых полетов не удалось получить сведений о содержании многих малых составляющих атмосферы планеты — водяного пара, кислорода, угарного газа, соединений серы и инертных газов. А между тем, они играют огромную роль в жизни атмосферы: поглощают солнечное и тепловое излучение (вспомним о «парниковом» эффекте), вступают в химические реакции, образуют в результате конденсации частицы облачного слоя и т. д. Особый интерес представляют инертные газы, изотопы которых можно разделить на две группы. Радиогенные — образовались в результате радиоактивного распада элементов. Реликтовые — сохранились со времени образования Солнечной системы (около 4,5 миллиардов лет тому назад) Из абсолютного содержания реликтовых изотопов инертных газов и их соотношения с радиогенными можно почерпнуть некоторые сведения о тех условиях, в которых из протопланетной туманности когда-то рождались планеты, и о самом процессе формирования планет.

Марс

Следующая планета – Марс, орбита которого удалена от Солнца на 227 миллионов километров. Он получает от Солнца значительно меньше света и тепла, чем Земля. Но, отличаясь большей суровостью, условия на Марсе все же не выходят слишком далеко за пределы тех, которые можно считать допустимыми для существования живых организмов.

Марс расположен на 75 млн. км дальше Земли от Солнца, поэтому марсианские сутки длятся 687 земных, а солнечной энергии к нему поступает в 2,3 раза меньше по сравнению с Землей. Период обращения вокруг оси почти как у Земли — 24 ч 34 мин 22,6 сек. Наклон оси к плоскости орбиты также близок к земному — 24°. Это обеспечивает смену сезонов года и существование «климатических» поясов — жаркого экваториального, двух умеренных и двух полярных. В связи с малым количеством поступающей солнечной энергии контрасты тепловых поясов и сезонов года слабее земных.

Плотность атмосферы Марса меньше, чем у Земли, в 130 раз — всего 0,01 атм. В ее состав входят диоксид углерода (95%), азот (2,5%), аргон (2%), кислород (0,3%), пары воды (0,1%). Суточные колебания температуры превышают 100° С: на экваторе днем — около 10-20°, а на полюсах — порядка -100°.

Большие различия температуры наблюдаются между дневной и ночной сторонами планеты: от 10-30 до -120°С. На высоте около 40 км Марс окружен озоновым слоем. Имеющаяся на Марсе атмосфера весьма разрежена и прозрачна. В газовой оболочке содержится много углекислого газа и очень мало кислорода и водяных паров. Астрономы часто наблюдают в атмосфере планеты голубоватые и желтые облака. Первые, возможно, состоят из водяных паров, вторые – из мелкой пыли, вздымающейся во время бурь.

Масса Марса 0,64-10 г, радиус — 3394 км, средняя плотность — 3,94 г/см³, ускорение силы тяжести — 3,71 м/с².

Межпланетные советские станции обнаружили на Марсе собственное дипольное магнитное поле слабой интенсивности (на экваторе оно в 500 раз слабее земного).

Поверхность Марса изрыта многочисленными кратерами вулканического и метеоритного происхождения. Перепады высот поверхности в среднем составляют 12-14 км, но огромная кальдера вулкана «Нике Олимпикс» (Снега Олимпа) возвышается над окружающей поверхностью на 24 км. Диаметр его основания равен 500 км, а кратера — 65 км. Некоторые вулканы являются действующими. Поверхность Марса – почти безводная обширная пустыня красноватого цвета. На поверхности планеты можно заметить множество деталей, что позволило составить довольно подробные карты, даже глобусы Марса. Американские станции «Маринер-6», «Маринер-7» и «Маринер-9», а также советская автоматическая межпланетная станция «Марс-3» дали большой материал для характеристики поверхности планеты. Были сфотографированы обширные ее участки, многие из которых оказались покрытыми цирками и кратерами, как на Луне. На снимках Марса найдены следы как ударно-метеоритной, так и вулканической активности, следы многих процессов выветривания поверхности, перемещения и отложения наносов.

На некоторых участках обнаружены горные хребты, вулканические конусы и купола. В иных местах видны глубокие каньоны с изрезанными оврагами. Встречаются также хаотические нагромождения каменных обломков. И хотя в настоящее время на Марсе вряд ли имеется вода в свободном виде, на его поверхности обнаружено множество образований, похожих на русла высохших рек. Возможно, эти русла проложены не водой, а бурными грязевыми потоками, образованными водами, скрытыми в глубине марсианской коры.

Можно полагать, что основная часть запасов воды на Марсе сосредоточена в слоях вечной мерзлоты или громадных ледяных глыб, располагающихся на некоторой глубине. Характерная особенность поверхности Марса — наличие огромных тектонических трещин (например, каньон Маринер длиной 4000 км и шириной 2000 км при глубине до 6 км), напоминающих земные грабены. Раньше, при наблюдении поверхности Марса с помощью телескопов, они принимались за каналы (с которыми связано особенно много загадок и споров), открытыми в 1877 г. В телескопы они выглядят как сложная сеть длинных прямых линий, образование которых связывалось с деятельностью текучих вод, а в наиболее смелых гипотезах их считали искусственными сооружениями. Однако теперь определенно можно сказать, что эти «каналы» не что иное, как оптическая иллюзия, возникающая при плохом изображении.

Зафиксированы также многочисленные и протяженные формы, напоминающие речные долины, местами дендровидного характера.

На поверхности Марса различаются районы, имеющие светлую окраску («материковые» районы, сложенные, очевидно, гранитами), желтый цвет («морские» районы, сложенные, очевидно, базальтами), белоснежный облик (ледниковые полярные шапки). Исследование горных пород с помощью рентгенофлуоресцентных анализаторов (на американских аппаратах «Викинг») позволило определить такое соотношение химических элементов: кремнезем — 13-15%, окислы железа — 12-16%, кальций — 3-8%, алюминий — 2-7%, магний — 5%, сера — 3%, калий, титан, фосфор, хром, никель, ванадий. В целом грунт Марса по составу сходен с вулканическими земными породами, но существенно обогащен соединениями железа.

Плотность поверхностного грунта примерно равна земной (1,67-1,8 г/см³). Органических образований на поверхности не обнаружено.

В приповерхностных слоях планеты (на глубине 50 см и более) грунты скованы вечной мерзлотой мощностью до 1 км, а в недрах температура достигает 800-1500° С. На сравнительно небольшой глубине температура грунта, следовательно, должна находиться в интервале 15-25° С, а вода может быть в жидком состоянии. В этих условиях могут существовать простейшие живые организмы, следы жизнедеятельности которых не найдены.

Красноватый цвет поверхности Марса обусловлен, скорее всего, гематитизацией и лимонитизацией (окислением железа) горных пород. Но для этого нужны вода и кислород, которые, очевидно, поступают из-под грунтов при прогревании поверхности в дневное время или теплыми газовыми эксгаляциями, которые растапливают мерзлоту. Белый цвет полярных шапок, вероятно, объясняется выпадением замерзшей углекислоты и, может быть, водяного льда.

У Марса есть два спутника — Фобос и Деймос. Первый — более крупный, 27-21-19 км; его орбита проходит всего в 5000 км от планеты. Деймос имеет размеры 15-12-11 км; его орбита расположена выше, в 20 000 км от поверхности Марса. Судя по фотографиям корабля «Маринер-9», оба спутника являются осколками астероидов.

Юпитер

Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун сильно отличаются от планет земной группы. Большое расстояние этих планет от Солнца позволило им сохранить значительное количество первичного водорода и гелия, потерянных планетами земной группы под воздействием «солнечного ветра» и из-за недостаточности гравитационных сил. Хотя плотность вещества внешних планет сравнительно невелика (0,7-1,8 г/см³), объемы и массы их огромны. Самым крупньм является Юпитер, по объему в 1300, а по массе более чем в 318 раз превосходящий Землю. За ним следует Сатурн, масса которого в 95 раз превышает массу Земли. В этих двух планетах сосредоточено 92,5% массы всех планет Солнечной системы (71,2% у Юпитера и 21,3% у Сатурна). Замыкают группу удивительных внешних планет два гиганта-близнеца — Уран и Нептун. Поперечник второго всего на 3827 км больше диаметра Урана, а по объему любая из них превосходит Землю в десятки раз.

Среди планет-гигантов первое место принадлежит Юпитеру. Диаметр его в 11 раз больше земного; от Солнца он находится в 5 раз дальше, чем Земля. Юпитер, с его характерными, давно известными пятнами и полосами на поверхности, которые параллельны экватору и имеют изменчивые очертания, является самой доступной для исследования планетой.

Масса Юпитера (1,9^. 10³⁰ г) лишь на два порядка меньше солнечной. Среднее гелиоцентрическое расстояние — 778,34 млн. км, период обращения вокруг Солнца — 11,86 земных лет, осевая скорость вращения — 9 ч 58 мин, причем ось почти перпендикулярна к плоскости орбиты. Радиус Юпитера по верхней кромке атмосферы — 71 359 км. Средняя плотность, исходя из его водородно-гелиевого состава, 1,35 г/см³, но наличие твердого тела не исключается. Ускорение силы тяжести равно 25,8 м/с².

