«ОТЕЧЕСТВО 2011 УДК 520/524 ББК 22.65 И 90 Печатается по рекомендации Ученого совета Астрономической обсерватории им. В.П. Энгельгардта Научный редактор – акад. АН РТ, д-р физ.-мат. наук, проф. Н.А. Сахибуллин ...»

ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА

(Часть 2)

ОТЕЧЕСТВО

2011

УДК 520/524

ББК 22.65

И 90

Печатается по рекомендации

Ученого совета Астрономической обсерватории

им. В.П. Энгельгардта

Научный редактор –

акад. АН РТ, д-р физ.-мат. наук, проф. Н.А. Сахибуллин Рецензенты:

д-р физ.-мат. наук, проф. Н.Г. Ризванов, д-р физ.-мат. наук, проф. А.И. Нефедьева Коллектив авторов:

Нефедьев Ю.А., д-р физ.-мат. наук, проф., Боровских В.С., канд. физ.-мат. наук, доц., Галеев А.И., канд. физ.-мат. наук, Демин С.А., ст. преподаватель, Панищев О.Ю., ст. преподаватель, Бердникова В.М., ассистент И 90 Естественнонаучная картина мира (Часть 2)/ науч. ред. Н.А.Сахибуллин. – Казань:

Отечество, 2011. – 221 с.

ISBN 978-5-9222-0406- Настоящая монография-учебное пособие посвящена проблемам и задачам естественных наук и анализу основных составляющих современной естественнонаучной картины мира. Данная книга будет способствовать повышению интеллектуального потенциала студентов гуманитарных и социально-экономических специальностей высших учебных заведений, а также привлечет внимание широкой аудитории читателей к осознанию проблем современного естествознания.

Предназначена для всех, интересующихся историей и современным развитием естественных наук.

УДК 520/ ББК 22. ISBN 978-5-9222-0406-4 © Коллектив авторов, © Казанский федеральный университет,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данная книга является продолжением монографии-учебного пособия «Естественнонаучная картина мира. Часть 1». Она посвящена новому предмету, который вводится в систему высшего образования – «Естественнонаучная картина мира». Основное назначение настоящей работы – содействие получению базового высшего образования, способствующего дальнейшему развитию личности. Книга предназначена для подготовки бакалавров, магистров и специалистов гуманитарных, в том числе социальноэкономических специальностей, университетов и институтов.

Монография-учебное пособие будет полезно всем, кто интересуется современной наукой, ее последними представлениями и достижениями и стремится расширить свой кругозор.

Во второй части монографии-учебного пособия обсуждаются вопросы, объединенные в рамках эволюционного естествознания.

Представлены ключевые концепции в области космологии и космогонии, происхождения жизни и развития живых систем, в том числе и человека, раскрываются методы исследования биологического эволюционизма, основные положения генетики.

Кроме того, дается характеристика воздействию человека на окружающую среду и приводятся методы рационального природопользования, обсуждаются проблемы современной экологии.

Авторский коллектив надеется, что данный труд будет способствовать повышению интеллектуального потенциала студентов гуманитарных и социально-экономических специальностей высших учебных заведений, а также привлечет внимание широкой аудитории читателей к осознанию проблем современного естествознания.

ГЛАВА § 1.1. КОСМОЛОГИЯ 1.1.1. Объекты Вселенной Космология («космос» и «логос») – это наука, изучающая происхождение, строение, свойства и эволюцию Вселенной.

Космология в своей основе базируется на астрономии, физике и математике.

Вселенная представляет собой весь безграничный во времени и пространстве материальный мир. На самых разных уровнях, от элементарных частиц до гигантских сверхскоплений галактик, Вселенной присуща структурность, что является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.

Именно Вселенную в целом и изучает наука, называемая космологией, наука о космосе. В настоящее время космосом называют все, что находится за пределами атмосферы Земли. В Древней Греции «космос» принимался как «порядок», «гармония» в противоположность «хаосу» и «беспорядку». Поэтому в настоящее время космология направлена на изучение упорядоченности Вселенной, а также поиск закономерностей ее эволюции.

Исследование Вселенной основано на ряде аксиом:

1) формулируемые физикой универсальные законы функциони-рования мира считаются действующими во всей Вселенной;

2) производимые астрономами наблюдения также признаются распространяемыми на всю Вселенную;

3) истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т. е. человека (антропный принцип).

Результатами космологии являются модели происхождения и развития Вселенной, так как одним из основных принципов современного естествознания является возможность проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Если можно провести бесконечное количество экспериментов, которые будут приводить к одному результату, то говорят о законе, которому подчиняется функционирование данного объекта. Тогда результат считается достоверным с научной точки зрения. Однако в случае Вселенной это правило остается неприменимым, так как наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Поэтому все выводы о происхождении и развитии Вселенной называются не законами, а моделями.

Кратко перечислим основные типы объектов Вселенной (для более детального изучения смотрите «Естественнонаучная картина мира. Часть 1»). Часть Вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями, называется Метагалактикой. Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной, поскольку образование ее структуры приходится на период образования Вселенной, следующий за разделением вещества и излучения, и составляет примерно 13,7 млрд. лет. Структура Метагалактики не остается неизменной. Наблюдения в области внегалактической астрономии показывают, что расстояние между нашей и другими галактиками постоянно увеличивается, что дает основание говорить о расширении Метагалактики. Метагалактика содержит миллиарды разнообразных по своему строению и структуре галактик, которые отделены друг от друга пространством, заполненным чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизываемым межгалактическими лучами. В Метагалактике имеются огромные объемы пространства (порядка миллиона кубических мегапарсек), в которых галактик пока не обнаружено. Это указывает, что Метагалактика имеет сетчатую, ячеистую (пористую) структуру.