Юпитер обладает мощной атмосферой и сильным магнитным полем (в 10 раз сильнее земного), что определяет окружение планеты мощными радиационными поясами из протонов и электронов, захваченных магнитным полем Юпитера из «солнечного ветра». Состав атмосферы исследован космическими аппаратами по ее верхней кромке. Она содержит 77% молекулярного водорода, около 23% гелия и разнообразные примеси типа метана, аммиака, окиси углерода, паров воды, молекул фосфина, гидрида германия, цианистого водорода, а также других соединений. Присутствие этих веществ, возможно, является следствием ассимиляции разнородного материала из Космоса. Расслоенная водородно-гелиевая масса достигает толщины 4000 км и, вследствие неравномерного распределения примесей, образует полосы и пятна. Огромная масса Юпитера предполагает наличие мощного жидкого или полужидкого ядра астеносферного типа, которое может быть источником вулканизма. Последним, по всей вероятности, объясняется существование Большого Красного Пятна, наблюдения за поведением которого ведутся с XVII в. Температура верхних слоев атмосферы по измерениям равна - 130°С, в нижних она может достигать 1000°С. При наличии полужидкого или твердого тела-ядра на планете должен быть сильный парниковый эффект.

По мнению ряда ученых. Юпитер выполняет в нашей Солнечной системе роль своеобразного «пылесоса» — его мощное магнитно-гравитационное поле перехватывает блуждающие во мраке Вселенной кометы, астероиды и другие тела. Наглядным примером этого явился захват и падение на Юпитер кометы «Шумейкер — Леви-9» в 1994 г. Сила притяжения оказалась настолько большой, что комета раскололась на отдельные обломки — огромные глыбы льда и горных пород, которые со скоростью свыше 200 тыс. км/ч врезались в атмосферу Юпитера. Каждый взрыв достигал мощности в миллионы мегатонн, а наблюдатели с Земли видели пятна взрывов и расходящиеся волны возбужденной атмосферы. Эти события середины 1994 г. были заранее предсказаны и потому достаточно хорошо изучены

Юпитер имеет 16 спутников. Четыре самых крупных: Ганимед, Каллисто, Ио, Европа — носят название Галилеевых. Их поперечники больше, чем у Луны и Меркурия, и равны, соответственно, 5262, 4800, 3630 и 3140 км; периоды обращения вокруг планеты составляют от 2 до 12 суток; располагаются они на расстоянии от 1881 до 422 км от поверхности Юпитера.

Исследовавшие окружение планеты космические аппараты установили, что спутники сложены твердым каменным материалом, видимо, силикатного типа. На них обнаружены действующие вулканы, следы льдов и, возможно, жидкостей, среди которых предполагают даже присутствие воды. Например, на спутнике Ганимед с расстояния в 7 тыс. км видны испещренные старыми кратерами ледовые пространства, а также более молодые долинообразные понижения и цепи ледников со следами вулканической деятельности. Удивительно обнаружение на Ганимеде собственной магнитосферы — это как бы одна магнитосфера внутри другой, юпитерианской. Такое явление может свидетельствовать о наличии у спутника железного ядра. Сила притяжения на Ганимеде, который по величине равен 3/4 Марса и больше Луны, примерно в 6,5 раза меньше земной. На спутнике Европа виден ледяной панцирь, покрывающий всю поверхность, и его разрывы и расколы, возникшие под действием гравитационных сил Юпитера. На отдельных снимках, а их американская космическая лаборатория «Галилео» сделала с расстояния 692 км, просматриваются плавающие льдины — айсберги. Поэтому под ледовым панцирем предполагается наличие океана. В ряде мест отмечены многокилометровые ледяные потоки—ледники и признаки вулканической деятельности. Повторные снимки подтвердили полученную картину и породили у исследователей мысль о возможности существования здесь какой-то жизни.

Нептун

Нептун, самая удаленная от Солнца реальная планета, вращается на расстоянии 4,5 млрд. км от него, делая полный оборот за 165 земных лет. системы. Это в 30 раз дальше Земли от Солнца. Общий радиус планеты — 22 870 км, радиус расчетного твердого тела порядка 16 тыс. км, мощность атмосферы около 7 тыс. км. Средняя плотность с атмосферой — 2,2 г/см³, плотность твердого тела — 5,6 г/см³, масса планеты — 10^.10²⁷ г. Осевая скорость вращения — 15 ч 8 мин, ось вращения наклонена к плоскости орбиты под углом 29°. Облака атмосферы в основном образованы метаном. Американский космический аппарат «Вояджер-2» (ныне уже покинувший пределы Солнечной системы), пройдя в 5 тыс. км от планеты, обнаружил у нее второе кольцо, состоящее, как и первое, из каменных обломков темного цвета.

В верхних слоях атмосферы установлены потоки ветра, несущегося со сверхзвуковой скоростью. Строение и набор составляющих Нептун элементов, вероятно, почти такие же, как на Уране: различные «льды» и отвердевшие газы с содержанием около 15 % водорода и небольшого количества гелия. В отличие от Юпитера с Сатурном Уран и Нептун, возможно, не имеет четкого внутреннего расслоения. Но скорее всего, у Нептуна есть небольшое твердое ядро, равное по массе Земле.

Атмосфера Нептуна – это, по большей части, водород и гелий с небольшой примесью метана (1 %). Синий цвет Нептуна является результатом поглощения красного света в атмосфере этим газом – как и на Уране

На Нептуне наблюдаются сильнейшие ветры, параллельные экватору планеты, большие бури и вихри. На планете самые быстрые в Солнечной системе ветры, достигающие 700 км/час. Это означает существование в атмосфере градиентов температуры и давления, вызванных, видимо, внутренним нагревом со стороны планеты, что может свидетельствовать о происходящих вулканических процессах. Ветры дуют на Нептуне в западном направлении, против вращения планеты. Замечено, что у планет-гигантов скорость потоков и течений в их атмосферах увеличивается с расстоянием от Солнца. Эта закономерность не имеет пока никакого объяснения.

Нептун имеет 8 спутников, все каменные. Три из них значительных размеров: Тритон (диаметр 2700 км). Нереида (340 км) и Протей (400 км); остальные меньше — от 50 до 190 км. Тритон, ближайший к Нептуну спутник, по размерам больше половины Меркурия и равен почти 2/3 Луны, движется вокруг своей планеты в обратном направлении на расстоянии 353,6 тыс. км. Орбита Нереиды проходит в 5,6 млн. км от Нептуна, полный оборот спутник совершает за 360 земных суток. У Нереиды самая вытянутая эллиптическая орбита из всех спутников Солнечной.

Таким образом, планеты – гиганты резко отличаются от планет земной группы и по своим характеристикам, и по удаленности от Солнца. Столь огромные расстояния, измеряемые сотнями миллионов и миллиардами километров, сказываются и на продолжительности периодов их обращения вокруг Солнца (составляющих соответственно 12, 29, 84 и 165 земных лет) и на физических условиях, господствующих на этих планетах. Так, температура их на 100– 200 градусов ниже средней земной, атмосферы отличаются высоким содержанием легчайших газов – водорода и гелия. По-видимому, и в твердом веществе гигантов преобладают легкие химические элементы, так как все эти планеты имеют очень незначительную плотность: средняя плотность Юпитера – 1,3, Сатурна – всего 0,7, т.е. даже меньше плотности воды. Другая особенность планет-гигантов – их быстрое вращение вокруг своей оси. Продолжительность суток на Юпитере, Сатурне и Уране составляет всего 10-11 часов, на Нептуне – около 16 часов. Столь быстрое вращение сказывается на форме этих планет: они сплюснуты сильнее, чем Земля. Любопытно, что ось вращения Урана почти совпадает с плоскостью орбиты – планета движется, «лежа на боку». Это обстоятельство создает совершенно необычайные условия освещенности. На Уране, в отличие от других планет, нет деления на полярные и тропические зоны: Солнце периодически бывает здесь в зените и над экватором, и над полюсами.

Правда, из-за огромной удаленности от Солнца такое положение не имеет существенного значения для температурного режима на поверхности планеты. Температура на планете Уран не поднимается выше минус 200 градусов.

Поверхности планет-гигантов пока недостаточно исследованы: мощные атмосферы, насыщенные непрозрачными облаками, затрудняют их изучение. Атмосферы гигантских планет имеют совершенно иную структуру и химический состав, чем земная. Да и физические условия там никак не напоминают земные. Очевидно, сказывается различие в размерах небесных тел. Впрочем, размеры твердого тела планет измерить трудно – ведь мы видим только их обширную газовую оболочку. Особенно хорошо ее можно наблюдать у Юпитера. Даже в небольшой телескоп на нем видны темные полосы, пересекающие планету параллельно экватору. Астрономам удалось выяснить, что в атмосферах планет-гигантов содержится значительное количество метана и аммиака. Вместе с тем, как уже отмечалось выше, для этих планет характерно присутствие водорода и гелия. Низкая температура и высокое давление, присущие их атмосферам, приводят к тому, что внутренние газовые слои сгущаются настолько, что постепенно переходят в твердое состояние, образуя тело самой планеты.

Что касается плавающих в атмосферах облаков, то они могут состоять только из замерзших кристалликов аммиака – соединения водорода с азотом. Так внешне выглядят планеты-гиганты. Значительно труднее выяснить их внутреннее строение. Советские ученые - академик В.Г. Фесенков и доктор физико-математических наук А.Г. Масевич, изучая недра Юпитера и Сатурна, пришли к любопытным выводам. Согласно их расчетам, на незначительной глубине твердого тела Юпитера давление достигает 700 тысяч атмосфер. При этом водород приобретает удивительные металлические свойства. С глубиной давление там достигает огромной цифры – 20 миллионов атмосфер! Вместе с радиоактивным разогревом такое давление доводит температуру недр до 200 тысяч градусов! Это превышает температуру всех других планет, но еще далеко не достигает температур, господствующих в недрах звезд. Юпитер, по существу, небесное тело, занимающее промежуточное положение между планетой и звездой. И остальные планеты-гиганты близки ему по своей природе.

Сатурн

Сатурн – в 10 дальше Земли от Солнца. Эта «окольцованная» планета, представляет не меньший интерес, чем Юпитер. Его масса 5,68 10²⁹ г, радиус 60 400 км с атмосферой и 20 765 без нее. Средняя плотность, рассчитанная по видимому радиусу, очень низкая — 0,7 г/см³, без атмосферы она порядка 5,85 г/см³ . Толщина атмосферного слоя оценивается в 37-40 тыс. км. Гелиоцентрическое расстояние Сатурна — 1427 млн. км, период обращения на орбите — 29,5 земных суток, скорость обращения вокруг оси — 10 ч 14 мин, наклон оси к плоскости — 26°. Существенной особенностью Сатурна является наличие кольца, расположенного выше облачного слоя атмосферы. Наружный его диаметр — 274 тыс.км, что почти вдвое больше диаметра планеты; толщина кольца около 2 км. Наблюдениями с космических станций было установлено, что кольцо состоит из ряда мелких колец, находящихся на разном удалении друг от друга. Вещество колец представлено твердыми обломками, скорее всего, силикатных пород и ледяных глыб, размером от пылинки до нескольких метров. Природа колец неясна. Общая масса их вещества определяется в 0,01 массы Луны. Магнитное поле Сатурна по напряженности почти вдвое меньше земного. Ось диполя почти точно совпадает с осью вращения планеты. Полярность поля Сатурна противоположна полярности земного поля.

У Сатурна 17 спутников. Самый далекий из них — Феба (диаметр 110 км) находится в 13 млн. км от планеты и оборачивается вокруг нее за 550 дней. Самый близкий — Мимас (диаметр 195 км) располагается в 185,4 тыс. км и делает полный оборот за 2266 ч. Этот спутник вращается внутри колец Сатурна, влияя на их движение, причем сам перемещается в обратном направлении — навстречу вращению планеты. Его поверхность разбита гигантским кратером, диаметром свыше 100 км. На самом большом спутнике Сатурна — Титане (диаметр 5150 км) обнаружена достаточно плотная атмосфера, а поверхность его покрыта льдом. Такие же поверхности имеют другие крупные спутники: Рея (диаметр 765 км), Тефил (525 км) и Диона (560 км). Лед может быть водяного состава, а также метанового и аммиачного; последние газы вероятнее.

Повторные наблюдения установили, что в атмосфере Титана преобладает азот, но есть метан и другие газы.

Атмосферное давление здесь в 1,5 раза больше земного, а средняя температура поверхности порядка -180°С. Загадкой является присутствие углеводородов на спутниках Сатурна, а возможно, и на самой планете.

Уран

Уран удален от Солнца на 2869 млн. км., это в 19 раз дальше Земли. Период его обращения — 84 земных года, осевое вращение осуществляется за 10 ч 49 мин; средняя плотность с атмосферой — 1,35 г/см³, расчетная плотность твердого тела — 5,55 г/см³ (предположительно оно имеет радиус 15 600 км). Мощность атмосферы оценивается в 8500 км.

Масса планеты — 84,9^.10²⁷ г. Ось вращения Урана расположена почти в плоскости орбиты — отклонена от вертикали на 98°, т. е. планета как бы лежит на своей орбите. Уран обладает магнитным полем, полярность которого противоположна земной, а напряженность меньше земной.

Данные, полученные с «Вояджера-2», показали, что планета Уран имеет небольшое твердое железно-каменное ядро, над которым сразу начинается плотная атмосфера. Никаких океанов на Уране, по-видимому, нет. Такое строение планеты теперь называют двухслойной моделью. Температура в ядре достигает 7000 К, а давление – 6 миллионов атмосфер.

Эффективная температура Урана 59 К, что лишь чуть-чуть превышает ту температуру, которую он имел бы только под влиянием солнечного тепла. Следовательно, Уран почти не имеет внутренних источников энергии.

Предполагают, что вскоре после образования Солнечной системы произошло столкновение Урана с другим большим телом. Не исключено, что в результате этого столкновения Уран был опрокинут набок.

Возможно, обедненность легкими газами – следствие недостаточной массы зародыша планеты, и в ходе образования Уран не смог удержать возле себя большее количество водорода и гелия. А может быть, в этом месте зарождающейся планетной системы вовсе не было столько легких газов, что, конечно, в свою очередь, тоже требует объяснений. Как видно, ответы на вопросы, связанные с Ураном, могут пролить свет на судьбу всей Солнечной системы. Атмосфера на Уране мощная, толщиной не менее 8000 км. Атмосфера Урана (но не Уран в целом!) состоит примерно из 83 % водорода, 15 % гелия и 2 % метана. Метан, ацетилен и другие углеводороды в атмосфере планеты встречаются в значительно больших количествах, чем на Юпитере и Сатурне. Именно метановая дымка хорошо поглощает красные лучи, поэтому Уран кажется голубым.

Ветры в средних широтах на Уране перемещают облака в тех же направлениях, что и на Земле. Эти ветры дуют со скоростью от 40 до 160 м/с; на Земле быстрые потоки в атмосфере перемещаются со скоростью около 50 м/с.

Дневная освещенность на Уране соответствует земным сумеркам сразу после захода Солнца.

В плотной атмосфере Урана обнаружены кольцевые образования, пятна, вихри, струйные течения, что свидетельствует о неспокойной циркуляции воздушных масс. Направления ветров в основном совпадают с вращением планеты, причем в высоких широтах ветры сильнее. У планеты установлены 10 колец шириной от нескольких сотен метров до нескольких километров, белого и зеленовато-голубого цвета. Большинство частиц в кольцах около 1 м в диаметре. Внутри колец движутся каменные глыбы неправильной формы, диаметром 16-24 км, названные спутниками-пастухами. Вероятно, это астероиды.

Уран имеет 15 спутников. Пять из них значительных размеров, от 1580 до 470 км в диаметре, остальные — менее 100 км; все они похожи на астероиды, захваченные гравитационным полем Урана. Три больших спутника: Умбриэль (1170 км в диаметре), Ариэль (1160 км) и Миранда (470 км) — располагаются в пределах магнитосферы Урана, создавая в ней возмущения. Спутники имеют шаровидную форму; на поверхности некоторых из них замечены гигантские линейные полосы — трещины, возможно, следы скользящих ударов метеоритов.

Образование планеты.

Плотность планетарной воронки, значительно выше звёздной. В следствии чего, поверхность ядра является сжиженной а температура на ней, значительно ниже температуры поверхности звезды. Относительно низкая температура поверхности ядра планеты, способствует образованию отложений и формированию твёрдых пород. В последствии, твёрдая кора планеты полностью сформировывается а остаточный газ окутывающий планету, концентрируется вокруг неё образуя атмосферу и выпадая осадками на её поверхность.

Влияние планетарных воронок друг на друга, может приостановить формирование либо не дать полностью сформироваться одной или нескольким планетам одной солнечной системы, поддерживая их низкую плотность и высокую температуру поверхности ядра.

Облако Орта и пояс Койпера

Идеи о существовании связанного с Солнцем семейства комет высказывал еще в начале 70-х годов XIX века Джованни Скиапарелли. В 1950 году голландский космогонист Ян Оорт, проанализировав распределение орбит известных тогда комет, обнаружил, что большие полуоси их первичных орбит группируются к области, удаленной на расстояния более 200 000 а.е. Оорт предположил, что Солнечная система окружена гигантским облаком кометных тел (по его оценке насчитывающим до 1011 тел), находящихся на расстояниях от 20 000 до 200 000 а.е.

Если в 1950 году Оорт исходил из предположения о том, что эти тела были «заброшены» на такие расстояния в результате взрыва гипотетической планеты (которая раньше якобы существовала на месте современного главного пояса астероидов), то уже в 1951 перешел к представлениям, совпадающим с современными выводами. Считается, что в процессе роста планет-гигантов (в первую очередь Юпитера и Сатурна) при достижении ими достаточно большой массы гравитационные возмущения становятся настолько сильными, что начинается массовый выброс ими планетезималей из ближайших к их орбитам кольцевых зон. Практически все не вошедшие в планеты и находящиеся в этих зонах тела улетели во внешние области Солнечной системы. Облако, которое составили миллионы таких ледяных тел, в дальнейшем стали называть облаком Оорта. Это гигантский резервуар, в котором находятся кометные тела, и из которого под действием сближающихся с Солнцем звезд или гигантских газо-пылевых облаков они изменяют свои орбиты и попадают во внутреннюю область нашей планетной системы.

В 1951 году Койпер высказал гипотезу о существовании наряду с облаком Оорта еще одного резервуара комет. Первый объект пояса Койпера, расположенный на расстоянии 41 а.е., был открыт в 1992 году. Его назвали 1992QB1. В настоящее время открыто более 400 подобных объектов, размеры которых превышают 200 км, находящихся далеко за орбитой Нептуна и Плутона. По современным оценкам, в поясе Койпера до 35 000 объектов размерами свыше 100 км, а общая численность тел, по расчетам специалистов, оценивается в несколько миллиардов. Следовательно, пояс Койпера имеет полную массу, в сотни раз большую, чем пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера.

Объектов пояса Койпера на расстоянии, превышающем 100 а.е., не найдено. Либо далекие тела имеют более темную поверхность, либо за этой границей находятся только мелкие объекты. Ответить на вопрос, где заканчивается Солнечная система, предстоит в XXI веке.