Небесные объекты в Метагалактике расположены в пространстве неравномерно: в одних областях пространства наблюдаются скопления звезд и галактик, в других они распределены более равномерно, в третьих галактик совсем не обнаружено.

Поэтому различают крупномасштабную структуру Метагалактики и мелкомасштабную или «зернистую» структуру. Если в небольших пространственных масштабах, например в рамках Солнечной системы, явно наблюдается неравномерное распределение вещества, то в масштабах крупной галактики или совокупности галактик происходит выравнивание структуры распределения вещества.

Поэтому считается, что в больших масштабах Метагалактики вещество распределено приблизительно равномерно.

Галактики представляют собой огромные системы, состоящие из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложные конфигурации. По форме галактики условно разделяют на три типа:

– неправильные, – спиральные и – эллиптические.

В ядре нашей галактики Млечный Путь сосредоточенны самые старые звезды, возраст которых приближается к возрасту самой галактики. Звезды среднего и молодого возраста расположены в диске галактики.

Звезды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом, они принимают участие во вращении Галактики вокруг оси и вместе со всей Галактикой – в расширении Вселенной.

На современном этапе эволюции Вселенной ее вещество находится преимущественно в виде звезд. В нашей Галактике в звездах сосредоточено 97% вещества. Звезды представляют собой гигантские плазменные образования с различной температурой, массой, динамикой и размерами. Возраст звезд изменяется в достаточно большом диапазоне значений: от сотен тысяч для самых молодых до 14 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии. Подробно вопросы рождения и эволюции звезд будут рассмотрены далее.

1.1.2. Современные космологические модели В истории создания космологических моделей Вселенной лежат определенные мировоззренческие предпосылки. Сами модели также имеют большое мировоззренческое значение. Можно выделить две основные исторические концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: концепцию самоорганизации и концепцию креационизма.

Для концепции самоорганизации материальная Вселенная является единственной реальностью, и никакой другой реальности помимо нее не существует. Эволюция Вселенной описывается в терминах самоорганизации: идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных структур.

Динамичный хаос порождает порядок.

В рамках концепции креационизма, т.е. сотворения, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяемой реальностью более высокого порядка, чем материальный мир. В качестве дополнительного аргумента привлекается антропный принцип.

Современная теоретическая физика направлена на создание единой естественнонаучной картины мира, объединяющей все достижения в области знания. Все теоретические модели происхождения и эволюции Вселенной вместе с большим количеством наблюдательных фактов свойств реальных космических объектов не оставляют места для использования концепции креационизма в качестве объяснения всего многообразия и сложности нашей Вселенной.

Модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году, на данный момент является общепринятой в космологии. В основе этой модели лежат два предположения:

1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность);

2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна.

Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Соответственно, космология, основанная на этих постулатах, называется релятивистской. Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности:

1) принципом относительности Эйнштейна, гласящим, что в инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы относительно друг друга;

2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости Свойства Вселенной как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами.

Уравнение тяготения Эйнштейна имеет множество решений, чем и обусловлено наличие многих современных космологических моделей Вселенной. Согласно этому подходу мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Время существования Вселенной бесконечно и не имеет ни начала, ни конца, пространство безгранично, но его объем конечен.

Согласно теории относительности следует, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. Данный вывод был сделан Александром Фридманом, и подтвержден Эдвином Хабблом при наблюдении «красного смещения» галактик. Красное смещение есть следствие эффекта Доплера, когда при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается, то есть наблюдается понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются в сторону более длинных красных волн, то есть происходит «покраснение». Данный эффект был обнаружен для всех далеких источников света, причем чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об их удалении. Красное смещение подтверждает теоретический вывод о нестационарности области Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов лет. Кривизна же пространства не может быть измерена, оставаясь лишь теоретической гипотезой.

Эволюция космологических моделей прошла следующий путь.

В 1922 г. советский математик и геофизик А.А. Фридман первым получил решение уравнений А. Эйнштейна, описывающее расширяющуюся Вселенную. В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр связал расширение пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной в результате Большого взрыва. В 1929 году американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью движения в пространстве галактик. Он установил, что все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, то есть система галактик расширяется. Таким образом, предсказанное Фридманом расширение Вселенной считается научно установленным фактом.

Основой модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом взрыве, который привел к возникновению нашего мира. Большой взрыв это не взрыв, который мы видим на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все большее и большее пространство, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство.

Начальное состояние Вселенной называется сингулярной точкой (сингулярностью), когда она имела бесконечно малые размеры, но бесконечные большие значения плотности, энергии и температуры, бесконечную кривизну пространства. В определенный момент 13, млрд. лет назад начался глобальный процесс расширения, т. е.

увеличения размеров Вселенной с постепенным ее охлаждением.

Именно переход от сингулярности к расширению и называют Большим взрывом. Первоначально Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокими значениями температуры (1032 К), плотности (1096 г/см3) и энергии.

«Горячее» начальное состояние Вселенной подтверждено открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.

Из чего же образовалась Вселенная? В Библии говорится, что Бог создал все из ничего, под этим ничем имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.

Современная наука допускает, что все могло появиться из «ничего», которое в научной терминологии называется физическим вакуумом.

Вакуум, который физика XIX века считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы. Современная квантовая механика допускает это. Вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) – вещество.

Рождение Вселенной «из ничего» означает с современной научной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из физического вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю. Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы.

Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах. Согласно выводам А.

Эйнштейна: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время».

Тем не менее, объяснениям того, что собой представляла Вселенная до Большого взрыва, никаких надежных данных пока не существует. Существуют лишь определенные гипотезы. Один из теоретиков теории Большого взрыва Г.А. Гамов считал, что вещество Вселенной вначале состояло из нейтронов, которые в дальнейшем превращались в протоны, а из них, в свою очередь, сначала возникли ядра атомов, а затем и атомы. Однако эта гипотеза оказалась теоретически несостоятельной. Поэтому в стандартной модели предполагается, что первоначально Вселенная могла состоять из электронов, позитронов и фотонов, а также нейтрино и антинейтрино.

В настоящее время также рассматривается кварковая модель, в которой эти частицы считаются основой для образования элементарных частиц.

Относительно более надежными являются представления об эволюции Вселенной после Большого взрыва и начавшегося ее расширения. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла г/см3. В сингулярном состоянии согласно стандартной модели первоначально Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров, и находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии. От первоначального сингулярного состояния Вселенная в результате Большого взрыва стала быстро расширяться и постепенно охлаждаться. Эти процессы привели к разрушению прежней симметрии между материальными частицами и связывающими их силами, а также единства и простоты в природе. Решающим на стадии микроэволюции Вселенной было образование крайне незначительного перевеса вещества над антивеществом. Из него в результате дальнейшей эволюции и возникло все разнообразие материальных небесных объектов, начиная от атомов, молекул, кристаллов, минералов и заканчивая галактиками.

Расчеты определяют ориентировочный возраст Вселенной 20 млрд. лет. Г.А. Гамов предположил, что в момент образования Вселенной температура вещества была большой и стала падать по мере ее расширения (теория «горячей Вселенной»). Причем Вселенная в своей эволюции прошла определенные этапы, в ходе которых произошло образование химических элементов и крупномасштабных структур.

Более подробно теорию Большого взрыва можно представить следующим образом. В первую сотую долю секунды после Большого взрыва материя составляла своеобразную смесь вещества, состоявшего из электронов и позитронов, и излучения, состоявшего из фотонов. Вещество и излучение непрерывно взаимодействовали между собой. Электроны и позитроны превращались в фотоны, фотоны же при взаимодействии образовывали пару электрон и позитрон. Превращение вещества в излучение и обратно продолжалось до тех пор, пока существовало термодинамическое равновесие между ними. Затем произошло отделение вещества от антивещества и разрушение симметрии между веществом и излучением. Известно, что частицы вещества и антивещества при взаимодействии «аннигилируют» и превращаются в излучение. В далеком прошлом наш вещественный мир оказался отделенным от антивещественного мира, иначе Вселенная превратилась бы в излучение.

Начиная с одной сотой секунды после Большого взрыва, когда температура стала равной 100 миллиардам градусов по Кельвину, Вселенная была заполнена везде одинаковым, однородным по свойствам «супом» из вещества и излучения, причем каждая частица в нем очень быстро сталкивается с другими частицами. Далее температура упала до 30 миллиардов градусов, но качественно состав Вселенной не изменился: в тепловом равновесии присутствуют электроны, позитроны, фотоны, нейтрино и антинейтрино.

Небольшое число ядерных частиц все еще не образуют атомные ядра.

Когда температура Вселенной уменьшилась до 10 миллиардов градусов, увеличилось среднее время существования нейтрино и антинейтрино, они начали вести себя как свободные частицы и перестали взаимодействовать при тепловом равновесии с другими частицами. Тем не менее, при данной температуре протоны и нейтроны все еще не образуют атомные ядра.

Когда температура Вселенной понизилась ниже пороговой температуры для электронов и позитронов 3 миллиардов градусов, они стали быстро превращаться в излучение и образовалось небольшое число стабильных легких ядер. Нейтроны продолжили превращение в протоны, хотя и значительно медленнее.

Со времени образования Вселенной прошло чуть больше минут. Температура Вселенной в 1 миллиард градусов, что в 70 раз выше, чем в центре Солнца, привела к стабильности состояний ядер трития и гелия-3, а позднее и ядер дейтерия, тем не менее, интенсивность образования ядер тяжелее гелия не увеличилась.

Когда прошло свыше 34 минут, температура Вселенной упала до 300 миллионов градусов. В этот период все электроны и позитроны исчезают, за исключением небольшого количества электронов, необходимых для компенсации зарядов протонов. Но температура еще слишком высока, чтобы могли возникнуть стабильные ядра.

Следующим этапом стало падение температуры и дальнейшее расширение Вселенной. Только через 700 000 лет от начала Большого взрыва возникли условия для образования ядер легких атомов водорода и гелия, а затем и соответствующих нейтральных атомов за счет захвата ядрами электронов. В этот период происходит разъединение вещества и излучения. Следствием этого стало образование звезд, состоящих на три четверти из водорода и на одну четверть из гелия. Вселенная стала прозрачной для излучения.

Именно тогда возникает наблюдаемое в настоящее время реликтовое космическое микроволновое излучение с температурой 3 К.

Теория Большого взрыва не дает полного понимания о структуре и состоянии материи первоначальной Вселенной, так как кроме элементарных частиц, которые рассматриваются в стандартной модели, существуют и другие возможные варианты. Например, кварковая модель, рассматривающая в качестве исходных частиц кварки, из которых согласно современным представлениям состоят известные элементарные частицы, значительно проще объясняет состояние ранней Вселенной. Однако сами кварки в свободном состоянии пока не обнаружены и загадка существования изолированных, свободных кварков есть одна из самых важных проблем, с которыми в настоящее время сталкивается теоретическая физика. Это привело к созданию гипотезы пульсирующей Вселенной, которая предполагает, что в ходе своей эволюции Вселенная подвергается периодическому расширению и сжатию. Такой подход объясняет наличие гигантского количества фотонов во Вселенной во время циклов ее расширения и сжатия. Однако никаких эмпирических фактов, свидетельствующих о сжатии Вселенной, пока не обнаружено.