Кроме обычных кометных ядер в поясе Койпера обнаружены объекты, поверхность которых имеет выраженный красный цвет. Красный цвет считают признаком наличия молекул, содержащих углерод и кислород, органические соединения. Могли ли кометы принести на Землю сырье для зарождения жизни?

В 2000 году в поясе Койпера обнаружен объект 20-й звездной величины, предварительно названный 2000WR106. По предварительным расчетам он имеет большие размеры (900–1200 км), чем самый крупный астероид Церера, обращающийся между Марсом и Юпитером. Но вне зависимости от этого 2000WR106 является обычным объектом пояса Койпера, а не новой планетой, открытой за орбитой Плутона. Средний радиус его орбиты составляет 43 а.е. Кстати, другой крупный объект пояса Койпера был обнаружен в начале 2000 года. Его радиус оценивается в 600 км. Очередной крупный астероид в поясе Койпера был открыт в июле 2001 года на расстоянии 42–49 а.е. от Солнца. Он получил наименование 2001KX76. Этот астероид совершает три оборота вокруг Солнца за время, в течение которого Нептун обращается вокруг Солнца четыре раза. Предполагают, что размеры небесного тела составляют 1270 км; в этом случае, он превышает размеры Цереры и спутника Плутона Харона.

Открытия таких крупных объектов пояса Койпера лишний раз подтверждает, что Плутон – не девятая планета Солнечной системы, а лишь крупнейший объект пояса Койпера.

К концу XX века из ряда объектов пояса Койпера был выделен новый тип, названный плутино. К таким телам относят транснептуновые объекты, которые движутся на резонансных орбитах (их периоды обращения относятся к периоду обращения Нептуна как 3:2). Поскольку именно так движется и большая планета – Плутон, эти объекты назвали плутино, то есть маленькие плутончики. К концу ХХ века было открыто около 200 плутино. Все они имеют большую полуось, равную примерно 39 а.е., а эксцентриситеты и наклоны орбит их могут сильно различаться.

Новая страница наших знаний о Солнечной системе была начата в 1977 году, когда был открыт объект 1977UB, получивший название Хирон. Этот объект имел признаки как кометы (наличие комы и хвоста), так и астероида (его размеры значительно превосходят размеры известных комет). Именно поэтому его назвали в честь древнегреческого кентавра Хирона (получеловека-полулошади).

В 1992 году был обнаружен второй кентавр – Фол, а в 1993 – третий, Несс. Все объекты этого класса (к концу ХХ века их открыли более 20) называют в честь мифических кентавров, а сам класс так и назвали: кентавры. Все кентавры расположены между орбитами Юпитера и Нептуна, движутся по сильно вытянутым орбитам с большим эксцентриситетом, а наклон орбиты к плоскости эклиптики изменяется от 0° до 25°.

На темной поверхности кентавра Асбол телескопом им. Хаббла был сфотографирован яркий и светлый кратер. Во время столкновения здесь были обнажены ледяные недра астериода. Кентавры считают беглецами из поиска Койпера. Наличие такого кратера можно считать доказательством столкновения, приведшего к переходу объекта из пояса Койпера на орбиту, более близкую к Солнцу.

Наличием пояса Койпера и облака Оорта объясняются особенности орбит короткопериодических и долгопериодических комет. Орбиты короткопериодических комет лежат в одной плоскости с планетами Солнечной системы. Такие кометы сформировались на «окраине» Солнечной системы одновременно с планетами. И принадлежат они поясу Койпера. А орбиты долгопериодических комет могут быть расположены как угодно.

Пояс астероидов

В конце XVIII века Тициус и Боде независимо друг от друга подметили закономерность в ряде чисел, выражающих средние расстояния планет от Солнца. Пятый член этого ряда не соответствовал никакой планете. 1 января 1801 года итальянский астроном Джузеппе Пиацци случайно открыл звезду, прямое восхождение и склонение которой заметно изменялось за сутки наблюдений. Гаусс вычислил орбиту этого астрономического объекта, большая полуось которого оказалась равной 2,77 а.е.; стало понятно, что открыта планета между Марсом и Юпитером. Ее назвали Церера в честь древнеримской богини плодородия.

В 1802 году немецкий врач Ольберс, увлекавшийся астрономией, открыл неподалеку от Цереры новый астероид, который назвали Паллада. В 1804 году была открыта Юнона, в 1807 году – Веста. Гершель предложил назвать маленькие планеты астероидами. Астероид по-гречески означает «звездообразный».

В 1804 году Ольберс высказал знаменитую гипотезу о разрыве гипотетической планеты Фаэтон между Марсом и Юпитером и образования астероидов – ее обломков.

Начиная с конца XIX века для поисков астероидов стали применять фотографию. При длительных экспозициях изображения астероидов из-за их быстрого движения получаются в виде черточек. В настоящее время известно более 12 000 астероидов. Сначала их называли именами божеств, потом – именами знаменитых людей. До недавнего времени соблюдалось правило: называть астероиды женскими именами, делая исключение для астероидов с необычными орбитами. Теперь от этого правила отказались.

В настоящее время астероиду сразу после открытия присваивается предварительное обозначение, содержащее год открытия (например, 1937 DA), а потом, если орбита астероида будет определена надежно, – постоянный номер и название.

А от гипотезы Ольберса пришлось отказаться. Подробные математические расчеты показывают, что астероиды произошли от дробления не одного, а нескольких тел большого размера.

Все астероиды имеют размеры меньше 1500 км, у них нет атмосферы и гидросферы. Форма астероидов самая разнообразная: от шаровой до сигарообразной. У астероидов большие различия в составе поверхности, что подтверждается их способностью отражать свет: у одних астероидов коэффициент отражения лишь 3 %, что делает структуру их поверхности похожей на свежевспаханный чернозем или новую автомобильную покрышку, тогда как у других он приближается к 50 %, как если бы она была покрыта меловыми отложениями. Так, поверхность астероида 52 Европа имеет альбедо всего 0,03, а Веста имеет альбедо 0,28. Периоды осевого вращения астероидов различаются в десятки раз: у некоторых малых планет это часы, у других – сутки.

Ныне принято считать астероидами все тела, размеры которых не менее 1 км. Тела меньших размеров получили название метеороидов. Общее число астероидов около 30–50 тысяч. Считается, что число астероидов размером более 200 км порядка тридцати. Астероидов размером от 80 км до 200 км – порядка тысячи.

• Самый крупный из астероидов: Церера, его радиус 470 км.

• Самый мелкий из известных: 1991 ВА, диаметр 9 м.

• Плотность астероидов обычно лежит в пределах от 2 до 8 г/cм3.

• Самые темные астероиды: 95 Аретуза, Бамберг, черные, как уголь или сажа.

• Наибольшее приближение к Земле: 1991 ВА, 170 000 км.

• Наибольшее приближение к Солнцу: Икар и Фаэтон. Оба подходят к Солнцу ближе Меркурия.

Одним из наиболее удаленных астероидов главного пояса является Хирон, открытый в 1977 году. Его орбита целиком лежит между Сатурном и Ураном, а диаметр – около 200 км. Он может быть захваченной кометой или вырвавшемся на волю от тяготения планеты спутником Сатурна.

«Население» пояса астероидов весьма разнообразно. Но все эти различия меркнут перед разнообразием орбит астероидов. Все планеты Солнечной системы движутся в одной плоскости по почти круговым орбитам. А астероиды, подчиняясь влиянию Солнца и планет, движутся по самым разнообразным траекториям.

Среди астероидов есть группы, которые движутся по орбите Юпитера вокруг Солнца, как его свита. Группа Греки (Ахилл, Аякс, Одиссей и другие) опережает Юпитер на 60°. Группа Троянцы (Приам, Эней, Троил и другие) отстает от Юпитера на 60°. В настоящее время считают, что в последней группе находится около 700 астероидов.

Астероиды находятся не только между орбитами Юпитера и Марса – часть из них рассеяна по всей Солнечной системе, и каждая планета, вероятно, имеет свою группу астероидов

Для планеты Земля важно знать астероиды, орбиты которых близко подходят к ней. Выделяют три семейства астероидов (по их типичным представителям):

1221 Амур; орбита в перигелии почти касается Земли;

1862 Аполлон; орбита в перигелии заходит за орбиту Земли;

2962 Атон; семейство пересекают земную орбиту.

Строение Солнца и солнечно земные связи

Центральное тело нашей планетной системы – Солнце. Оно могучий источник энергии: ежесекундно наше светило излучает такое количество тепла, которого бы вполне хватило, чтобы растопить слой льда, окружающий земной шар толщиной в тысячу километров.

Солнце – раскаленный газовый шар, температура в центре которого очень высока, настолько, что там могут происходить ядерные реакции. В центре Солнца температура достигает 15 миллионов градусов, а давление в 200 миллиардов раз выше, чем у поверхности Земли. Газ сжат здесь до плотности около 1,5·105 кг/м3 (тяжелее железа).