Стандартная модель хотя и не раскрывает причин Большого взрыва и первоначального состояния материи до этого, но отличается от многих гипотез в первую очередь тем, что она опирается на важные эмпирические данные внегалактической астрономии, учитывает фундаментальную роль нарушения симметрии в процессе формирования все более сложных материальных систем, и в ее основе лежит синергетическая концепция самоорганизации, объясняющая образование и усложнение материальных систем.

Напомним, что в настоящее время теория относительности приводит к двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной.

В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.

1.1.4. Инфляционная модель происхождения Вселенной Во второй половине XX века была построена инфляционная теория, где описывается эволюция Вселенной с момента 10-45 с после начала расширения, и рассматривающая Вселенную как гигантскую флуктуацию вакуума, а также объясняющая на основе различных сил взаимодействия между частицами и полями разрушение в ней симметрии между веществом и антивеществом. В инфляционной модели предполагается, что Вселенная возникла из первоначального вакуума, который обладал огромной энергией, но находился в неустойчивом состоянии. Так как в вакууме, который называют возбужденным, присутствовали космические силы отталкивания, они и расширяли занимаемое им пространство, а выделившаяся при этом энергия быстро нагревала Вселенную. В итоге, огромное повышение температуры и давления в процессе быстрого расширения возбужденного вакуума привело к взрыву сверхгорячей материи. Таким образом, в соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

Начало Вселенной определяется как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10-50 см. Далее идет стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и интенсивно расширялась по экспоненциальному закону. В этот период во Вселенной образовалось само пространство и время. За период инфляционной стадии продолжительностью 10-34 с Вселенная раздулась от невообразимо малых квантовых размеров 10-33 см до невообразимо больших 101000000 см, что на много порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной 1028 см. Первоначальный период эволюции Вселенной сопровождается отсутствием вещества и излучения.

Следующим этапом стал переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние виртуального вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые после аннигиляции дали мощную вспышку излучения. Оставшееся после аннигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от вещества излучение и есть реликтовое излучение, теоретически предсказанное Г.А.

Гамовым, и экспериментально обнаруженное в 1965 году.

В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все более сложных структур – атомов (первоначально атомов водорода), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для возникновения жизни, ее эволюции и появления человека.

Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа около 10-30 с после Большого взрыва, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании этапов космической эволюции нет.

1. Какие объекты наблюдаются во Вселенной?

2. Что такое Метагалактика?

3. Что можно сказать о космологических моделях?

4. Каковы основные свойства Вселенной?

5. Что такое красное смещение?

6. Опишите основные этапы Большого взрыва.

7. Что такое инфляционная модель образования Вселенной?

Космогония – наука, изучающая происхождение и развитие (эволюцию) космических объектов и их систем. Выделяют космогонию планет (Солнечной системы), звезд, галактик и Вселенной (в рамках космологии). Эволюция – это процесс изменения со временем физических характеристик, внутреннего строения и химического состава объектов. Так как время существования объектов мегамира (планет, звезд и пр.) многократно превышает время жизни не только человека, но и все человеческой цивилизации, поэтому для описания процесса эволюции космических тел применяют понятие эргодической гипотезы – предположения, что последовательную смену отдельных стадий, которые наблюдаются непосредственно. Анализ этих стадий позволяет построить весь процесс эволюции. В качестве классического применения такого представления можно рассматривать процесс звездной эволюции.

Звезда представляет собой огромный газовый шар, в центре которого идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий, в результате чего выделяется огромное количество энергии в виде света и тепла. У некоторых типов звезд происходят ядерные реакции, при которых выделяются другие элементы (углерод, кислород, азот и более тяжелые). Любая звезда существует благодаря тому, что в ней поддерживается равновесие между тяготением, стремящимся сжать звезду и газовым давлением, стремящимся расширить ее. Когда одна из этих сил побеждает, то звезда погибает, точнее, переходит в другое состояние. Подавляющее большинство звезд состоит из водорода на 78% и гелия на 21%.

В середине 19 века французский философ О. Конт утверждал, что люди никогда не узнают состав и строение далеких звезд, но через два года после его смерти в 1859 году немецкие ученые Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен создали новый метод изучения вещества.

Спектральный анализ – качественные и количественные способы определения основных параметров и состава объектов, основанные на изучении их оптических спектров излучения или поглощения, спектров других типов электромагнитного излучения, звуковых волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. В астрофизике звезд для определения большинства физических характеристик и химического состава обычно анализируют оптические спектры этих тел. Оказалось, что различные звезды имеют совершенно разные спектры, поэтому звезды делят на спектральные классы: W, O, B, A, F, G, K, M, L, T.

Разнообразие спектров объясняется различием температур звезд.

Самые горячие звезды – звезды класса W. Температура их поверхности достигает 100 000 К. Их цвет – голубой, также как у звезд класса O с температурами 30 000 50 000 К. Белые звезды классов B и A имеют температуры 25 000 10 000 К. У желтого цвета звезд классов F и G температуры находятся в диапазоне 10 500 К. Красные звезды спектральных классов K и M имеют температуры поверхности от 4 500 до 3 000 K. Наконец, для самых холодных звезд – коричневых звезд классов L и T температуры составляют ниже 3 000 К. Спектральный класс Солнца – G2.

Светимость Плотность Основными характеристиками звезд, которые определяют по наблюдениям или теоретическим расчетам, являются: спектр излучения и поглощения, температура поверхности, светимость, размер, масса, возраст. Существуют гиганты и сверхгиганты, которые в сотни и тысячи раз больше Солнца, и наоборот известны звезды-карлики размером с Землю. Самые массивные звезды в раз тяжелее центра притяжения Солнечной системы. Известны холодные звезды с температурой поверхности 2 000 К, и очень горячие, поверхность которых разогревается до 100 000 К! Время жизни звезд может достигать нескольких десятков миллиардов лет, поэтому самые старые звезды должны быть ровесниками Галактики.

В табл. 1.1 приведено сравнение основных характеристик звезд и Солнца, из которой можно сделать вывод, что Солнце является типичной звездой.

1.2.2. Внутреннее строение и магнитная активность звезд.

Внутреннее строение Солнца и большинства звезд имеет большое сходство (рис. 1.1). Центральная часть Солнца радиусом примерно 150 000 километров (менее четверти всего радиуса звезды), температура которой достигает 15 млн. градусов, называется ядром.

Плотность вещества в ядре составляет примерно 150 000 кг/м (в раз выше плотности воды). Именно в ядре происходят термоядерные реакции, в результате которых из водорода образуется гелий. При этом каждую секунду в энергию превращаются 4,26 миллиона тонн вещества, но эта величина ничтожна по сравнению с массой Солнца.

Существуют три способа передачи энергии в зависимости от условий среды: теплопроводность – перенос тепла частицами вещества (молекулами, атомами и пр.), конвекция – перенос тепла в жидкостях и газах путем перемешивания самого вещества и тепловое излучение – перенос энергии посредством инфракрасного электромагнитного излучения. Первый способ в звездах не играет большой роли из-за больших расстояний между частицами, поэтому важными являются лучистый и конвективный переносы энергии.

Вокруг ядра находится небольшой слой лучистой передачи энергии, где она распространяется через поглощение и излучение веществом квантов света – фотонов. Плотность, температура и давление уменьшаются от ядра, в том же направлении идет поток энергии. Этот процесс крайне медленный, и занимает тысячи лет, так как идущие из центра кванты постоянно сталкиваются с частицами вещества и переизлучаются в различные стороны. Поэтому, если «вдруг» в ядре Солнца прекратятся ядерные реакции, оно все равно будет продолжать излучать свет и тепло в течение миллионов лет. В более высоких холодных слоях Солнца газ становится непрозрачным для излучения, и тепло из центра передается уже посредством конвекции, поэтому внешняя область, занимающая 0,7 радиуса Солнца, называется конвективной зоной. В этом слое огромные потоки горячего газа поднимаются вверх, отдают свое тепло окружающей среде и более холодное вещество опускается вниз, так вещество перемешивается как рисовая каша на огне.

Еще выше находится атмосфера Солнца, которая состоит из трех слоев: фотосферы (видимая поверхность звезды, толщиной около 300 км), хромосферы толщиной 10 000 км, которая видна только во время солнечных затмений в виде красноватого кольца вокруг закрытого Луной солнечного диска и солнечной короны – самой внешней оболочки Солнца, имеющей температуру от до 5 000 000 К и также видимой во время солнечных затмений как радужное сияние округлой формы. Плотность вещества короны также постепенно уменьшается к краям, сама она простирается на расстояние в сотни миллионов километров. Из внешней части короны истекает солнечный ветер – поток ионизованного вещества (в основном протонов, электронов и -частиц), имеющий скорость 1200 км/с и распространяющийся, с постепенным уменьшением своей плотности, до границ Солнечной системы. Многие природные явления на Земле, в том числе магнитные бури и полярные сияния, связаны с действием солнечного ветра.

В звездах происходят различные явления, которые связаны с физическими процессами, протекающими внутри них или при взаимодействии с соседними телами. Примером таких физических процессов у звезд является солнечная активность – это комплекс явлений и процессов на Солнце, вызванных развитием в солнечной атмосфере сильных магнитных полей. Наиболее ярко активность Солнца проявляется в виде изменения количества солнечных пятен, вспышек (взрывов мощностью до миллиарда мегатонн в тротиловом эквиваленте, происходящих при взаимодействии магнитных областей) и выбросов вещества (протуберанцев). В середине 19 века, изучая изменения количества пятен на Солнце, немецкий любитель Генрих Швабе (1843 г.) и швейцарский астроном Рудольф Вольф (1852 г.) открыли, что количество солнечных пятен меняется со временем с периодом 11 лет (см. рис. 1.2). Когда количество пятен и других солнечных процессов мало или вообще нет – активность минимальная, а когда наблюдается много пятен, вспышек и протуберанцев – это указывает на максимальную активность Солнца.

В 20 веке установлено, что эти изменения на Солнце являются сложными магнитно-гидродинамическими процессами в конвективной зоне звезды. Именно смена полюсов магнитной активности с периодом 22 года считается сейчас основным циклом солнечной активности. Также предполагается существование более длительных (87, 210, 2300, 6000 лет) циклов активности Солнца, которые обнаруживаются по изучению климатических изменений.

Рис. 1.2. График изменения числа солнечных пятен со временем Солнечная активность оказывает значительное влияние на окружающее пространство, в частности на процессы в атмосфере (например, глобальные изменения климата), гидросфере (уровень морей и ледников), биосфере (изменение численности популяций животных и растений, рост численности сердечно-сосудистых и инфекционных заболеваний человека), магнитосфере (магнитные бури) Земли, также с ней связывают многие социальные процессы (войны, революции и др.) Часто прослеживаются корреляции между указанными процессами и солнечными циклами. Так еще в начале XIX века В. Гершель заметил связь между количеством солнечных пятен и ценами на пшеницу. Прямым следствием солнечных вспышек являются магнитные бури – кратковременные нарушения магнитного поля Земли из-за попадания в него энергичных частиц солнечного ветра. Более длительные изменения в географических оболочках также имеют «солнечное» происхождение. Например, с 1645 по 1715 годы Солнце проходило через период чрезвычайно малой активности (минимум Маундера), который соответствует «Малому ледниковому периоду» в истории Земли. Тогда происходило замерзание рек в низких широтах, необычно долго держался снежный покров в областях умеренного климата (интересно, что минимум Маундера почти совпадает со временем правления во Франции «Короля-Солнца» Людовика XIV).