Солнце – сферически симметричное тело, находящееся в равновесии. Плотность и давление быстро нарастают вглубь; рост давления объясняется весом всех вышележащих слоев. В каждой внутренней точке Солнца выполняется условие гидростатического равновесия. Это означает, что давление на любом расстоянии от центра уравновешивается гравитационным притяжением. В центральной области с радиусом примерно в треть солнечного – ядре – происходят ядерные реакции. Затем через зону лучистого переноса энергия излучением переносится из внутренних областей Солнца к поверхности. И фотоны, и нейтрино рождаются в зоне ядерных реакций в центре Солнца. Но если нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом и мгновенно свободно покидают Солнце, то фотоны многократно поглощаются и рассеиваются до тех пор, пока не достигнут внешних, более прозрачных слоев атмосферы Солнца, которую называют фотосферой. Пока температура высока – больше 2 миллионов градусов, – энергия переносится лучистой теплопроводностью, то есть фотонами. Зона непрозрачности, обусловленная рассеянием фотонов на электронах, простирается примерно до расстояния 2/3R радиуса Солнца. При понижении температуры непрозрачность сильно возрастает, и диффузия фотонов длится около миллиона лет.

Примерно с расстоянии 2/3R находится конвективная зона. В этих слоях непрозрачность вещества становится настолько большой, что возникают крупномасштабные конвективные движения. Здесь начинается конвекция, то есть перемешивание горячих и холодных слоев вещества. Аналогичный процесс происходит в кипящей воде. Время подъема конвективной ячейки сравнительно невелико – несколько десятков лет.

Химический состав Солнца примерно такой же, как и у большинства других звезд. Примерно 75 % – это водород, 25 % – гелий и менее 1 % – все другие химические элементы (в основном, углерод, кислород, азот и т.д.). Сразу после рождения Вселенной «тяжелых» элементов не было совсем. Все они, т.е. элементы тяжелее гелия и даже многие альфа-частицы, образовались в ходе «горения» водорода в звездах при термоядерном синтезе. Характерное время жизни звезды типа Солнца десять миллиардов лет.

Основной источник энергии – протон-протонный цикл – очень медленная реакция (характерное время 7,9·109 лет), так как обусловлена слабым взаимодействием. Ее суть состоит в том, что из четырех протонов получается ядро гелия. При этом выделяются пара позитронов и пара нейтрино, а также 26,7 МэВ энергии.

Наблюдаемое излучение Солнца возникает в его тонком внешнем слое, который называется фотосферой. Толщина этого слоя 0,001R = 700 км. В фотосфере образуется видимое излучение Солнца, имеющее непрерывный спектр. Плотность вещества на нижней границе фотосферы 5·10^–7 г/см³, тогда как на верхней границе она в тысячу раз меньше (атмосфера Земли у поверхности более плотна).

«Видимая» поверхность Солнца определяется той глубиной в атмосфере, ниже которой она практически непрозрачна. За эту поверхность условно принимают уровень, на котором при наблюдении сверху оптическая толщина на длине волны λ = 500 нм достигает единицы. Он него отсчитывают высоту h в атмосфере.

Видимый нами свет излучается отрицательными ионами водорода. Они же его и поглощают, поэтому с глубиной фотосфера быстро теряет прозрачность. Вот почему видимый край Солнца кажется нам очень резким. На поверхности Солнца можно разглядеть много деталей. Вся фотосфера Солнца состоит из светлых зернышек, пузырьков. Эти зернышки называются гранулами. Размеры гранул невелики, 1000–2000 км (около 1" дуги), расстояние между ними – 300–600 км. На Солнце наблюдается одновременно около миллиона гранул. Каждая гранула существует несколько минут. Гранулы окружены темными промежутками, как бы сотами. В гранулах вещество поднимается, а вокруг них – опускается. Грануляция – проявление конвекции в более глубоких слоях Солнца.

Гранулы создают общий фон, на котором можно наблюдать несравненно более масштабные образования, такие, как протуберанцы, факелы, солнечные пятна и др. Хромосфера Солнца видна только в моменты полных солнечных затмений. Луна полностью закрывает фотосферу, и хромосфера вспыхивает, как небольшое кольцо ярко-красного цвета, окруженное жемчужно-белой короной. Хромосфера получила свое название именно из-за этого явления (греч. «окрашенная сфера»).

Размеры хромосферы 10–15 тысяч километров, а плотность вещества в сотни тысяч раз меньше, чем в фотосфере. Температура в хромосфере быстро растет, достигая в верхних ее слоях десятков тысяч градусов. Рост температуры объясняется воздействием магнитных полей и волн, проникающих в хромосферу из зоны конвективных движений. Здесь нагрев происходит, как в микроволновой печи, только гигантских размеров.

На краю хромосферы наблюдаются выступающие язычки пламени – хромосферные спикулы, представляющие собою вытянутые столбики из уплотненного газа. Температура этих струй выше, чем температура фотосферы.

Самая внешняя, самая разреженная и самая горячая часть солнечной атмосферы – корона. Она прослеживается от солнечного лимба до расстояний в десятки солнечных радиусов. Несмотря на сильное гравитационное поле Солнца, это возможно благодаря огромным скоростям движения частиц, составляющих корону. Корона имеет температуру около миллиона градусов и состоит из высокоионизированного газа. Возможно, причиной такой высокой температуры являются поверхностные выбросы солнечного вещества в виде петель и арок. Миллионы колоссальных фонтанов переносят в корону вещество, нагретое в глубинных слоях Солнца.

Яркость короны в миллионы раз меньше, чем фотосферы, поэтому корону можно видеть только во время полного солнечного затмения, либо с помощью коронографа. Наиболее яркую ее часть принято называть внутренней короной. Она удалена от поверхности Солнца на расстояние не более одного радиуса. Внешняя корона Солнца имеет протяженные границы.

Ученые давно задумывались над тем, каким образом Солнце восполняет запасы своей энергии, столь щедро излучаемой в мировое пространство. На первых порах наиболее естественным считалось предположение, что энергия нашего дневного светила не пополняется. Но в таком случае температура Солнца должна была бы заметно понижаться (по расчетам, на 2% в год), а следовательно, непрерывно уменьшалось бы количество тепла и света, получаемых Землею. Между тем измерения, проводившиеся на протяжении ряда лет на специальных горных станциях, говорят о том, что поток светового и теплового излучения Солнца практически не меняется. А это означает, что энергия нашего светила постоянно пополняется из какого-то источника.

В свое время высказывалось предположение, что таким источником может служить непрерывное сжатие Солнца, происходящее под действием сил тяготения. Так действительно могло бы происходить, но тогда источника тепла и света хватило бы лишь всего на 20 миллионов лет. Между тем геологические данные убедительно свидетельствуют, что наша планета существует не менее 5 миллиардов лет. Возраст Солнца, следовательно, по крайней мере, не ниже этой цифры. Современная физика, раскрыв тайны атомного ядра и сложнейших ядерных превращений, пролила новый свет на загадку солнечной энергии. Правда, мы лишены возможности непосредственно наблюдать, что происходит в недрах Солнца.

Но о внутренней жизни светила можно судить по процессам, протекающим на солнечной поверхности, по тем периодическим изменениям, которые здесь происходят.

В настоящее время можно считать доказанным, что в недрах Солнца при огромнейших температурах – в десятки миллионов градусов – и чудовищных давлениях протекают так называемые термоядерные реакции, которые сопровождаются выделением огромного количества энергии. Одной из таких реакций является, например, синтез ядер гелия. При этом четыре ядра атома водорода в результате длинной цепи ядерных превращений образуют одно ядро атома гелия. Подсчитано, что каждую секунду в недрах нашего дневного светила 564 миллиона тонн водорода превращаются в 560 миллионов тонн гелия, а остальные 4 миллиона тонн водорода переходят в излучение. Итак, термоядерная реакция в недрах Солнца будет происходить до тех пор, пока не иссякнут запасы водорода. В настоящее время они составляют около 60% массы Солнца. Такого резерва должно хватить по меньшей мере на несколько десятков миллиардов лет. Следовательно, человечество на долгие времена обеспечено солнечным теплом и светом.

Наше Солнце – источник не только света и тепла: его поверхность излучает потоки невидимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, а также корпускул – заряженных частиц вещества. Воздействие этих излучений на характер процессов в земной атмосфере было замечено уже много лет назад. Но изучение их по-настоящему началось лишь в последние годы.

Солнечно-земные связи. Генеральная схема солнечно-земных связей включает электромагнитное и корпускулярное излучения, которые обусловливают ряд процессов и явлений во всех геосферах (например, полярные сияния, магнитные бури и связанные с ними последствия). Активность Солнца различна, выделяют периоды, когда в результате происходящих на Солнце процессов наша планета получает дополнительное (по сравнению с излучением Солнца в спокойном состоянии) излучение, которое влияет на характер многих земных процессов.

Под солнечной активностью обычно понимают совокупность всех физических и энергетических изменений, происходящих на Солнце и вызывающих на нем видимые образования: пятна и факелы в фотосфере, флоккулы и вспышки в хромосфере, протуберанцы в короне.

Солнечная вспышка — взрывообразное высвобождение большого количества энергии, происходящее обычно вблизи больших групп солнечных пятен. Вспышка сопровождается резким возрастанием яркости излучения во всех диапазонах волн, а также выбросом плазменных частиц, которые воздействуют на межпланетную среду и планеты.

Более 350 лет назад, сразу же после открытия телескопа, было обнаружено, что на ослепительно ярком диске Солнца время от времени появляются пятна. В последующем было установлено, что температура в области пятен на 1000—1500 К ниже температуры поверхности Солнца, вследствие чего они кажутся относительно темными и хорошо заметны на фотосфере. Продолжительность существования солнечных пятен различна и колеблется от нескольких часов до месяцев. Размеры пятен также непостоянны и изменяются от нескольких сотен до десятков и сотен тысяч километров в поперечнике. Пятна концентрируются главным образом в широтных зонах от 5° до 35-40° каждого полушария Солнца и отсутствуют в полярных и экваториальных областях.