Примерно 60-80% звезд нашей Галактики образуют гравитационно-связанные пары звезд и называются двойными звездными системами. В двойных звездах происходят необычные процессы, вызванные гравитационным или электромагнитным взаимодействием между звездами. Например, звезды могут обмениваться веществом, «облучать» друг друга жесткими гамма- и рентгеновскими излучениями или вызывать «звездотрясения».

Изучение двойных звезд дает наибольшую информацию о звездах, в первую очередь, интерес вызывают их массы, которые необходимы для определения других характеристик и выяснения эволюционного статуса звезд. Некоторые звезды могут менять свою яркость из-за пульсаций, взаимных затмений, вспышек и т. д., в этом случае они называются переменными звездами.

Подавляющее большинство указанных в табл. 1.1 данных о звездах получают при наблюдениях на крупных наземных и космических телескопах и дальнейшем анализе спектров и различных физических характеристик звезд, находящихся на разных стадиях своей эволюции. Именно знание основных параметров звезд и процессов, обеспечивающих выделение энергии в звездах, позволяет создавать теоретические модели внутреннего строения и атмосфер звезд, на основе которых можно строить теорию звездной эволюции.

В 1910-1913 годах голландский астроном Эйнар Герцшпрунг и американский астрофизик Генри Рассел независимо друг от друга попробовали сопоставить яркости звезд и их спектральные классы и в результате построили знаменитую эмпирическую зависимость между основными параметрами звезд, названную их именами. Как видно из диаграммы Герцшпрунга-Рассела (рис. 1.3), спектральный класс звезды и ее светимость (абсолютная звездная величина) находятся в некоторой зависимости: точки, соответствующие различным звездам, группируются в несколько отдельных областей – главная последовательность, красные гиганты, сверхгиганты, белые карлики.

Диаграмма Герцшпрунга-Рассела позволила рассчитывать модели строения звезд и описывать их эволюцию.

90% звезд находится на главной последовательности, которая простирается от левого верхнего угла диаграммы к правому нижнему.

Чем горячее звезда главной последовательности, тем большую светимость она имеет. Кроме главной выделяются также последовательности белых карликов, красных гигантов и сверхгигантов. На рисунке обозначены яркие звезды земного неба, принадлежащие разным последовательностям диаграммы (особым значком показано положение Солнца).

На основе построенной диаграммы Рассел предложил идею об эволюции звезд, согласно которой основным источником энергии звезды является её гравитационное сжатие. Ход эволюции определялся непрерывным изменением плотности звезды: от красных гигантов по ветви гигантов к звездам спектральных классов А и В (разогрев), затем по ветви карликов через звезды типа Солнца к красным карликам (остывание). Но по этой теории жизнь Солнца за счет сжатия продолжалась бы всего несколько тысяч лет, а уже тогда было известно, что Солнце существует 5 млрд. лет. Также эта теория не могла объяснить всего разнообразия характеристик звезд.

Рис. 1.3. Схематическое изображение диаграммы Герцшпрунга-Рассела, на котором приведены положения некоторых ярких звезд неба В начале 40-х годов 20 века английский ученый Артур Эддингтон в качестве основного источника звездной энергии предложил термоядерные реакции в центрах звезд. У большинства звёзд в недрах четыре протона через ряд промежуточных этапов соединяются в одну -частицу (ядро атома гелия). Это превращение может идти двумя основными путями, называемыми протонпротонным и углеродно-азотным циклами. В маломассивных звёздах (подобных Солнцу) энерговыделение в основном обеспечивается первым циклом, в массивных – вторым. Процесс термоядерного синтеза, выделяющий энергию и изменяющий состав вещества звезды, в сочетании с гравитацией, стремящейся сжать звезду и тоже высвобождающей энергию, а также с излучением с поверхности, уносящим выделяемую энергию, являются основными движущими силами звёздной эволюции. К настоящему времени теория звездной эволюции разработана очень детально, и имеет многочисленные наблюдательные подтверждения.

Основные этапы эволюции звезды:

– гравитационное сжатие (протозвезда), – термоядерное «горение» водорода (звезда главной последовательности), – потеря устойчивости после исчерпания запасов водорода в центре звезды (стадия красного гиганта и сброс внешних слоёв, гравитационный коллапс, вспышка Сверхновой), – конечные стадии эволюции звёзд: белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры.

Звезды образуются в огромных газовых облаках, где в определенный момент в результате действия гравитации, магнитных полей, ударных волн возникают неоднородности и неустойчивости, и тяготение преодолевает газовое давление, в результате чего облако распадается на некоторое количество сгущений, которые начинают неудержимо сжиматься. В результате гравитационного сжатия образуется целая группа будущих звезд, которые представляют собой протозвезды – большие несветящиеся газовые шары. Протозвёзды обычно обладают пылевыми оболочками, благодаря которым они являются мощными источниками инфракрасного излучения. Когда температура в центре этих объектов достигает миллионов градусов, начинаются реакции превращения водорода в гелий, выделяющие тепло и свет – протозвезды «выходят» на диаграмму ГерцшпрунгаРассела и становятся видны на небе как обычные звезды, обычно в составе молодого рассеянного скопления звезд.

Процесс эволюции любой звезды всецело определяется ее начальной массой и содержанием химических элементов. Маленькие, холодные карлики медленно сжигают запасы водорода и должны оставаться на главной последовательности десятки и сотни миллиардов лет, в то время как массивные сверхгиганты уходят с нее уже через несколько миллионов лет после формирования. Звёзды среднего размера, такие как Солнце, остаются на главной последовательности в среднем 10 миллиардов лет, то есть примерно 90% всего времени их жизни.

После выгорания водорода в ядре звезды некоторое время продолжается горение водорода в узком слое вокруг ядра, а также начинаются реакции горения гелия и превращения его в углерод.

Сама звезда становится холодной, раздувается до колоссальных размеров и переходит в новую стадию развития – красного гиганта.

Когда наше Солнце станет красным гигантом (примерно через млрд. лет), то его поверхность достигнет орбиты Марса. В состоянии красного гиганта звезды находятся до миллиарда лет (также, в зависимости от массы). Примерами таких объектов являются яркие звезды Альдебаран в созвездии Тельца, Антарес в созвездии Скорпиона и многие другие.

Рис.1.4. Общая схема основных этапов эволюции звезд разных масс Когда в центре звезды выгорают легкие элементы, начинаются процессы нарушения равновесия звезды, которые приводят к катастрофическому сжатию ядра красного гиганта, тогда как внешняя оболочка разлетается в окружающее пространство, образуя газовую планетарную туманность, из вещества которой в дальнейшем могут образоваться звезды следующего поколения.

Дальнейшая эволюция звезды также зависит от массы (рис. 1.4).

Если масса звезды меньше 1,5 массы Солнца, то красный гигант плавно сбрасывает свою внешнюю оболочку, образуется газовая планетарная туманность, а центральное ядро красного гиганта превращается в звезду – белый карлик. Размеры таких звезд равны 20 тыс. км, температура достигает 70 тыс. градусов, а состоят они из необычного «вырожденного» вещества с оболочкой из углерода и кислорода. Их массы, сравнимы с массой Солнца, но радиусы в ~ раз и светимость в ~10 000 раз меньше солнечной. Плотность белых карликов составляет 1011 кг/м, что почти в миллион раз выше плотности обычных звёзд. Белые карлики светят за счет тепловой энергии и гравитационного сжатия и через десятки тысяч лет угасают, превращаясь в несветящее тело (черный карлик). Белые карлики составляют 10% звезд нашей Галактики.

Если масса звезды больше 1,5 массы Солнца, то гелий в ядре полностью превращается в углерод, который затем начинает превращаться в кислород, лишь в небольшом слое вокруг этого ядра «догорает» гелий. Температура в центре звезды становится настолько высокой, что возможны более редкие термоядерные реакции превращения углерода и кислорода и образуются магний, неон, сера, кремний и более тяжелые элементы (вплоть до железа). В результате, самые массивные красные сверхгиганты по строению напоминают луковицу: снаружи находится обширная водородная оболочка, а в центре находится тяжелое железное ядро, окруженное слоями, где продолжаются термоядерные реакции горения водорода, гелия, углерода, кислорода и т. д. Таким образом, именно в звездах происходит синтез практически всех элементов (кроме водорода), составляющих все химическое разнообразие материального мира.

В какой-то момент железное ядро массивной звезды может потерять устойчивость и происходит взрыв звезды чудовищной силы, при этом внешняя оболочка разлетается во все стороны с большой скоростью (тысячи км/с), и образуется волокнистая газовая туманность. В ходе этого процесса высокоскоростные нейтроны сталкиваются с ядрами железа и образуются более тяжелые элементы, в том числе и радиоактивные. Именно взрывами массивных звезд объясняется существование в природе химических элементов тяжелее железа. Также в это время выделяется огромная энергия в виде излучения, которая в миллионы и миллиарды раз превышает энергию свечения обычной звезды, поэтому этот объект вспыхивает на небе как сверхновая звезда. За счет такой энергии вспышки сверхновых звезд наблюдаются со значительных расстояний, например, в далеких галактиках, в которых невозможно различить отдельные звезды.

Выделяют сверхновые звезды I типа – это белые карлики, которые потеряли свою устойчивость из-за избыточного вещества, попадающего на них из окружающей среды (обычно в двойных системах) и сверхновые звезды II типа – это массивные звезды, при взрыве которых происходят термоядерные реакции синтеза тяжелых элементов. Вспышки сверхновых достаточно редкие события (в каждой галактике происходит 1-2 вспышки за сто лет), яркие вспышки сверхновых звезд (видимые невооруженным глазом) происходили в нашей Галактике в 1006, 1054, 1572, 1604 годах.

При взрыве сверхновой происходит гравитационный коллапс – катастрофически быстрое сжатие ядра звезды под действием сил тяготения, при этом оно сжимается до размеров 10-20 км, но имеет массу от 1,5 до 2,5 масс Солнца, поэтому средняя плотность вещества такой звезды в несколько раз превышает плотность ядра атома (~1018 кг/м). Такой объект должен полностью состоять из нейтронов, так как при коллапсе электроны «вдавливаются» внутрь протонов образуя нейтроны, поэтому такие звезды получили название нейтронных звезд. В 30-е годы XX века советский физик Лев Ландау и американские астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки теоретически предположили существование таких звезд. Эта гипотеза подтвердилась после обнаружения в 60-х годах пульсаров – быстровращающихся нейтронных звезд, испускающих излучение в рентгеновском и радиодиапазоне. В частности, нейтронная звезда – пульсар была открыта в центре Крабовидной туманности в созвездии Тельца, которая является остатком вспышки сверхновой 1054 года.

Нейтронные звезды обладают магнитными полями исключительной силы (в сотни миллиардов раз больше, чем у обычных звезд) и температурами около 1 миллиона градусов.

Если первоначальная масса звезды превышала 10 масс Солнца, то происходит неограниченный гравитационный коллапс красного гиганта, и вещество самого ядра «падает» в центр. В результате образуется чёрная дыра – космический объект, в котором гравитационное притяжение настолько велико, что покинуть его не могут никакие материальные объекты, даже движущиеся с максимально возможной скоростью движения материальных тел – скоростью света (в том числе и кванты самого света). Существование этих объектов предсказывает общая теория относительности.