Согласно одной из гипотез, более низкие температуры в области расположения солнечных пятен связаны с процессами неравномерного конвективного перемешивания основных солнечных газов — водорода и гелия, в результате чего конвективный поток, подойдя к фотосфере, имеет более низкую температуру, чем окружающие его участки. По другим представлениям, более низкая по сравнению с фотосферой температура в области солнечного пятна обусловлена тем, что часть тепловой энергии пятна превращается в энергию его магнитного поля.

Для количественной характеристики солнечной активности используют разные числовые показатели, установленные в основном эмпирическим путем. Среди них — число {индекс) Вольфа, которое вычисляется по формуле

где k — коэффициент, зависящий от условий наблюдений и вида инструмента; g — число групп и отдельных пятен; f — общее число всех пятен (в группах и отдельных пятен).

Из формулы видно, что индекс Вольфа — суммарный показатель, который характеризует пятнообразовательную деятельность Солнца, но не учитывает качественную сторону солнечной активности — мощность пятен и их устойчивость во времени.

В 1843 г. астрономом Г. Швабе было установлено, что все элементы солнечной активности претерпевают многолетние изменения, явно обнаруживая цикличность. Обстоятельные исследования были проделаны Вольфом, который установил, что средняя продолжительность цикла колебаний числа солнечных пятен близка к 11 годам. Исходя из непосредственных наблюдений, ученые определяют число солнечных пятен ежедневно, ежемесячно и ежегодно. Максимальный уровень солнечной активности был зарегистрирован в 1957 г. Очевидно, что 11-летний цикл не является единственным среди колебаний солнечной активности и правильнее выделять 22-летний, состоящий из двух 11-летних циклов разного знака (четный и нечетный). В свою очередь, допускают существование 44-летнего цикла. В деятельности Солнца отмечена цикличность и более крупного масштаба, прежде всего 80 —90-летний цикл, который имеет важное значение для объяснения многолетних колебаний общей циркуляции атмосферы (иногда его причисляют к вековым ритмам). Кроме 11-летнего цикла солнечной активности существуют и другие, в частности, 100- летний, или вековой. Такие циклы как бы накладываются друг на друга. Благодаря этому общий уровень солнечной активности зависит от того, на каком этапе своего развития находится в данный момент каждый из циклов. Невидимые излучения Солнца достигают наибольшей интенсивности в те годы, когда максимумы циклов совпадают. Подобное совпадение произошло, например, в 1957 г.

Солнце оказывает заметное влияние не только на такие природные процессы, как погода, земной магнетизм, но и на биосферу – животный и растительный мир Земли, а также и на человека.

Солнечная активность — фактор, влияющий на многие процессы в географической оболочке. Первыми встречают солнечную радиацию верхние слои земной атмосферы. Нарушения в ионосфере, возникающие в периоды повышения солнечной активности, отражаются на характере атмосферных процессов в этом слое и вызывают соответствующие изменения в стратосфере и тропосфере, а также в других оболочках планеты. Влияние солнечной активности на биологические процессы отмечалось многими исследователями. В конце прошлого столетия русский ученый Н. Шведов обнаружил связь между толщиной годичных колец у деревьев и циклами активности нашего дневного светила. Другие ученые установили связь между солнечной активностью и ростом морских кораллов, размножением рыб и грызунов, набегами саранчи

Внутреннее строение Земли

Земля на ранних этапах формирования представляла собой холодное космическое тело, содержащее все известные в природе химические элементы. Атмосферы и гидросферы тогда не существовало, поверхность планеты была совершенно безжизненна. Но постепенно за счет гравитационных сил, энергии распада радиоактивных элементов и лунных приливов недра Земли стали разогреваться. Когда температура недр достигла уровня плавления окислов железа и других соединений, начались активные процессы формирования ядра и основных оболочек планеты.

Общим процессом формирования оболочек Земли, согласно гипотезе академика А.П. Виноградова, послужило зонное плавление в мантии, располагающейся вокруг ядра. При этом тугоплавкие и тяжелые элементы погружались вниз, образуя и наращивая ядро, а легкоплавкие и легкие по массе элементы поднимались вверх, образуя земную кору и литосферу.

Таким образом, Земля, как и другие планеты, имеет оболочечное строение. Установить внутреннее строение Земли удалось сейсмическим методом исследования (от греч. трясение, колебание). При прохождении сквозь тело Земли сейсмических волн (продольных и поперечных) скорости их на некоторых глубинных уровнях заметно меняются (причем скачкообразно), что свидетельствует об изменении свойств проходимой волнами среды. Иными словами отчетливо обособляются земная кора и внутреннее ядро. В промежуточном между ними поясе, а также внутри ядра налицо лишь изменение темпа увеличения скоростей. Видно также, что Земля до глубины 2900 км находится в твердом состоянии, т.к. через эту толщу свободно проходят поперечные упругие волны (волны сдвига), которые только и могут возникать и распространятся в твердой среде. Прохождение поперечных волн сквозь ядро не наблюдалось и это давало основания считать его жидким. Однако новейшие расчеты показывают, что модуль сдвига в ядре невелик, но все же не равен нулю (как это характерно для жидкости) и, стало быть, ядро Земли ближе к твердому, чем жидкому состоянию. Разумеется, в данном случае понятия «твердого» и «жидкого» нельзя отождествлять с аналогичными понятиями, применяемыми к агрегатным состояниям вещества наземной поверхности: внутри Земли господствуют высокие температуры и огромные давления. Таким образом, во внутреннем строении Земли выделяют земную кору, мантию и ядро.

Земная кора – первая оболочка твердого тела Земли, имеет мощность 30-40 км. По объему она составляет 1,2% объема Земли, по массе – 0,4%, средняя плотность равна 2,7 г/см3. Состоит преимущественно из гранитов; осадочные породы в ней имеют подчиненное значение. Гранитная оболочка, в составе которой огромную роль играют кремний и алюминий, называется «сиалической» («сиаль»). От мантии земная кора отделена сейсмическим разделом, названным границей Мохо, по фамилии сербского геофизика А. Мохоровичича (1857-1936), открывшего этот «сейсмический раздел». Эта граница четкая и наблюдается во всех местах Земли на глубинах от 5 до 90 км. Раздел Мохо не является просто границей между породами различного типа, а представляет собой плоскость фазового перехода между эклогитами и габбро мантии и базальтами земной коры. При переходе из мантии в кору давление так падает, что габбро переходят в базальты (кремний, алюминий + магний – «сима» - силиций+магний). Переход сопровождается увеличением объема на 15% и, соответственно, уменьшением плотности. Поверхность Мохо считают нижней границей земной коры. Важная особенность этой поверхности состоит в том, что она в общих чертах представляет собой как бы зеркальное отражение рельефа земной поверхности: под океанами она выше, под континентальными равнинами ниже, под наиболее высокими горами опускается ниже всего (это так называемые корни гор).

Выделяют четыре типа земной коры, они соответствуют четырем наиболее крупным формам поверхности Земли. Первый тип называется материковым, его мощность 30-40 км, под молодыми горами она увеличивается до 80 км. Этот тип земной коры соответствует в рельефе материковым выступам (включается подводная окраина материка). Наиболее распространено деление ее на три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый. Осадочный слой, толщиной до 15-20 км, сложен слоистыми осадками (преобладают глины и глинистые сланцы, широко представлены песчаные, карбонатные и вулканогенные породы). Гранитный слой (мощность 10-15 км) состоит из метаморфических и изверженных кислых пород с содержанием кремнезема свыше 65 %, близких по своим свойствам к граниту; наиболее распространены гнейсы, гранодиориты и диориты, граниты, кристаллические сланцы). Нижний слой, наиболее плотный, толщиной 15-35 км, получил название базальтового за сходство с базальтами. Средняя плотность материковой коры 2,7 г/см3. Между гранитным и базальтовым слоями лежит граница Конрада, названная по фамилии открывшего ее австрийского геофизика. Название слоев – гранитный и базальтовый – условны, они даны по скоростям прохождения сейсмических волн. Современное название слоев несколько иное: второй слой называется гранитно-метаморфическим, т.к. собственно гранитов в нем почти нет, сложен он гнейсами и кристаллическими сланцами. Третий слой – гранулитобазитовый, его образуют сильнометаморфизованные горные породы.

Второй тип земной коры – переходный, или геосинклинальный – соответствует переходным зонам (геосинклиналям). Расположены переходные зоны у восточных берегов материка Евразии, у восточных и западных берегов Северной и Южной Америки. Имеют следующее классическое строение: котловина окраинного моря, островные дуги и глубоководный желоб. Под котловинами морей и глубоководными желобами нет гранитного слоя, земная кора состоит из осадочного слоя повышенной мощности и базальтового. Гранитный слой появляется только в островных дугах. Средняя мощность геосинклинального типа земной коры 15-30 км.

Третий тип – океаническая земная кора, соответствует ложу океана, мощность коры 5-10 км. Имеет двухслойное строение: первый слой – осадочный, образован глинисто-кремнисто-карбонатными породами; второй слой состоит из полнокристаллических магматических пород основного состава (габбро). Между осадочным и базальтовым слоями выделяется промежуточный слой, состоящий из базальтовых лав с прослоями осадочных пород. Поэтому иногда говорят о трехслойном строении океанической коры.

Четвертый тип – рифтогенная земная кора, она характерна для срединно-океанических хребтов, ее мощность 1,5-2 км. В срединно-океанических хребтах близко к поверхности подходят породы мантии. Мощность осадочного слоя 1-2 км, базальтовый слой в рифтовых долинах выклинивается.

Существуют понятия «земная кора» и «литосфера». Литосфера – каменная оболочка Земли, образованная земной корой и частью верхней мантии. Мощность ее составляет 150-200 км, ограничена астеносферой. Только верхняя часть литосферы называется земной корой.

Мантия по объему составляет 83% объема Земли и 68% ее массы. Плотность вещества возрастает до 5,7 г/см3. На границе с ядром температура увеличивается до 38000С, давление – до 1,4 х 1011Па. Выделяют верхнюю мантию до глубины 900 км и нижнюю – до 2900 км. В верхней мантии на глубине 150-200 км присутствует астеносферный слой. Астеносфера (греч. asthenes – слабый) – слой пониженной твердости и прочности в верхней мантии Земли. Астеносфера – основной источник магмы, в ней располагаются очаги питания вулканов и происходит перемещение литосферных плит.

Ядро занимает 16% объема и 31% массы планеты. Температура в нем достигает 50000С, давление – 37 х 1011Па, плотность – 16 г/см3. Ядро делится на внешнее (до глубины 5100 км) и внутреннее. Внешнее ядро – расплавленное, состоит из железа или металлизованных силикатов, внутреннее – твердое, железоникелевое.

От плотности вещества зависит масса небесного тела, масса определяет размеры Земли и силу тяжести. Наша планета имеет достаточные размеры и силу тяжести, она удержала гидросферу и атмосферу. В ядре Земли происходит металлизация вещества, обусловливая образование электрических токов и магнитосферы.

Земной магнетизм

Вокруг Земли существуют разнообразные поля, наиболее существенное влияние на ГО оказывают гравитационное и магнитное.

Гравитационное поле на Земле – это поле силы тяжести. Сила тяжести – равнодействующая сила между силой притяжения и центробежной силой, возникающей при вращении Земли. Центробежная сила достигает максимума на экваторе, но и здесь она мала и составляет 1/288 от силы тяжести. Сила тяжести на земле в основном зависит от силы притяжения, на которую оказывает влияние распределение масс внутри Земли и на поверхности. Сила тяжести действует повсеместно на земле и направлена по отвесу к поверхности геоида. Напряженность гравитационного поля равномерно уменьшается от полюсов к экватору (на экваторе больше центробежная сила), от поверхности вверх (на высоте 36 000 км равна нулю) и от поверхности вниз (в центре Земли сила тяжести равна нулю).

Нормальным гравитационным полем Земли называется такое, которое было бы у Земли, если бы она имела форму эллипсоида с равномерным распределением масс. Напряженность реального поля в конкретной точке отличается от нормального, возникает аномалия гравитационного поля. Аномалии могут быть положительными и отрицательными: горные хребты создают дополнительную массу и должны бы вызвать положительные аномалии, океанические впадины, наоборот – отрицательные. Но на самом деле земная кора находится в изостатическом равновесии.

Изостазия (от греч. isostasios – равный по весу) – уравновешивание твердой, относительно легкой земной коры более тяжелой верхней мантией. Теория равновесия была выдвинута в 1855 г. английским ученым Г.Б. Эйри. Благодаря изостазии избытку масс выше теоретического уровня равновесия соответствует недостаток их внизу. Это выражается в том, что на определенной глубине (100-150 км) в слое астеносферы вещество перетекает в те места, где имеется недостаток масс на поверхности. Только под молодыми горами, где еще полностью компенсация не произошла, наблюдаются слабые положительные аномалии. Однако равновесие непрерывно нарушается: в океанах происходит отложение наносов, под их тяжестью дно океанов прогибается. С другой стороны, горы разрушаются, высота их уменьшается, значит, уменьшается и масса.

Гравитационное поле Земли для ее природы имеет чрезвычайно важное значение:

1. Сила тяжести создает фигуру Земли, она является одной из ведущих эндогенных сил. Благодаря ей, выпадают атмосферные осадки, текут реки, формируются горизонты подземных вод, наблюдаются склоновые процессы. Давление масс вещества, реализующееся в процессе гравитационной дифференциации в нижней мантии, наряду с радиоактивным распадом порождает тепловую энергию – источник внутренних (эндогенных) процессов, перестраивающих литосферу.

2. Земное тяготение уплотнило внутреннее вещество земли и, независимо от его химического состава, сформировало плотное ядро.

3. Сила тяжести удерживает газовую и водную оболочки планеты. Атмосферу планеты покидают только самые легкие молекулы – водорода и гелия.

4. Сила тяжести обуславливает стремление земной коры к изостатическому равновесию. Силой тяжести объясняется максимальная высота гор; считается, что на нашей Земле не может быть гор выше 9 км.

5. Астеносфера – размягченный теплом слой, допускающий движение литосферы, - тоже функция сила тяжести, поскольку расплавление вещества происходит при благоприятном соотношении количества тепла и величины сжатия – давления.

6. Шаровая фигура гравитационного поля определяет два основных вида форм рельефа на земной поверхности – конические и равнинные, которые соответствуют двум универсальным формам симметрии – конической и билатеральной.

7. Направление силы тяжести вниз, к центру Земли, помогает животным удерживать вертикальное положение

Тепловой режим поверхностного слоя земной коры (в среднем до 30 м) имеет температуру, определяемую солнечным теплом. Это гелиометрический слой, испытывающий сезонные колебания температуры. Ниже – еще более тонкий горизонт постоянной температуры (около 20 м), соответствующий среднегодовой температуре места наблюдения. Ниже постоянного слоя температура с глубиной нарастает – геотермический слой. Для количественного определения величины этого нарастания двумя взаимно связанными понятиями. Изменение температуры при углублении в землю на 100 м называется геотермическим градиентом (колеблется от 0,1 до 0,01 0С/м и зависит от состава горных пород, условий их залегания), а расстояние по отвесу, на которое необходимо углубиться, чтобы получить повышение температуры на 10, называется геотермической ступенью (колеблется от 10 до 100 м/0С).

Земной магнетизм – свойство Земли, обусловливающее существование вокруг нее магнитного поля, вызванного процессами, происходящими на границе ядро-мантия. Впервые о том, что Земля – магнит, человечество узнало благодаря работам У. Гильберта.

Магнитосфера – область околоземного пространства, заполненная заряженными частицами, движущимися в магнитном поле Земли. Она отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Это внешняя граница магнитосферы.

В основе образования магнитного поля лежат внутренние и внешние причины. Постоянное магнитное поле образуется благодаря электрическим токам, возникающим во внешнем ядре планеты. Солнечные корпускулярные потоки образуют переменное магнитное поле Земли. Наглядное представление о состоянии магнитного поля Земли дают магнитные карты. Магнитные карты составляются на пятилетний срок – магнитную эпоху.

Нормальное магнитное поле было бы у Земли, будь она однородно намагниченным шаром. Земля в первом приближении представляет собой магнитный диполь – это стержень, концы которого имеют противоположные магнитные полюса. Места пересечения магнитной оси диполя с земной поверхностью называются геомагнитными полюсами. Геомагнитные полюсы не совпадают с географическими и медленно движутся со скоростью 7-8 км/год. Отклонения реального магнитного поля от нормального (теоретически рассчитанного) называются магнитными аномалиями. Они могут быть мировыми (Восточно-Сибирский овал), региональными (КМА) и локальными, связанными с близким залеганием к поверхности магнитных пород.

Магнитное поле характеризуется тремя величинами: магнитным склонением, магнитным наклонением и напряженностью. Магнитное склонение - угол между географическим меридианом и направлением магнитной стрелки. Склонение бывает восточным (+), если северный конец стрелки компаса отклоняется к востоку от географического, и западным (-), когда стрелка отклоняется к западу. Магнитное наклонение - угол между горизонтальной плоскостью и направлением магнитной стрелки, подвешенной на горизонтальной оси. Наклонение положительное, когда северный конец стрелки смотрит вниз, и отрицательное, если северный конец направлен вверх. Магнитное наклонение изменяется от 0 до 900. Сила магнитного поля характеризуется напряженностью. Напряженность магнитного поля небольшая составляет на экваторе 20-28 А/м, на полюсе – 48-56 А/м.

Магнитосфера имеет каплевидную форму. На стороне, обращенной к Солнцу, ее радиус равен 10 радиусам Земли, на ночной стороне под влиянием «солнечного ветра» увеличивается до 100 радиусов. Форма обусловлена воздействием солнечного ветра, который, наталкиваясь на магнитосферу Земли, обтекает ее. Заряженные частицы, достигая магнитосферы, начинают двигаться по магнитным силовым линиям и образуют радиационные пояса. Внутренний радиационный пояс состоит из протонов, имеет максимальную концентрацию на высоте 3500 км над экватором. Внешний пояс образован электронами, простирается до 10 радиусов. У магнитных полюсов высота радиационных поясов уменьшается, здесь возникают области, в которых заряженные частицы вторгаются в атмосферу, ионизируя газы атмосферы и вызывая полярные сияния.

Географическое значение магнитосферы очень велико: она защищает Землю от корпускулярного солнечного и космического излучения. С магнитными аномалиями связан поиск полезных ископаемых. Магнитные силовые линии помогают ориентироваться в пространстве туристам, кораблям.

Возраст Земли. Геохронология.

Земля возникла как холодное тело из скопления твердых частиц и тел, подобных астероидам. Среди частиц были и радиоактивные. Попав внутрь Земли, они там распадались с выделением тепла. Пока размеры Земли были невелики, тепло легко уходило в межпланетное пространство. Но с нарастанием объема Земли производство радиоактивного тепла стало превышать его утечку, оно накапливалось и разогревало недра планеты, приводя их в размягченное, пластическое состояние, которое и открыло возможности для гравитационной дифференциации вещества – всплывания более легких минеральных масс к поверхности (давая начало образованию земной коры) и постепенного опускания более тяжелых – к центру (начало формирования металлического ядра). Интенсивность дифференциации с глубиной затухала, т.к. в этом же направлении в связи с увеличением давления возрастала вязкость вещества. Земное ядро не было захвачено дифференциацией, сохранило свой первозданный силикатный состав. Но резко уплотнилось из-за высочайшего давления, превысившего миллион атмосфер. Можно выделить несколько этапов в развитии Земли:

1. Стадия первоначального сгустка материи в материнском пылегазовом облаке.

2. Стадия небольшой планеты (сравнимой по объему с нынешним Меркурием), уже способной удерживать вокруг себя постоянную газовую оболочку. Зачатки тектонической деятельности (источники энергии: распад радиоактивных веществ и, возможно, начало гравитационной дифференциации). Выделение с изверженными породами газов H2O, CO2, NH4, и включение их в состав первичной атмосферы.

3. Земля достигает современных размеров. Ее внешняя каменная оболочка – вероятно, базальтового состава. Накопление неживого органического вещества и развитие его в сторону образования высокомолекулярных соединений.

4. Появление доклеточных форм жизни. Организмы только гетеротрофные.

5. Появление одноклеточных организмов и возникновение автотрофных живых существ. Обогащение атмосферы свободным кислородом и азотом за счет жизнедеятельности микроорганизмов.

Возраст Земли устанавливается с помощью радиоактивного метода, применять его можно только к породам, содержащим радиоактивные элементы. Если считать, что весь аргон на Земле – продукт распада калия-49, то возраст Земли будет не менее 4 млрд. лет. Подсчеты О.Ю. Шмидта дают еще более высокую цифру – 7,6 млрд. лет. В.И. Баранов для исчисления возраста Земли взял отношение между современными количествами урана-238 и актиноурана (урана-235) в горных породах и минералах и получил возраст урана (вещества, из которого потом возникла планета) 5-7 млрд. лет.

Таким образом, возраст Земли определяется в интервале 4-6 млрд. лет. Историю развития земной поверхности удается пока непосредственно восстановить в общих чертах лишь начиная с тех времен, от которых сохранились древнейшие горные породы, т.е примерно за 3 – 3,5 млрд. лет (Калесник С.В.).

Геохронология – обозначение времени и последовательности образования горных пород. Если залегание горных пород не нарушено, то каждый слой моложе того, на котором он залегает. Верхний слой образовался позднее всех лежащих ниже.

Историю Земли обычно делят на два эона: криптозой (скрытый и жизнь: нет останков скелетной фауны) и фанерозой (явный и жизнь). Криптозой включает две эры: архей (4500 млн. лет назад) и протерозой (2600). Фанерозой охватывает последние 570 млн. лет, в нем выделяют палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры, которые, в свою очередь, делятся на периоды. Часто весь период до фанерозоя называют докембрием (кембрий – первый период палеозойской эры). Таким образом:

1. В основе всех проявлений внутренней жизни Земли лежат преобразования тепловой энергии.

2. В земной коре температура с удалением от поверхности возрастает (геотермический градиент).

3. Теплота Земли имеет своим источником распад радиоактивных элементов.

4. Плотность вещества Земли с глубиной увеличивается от 2,7 на поверхности до 17,2 в центральных частях. Давление в центре Земли достигает 3 млн. атм. Плотность увеличивается скачкообразно на глубинах 60 и 2900 км. Отсюда вывод – Земля состоит из объемлющих друг друга концентрических оболочек.

5. Земная кора слагается преимущественно породами типа гранитов, которые подстилаются породами типа базальтов. Возраст Земли определяется в 4-6 млрд. лет.

Форма Земли. Первые градусные измерения

Вопрос о форме и размерах Земли является одним доз самых старых в естествознании. История этого вопроса имеет уже бо — лее, чем двух тысяче летнюю давность. Первые представления о шарообразности Земли были высказаны еще в Древней Греции за 6 — 4 веков до н.э. вначале Пифагором, а затем Аристотелем. Первые же попытки определения размеров Земли были предприняты существенно позже. Последние целиком базировались на идее о шарообразности Земли. Методической основой таких определений были так называемые градусные измерения.

§ I. Первые градусные измерения

Современные градусные измерения представляют точные аст­рономические и геодезические работы, производимые на земной поверхности с целью изучения формы и размеров Земли.

Первоначально градусные измерения с стояли в изменении линейной длины S дуги А & меридиана между двумя пунктами А и В ив астрономическом определении широт этих пунктов ^ » % откуда выводилась длина одного градуса т , полная дли—

на Земного меридиана С , а затем и радиус Земли К . ока — занное можно проиллюстрировать с помощью рис. I.

Рис. I

Измерение размеров Земли

На рис. I РР^# — ось вращения Земли, ЕЕ — прямая, лежащая в плоскости экватора, К — радиус Земли. 01фужность на чертеже лежит в плоскости того меридиана, линейные разме­ры которого подлежат определению: Пункты А и Ъ лежат ( в идеале) на плоской равнине, расстояние S между которыми тщательно промеряется.

если HH’ характеризует положение горизонтальной поверхности в точке А ., а отрезок А Р — направление на Полярную Звез­ду, то угол НАР будет численно равен широте места .Ана­логично может быть найдена и широта места .

Принято считать, что Эратосфен (276 - 196 гг. н.э), выда­ющийся ученый—географ древности, был первым, кто использовал градусные измерения для определения размеров Земли. В дейст­вительности Эратосфен определил лишь разность широт d. между Александрией и Сиеной (ныне Асуан), лежащих приблизительно на одном меридиане, и нашел, что альфа. — 7°12^;. Живя в Александрии, Эратосфен никогда не был в Сиене, но со слов путешественников ему было известно, что 22/У1, в полдень Солнце в Сиене освещает дно самых глубоких колодцев h0 = 90° , в то время как

его собственные измерения h0 в Александрии на тот же момент времени давали величину 82 градуса 48минут . По времени, необходимому на переход каравана между названными городами, было известно, что расстояние между ними около 5000 египетских стадий. По мнению египтологов, величина египетской стадии составляет 158 м, так что окружность Земли по описываемым измерениям оценивается в 39500 км, что близко к истинно МУ значению (40040 км) [3, 34, 40].

Имеются сведения о том, что метод градусных измерений был известен еще раньше древнему геометру Архиту Тарентскому (430 — 365 гг. д.н.э.). Во всяком случае Эратосфен впервые приложил его к определению размеров Земли.

В дальнейшем градусные измерения были произведены гречес­ким ученым Посидонием. Разность широт альфа определялась между О.Родос и Александрией по разности высот над горизонтом звез­ды Конопус. Неудачный выбор светила (больше погрешности в определении [33, 36]) и ненадежное определение расстояния между пунктами привели к большой погрешности: в определении полной длины меридиана (С приблизительно = 180000 стадий). Тем не менее эта величина долгое время принималась греческими и римскими учеными в качестве эталонна, на ее ошибочность обратили внимание много позже (после экспе­диции Магеллана).

Более поздние градусные измерения были возобновлены лишь в начале средних веков_, когда с сочинениями древнегреческих ученых познакомились арабы. Новое измерение Земли было пред — принято в УШ в. по распоряжению халифа Аль—Мамуна (813 — 833 гг.), весьма сведущем в астрономии. Измерения проводились в Месопотамии, разность широт альфа определялась по Полярной Зве­зде, измерения длины дупл S осуществлялись деревянными шес­тами, измерялась дуга в 2 градуса . Все измерения отличались высокой (для того времени) точностью. В переводе на современные меры длины длина одного градуса меридиана оказалась равной 113 км, а длина всего' меридиана 40680 км. Сведения об этих измерениях до нас дошли из сочинений узбекского математика, астронома и географа Асу—Райхан—Бируни (972 — 1048 гг. ). Бируни (из Хорезма) разработал также свой оригинальный метод определения размеров Земли. В 1029 — 1034 гг. н.э. он определил размеры Земли из понижения горизонта. В книге "Канон Маc’уда" Бируни пишет [29, 34] : ”Для измерения градуса земного меридиана я применял новый метод, отличающийся от метода. . . греков. . . Для этой я в Индии нашел большую гору, возвышающуюся над ши­рокой равниной. Поверхность равнины была глаже самой поверхности моря. Я искал на вершине горы слияние Земли и неба т.е. «круга горизонта, и я нашел его в инструменте (астролябии) ог­раниченным горизонтальной линией и определил угол (понижения горизонта), который оказался равным 34 . Я определил затем высоту горы и получил 252,05 локтя”. Сущность метода Бируни видна на рис. 2.

На рис .2

h - высота горы, альфа — понижение видимого го­ризонта, R — радиус Земли, HH’ — горизонтальная поверхность. Из прямоугольного треугольника ОAB имеем

(R+h)^2 — R.² = (А В)² ,

или, раскрывая (.3) и пренебрегая в левой части величиной h^2 как малой

АB приблизительно = корень из 2Rh (5)

С другой стороны,

АB = R tgальфа (6)

Исторически известно, что Бируни, базируясь на своем методе, определил R с относительной погрешностью, не пре — витающей 4 %.