Поскольку черные дыры не светят, то в настоящее время существует единственный способ их обнаружения – по гравитационному воздействию их большой массы на другие тела. В частности, сейчас известно более 20 кандидатов в черные дыры, находящиеся в двойных системах звезд и влияющие на соседние звезды. Также в центрах галактик содержатся сверхмассивные черные дыры, которые образованы слиянием большого количества черных дыр звездных масс.

1. Что такое звезды? Каковы их характеристики и внутреннее строение?

2. Что такое спектральный анализ и для чего он используется?

3. Что такое солнечная активность? Каковы ее проявления и влияние на нашу планету?

4. Каковы источники энергии звезд? Какие параметры звезд оказывают наибольшее влияние на звездную эволюцию?

5. Что такое диаграмма Герцшпрунга-Рассела? Какую роль она сыграла в развитии астрономии?

6. Опишите основные этапы эволюции звезд. Какие изменения происходят со звездами в процессе эволюции?

§ 1.3. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И СТРОЕНИЕ

СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Солнечная система – большая система (рис. 1.5), состоящая из Солнца, планет, их спутников, астероидов, комет, метеорных тел, большого количества газа и пыли.

Солнце – звезда, центральный объект Солнечной системы.

Представляет собой огромный газовый шар, в центре которого происходят термоядерные реакции, в результате которых в окружающее пространство излучаются тепло и свет. В нем заключено более 99,9 % массы Солнечной системы. Своей силой тяготения оно удерживает и заставляет двигаться вокруг себя по орбитам все остальные объекты Солнечной системы.

Рис. 1.5. Строение Солнечной системы. Чтобы соблюсти масштабы, внутренняя часть системы вынесена в отдельную вкладку. Кроме больших планет представлены остальные типы объектов Солнечной системы.

Масштабы указаны в астрономических единицах Вокруг Солнца двигается 8 больших планет, которые соответствуют современному определению планеты и благодаря большой массе имеют достаточно стабильные орбиты. Орбиты всех планет лежат практически в одной плоскости, совпадающей с плоскостью солнечного экватора. Также все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении (против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса), и в том же направлении большинство планет вращается вокруг своих осей (исключения составляют Венера и Уран). По физическим свойствам и химическому составу большие планеты делят на две группы: планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и газовые планеты-гиганты (Юпитер, Уран, Сатурн, Нептун).

До 2006 года к большим планетам причисляли Плутон, однако, после открытия нескольких подобных объектов, находящихся за орбитой Нептуна, было решено дать более строгое определение термину «планета». В результате Плутон вместе еще с несколькими телами Солнечной системы был отнесен в особую группу карликовых планет (планетоидов) – это небесные тела, которые имеют близкую к шарообразной форму, обращаются вокруг Солнца по самостоятельным, но нестабильным орбитам и из-за небольшой массы не могут очистить свою орбиту от других крупных тел. Так, у Плутона есть достаточно крупный спутник Харон, который всего в раза меньше планеты. Центр масс системы находится между Плутоном и спутником, а не внутри планеты, как в случае других больших планет. Поэтому они обращаются друг вокруг друга и образуют двойную планету.

В настоящее время карликовыми планетами признаны следующие объекты: Церера, Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида, также около десяти объектов рассматриваются как наиболее вероятные кандидаты для включения в эту категорию. В табл. 1.2 для сравнения приведены основные характеристики землеподобных, газовых и карликовых планет Солнечной системы.

Планеты земного типа имеют меньшие размеры, чем планетыгиганты. Они обладают большей плотностью (4 000-5 500 кг/м3), так как состоят из каменистых веществ (железа и силикатов), у них твердая поверхность, представляющая собой каменистую пустыню с высокими горами и глубокими впадинами. Все планеты земной группы имеют сходное внутреннее строение:

• в центре железное ядро с примесью никеля, Табл. 1.2. Сравнение основных характеристик больших и карликовых планет Земного типа Газовые гиганты Карликовые планеты * Отрицательное значение периода вращения указывает на вращение в сторону, У планет земного типа мало или вообще нет спутников (как в случае Меркурия и Венеры) и отсутствуют кольца. Ниже рассмотрим характеристики и особенности трех планет земной группы. Отличия между планетами земного типа обусловлены в основном атмосферными условиями.

Меркурий – самая близкая к Солнцу планета, поэтому один оборот вокруг него она делает всего за 88 суток. По размерам он немного больше Луны по своему внешнему виду также напоминает ее и не обладает атмосферой. По этой причине температуры поверхности днем и ночью сильно колеблются: от +430°С на дневном полушарии и до –180°С на ночном. Из-за близости к Солнцу Меркурий является очень сложным объектом как для астрономических наблюдений с Земли, так и с помощью космических аппаратов. На Земле эта планета видна несколько дней в году как неяркая звездочка на светлом фоне вечерней или утренней зари. Эту планету изучали всего два космических аппарата НАСА «Маринер гг.) и «MESSENGER» (2008 г., продолжит изучение в 2011 г.) Снимки, сделанные этими аппаратами, позволили открыть на Меркурии большое количество кратеров, подобных лунным. Принято давать названия этим кратерам в честь людей искусства: художников, писателей, композиторов, архитекторов и т. п. Так, к самым большим кратерам Меркурия относятся: Бетховен (диаметр 625 км), Толстой (400 км), Достоевский (390 км), Гете (383 км), Рафаэль (350 км), Шекспир (350 км), Моцарт (225 км), Микеланджело (200 км) и др.

Планета Венера по своим физическим характеристикам (масса, радиус, см. табл. 1.2) очень похожа на Землю. Однако она имеет очень плотную атмосферу, которую открыл в 6 июня 1761 года Михаил Васильевич Ломоносов во время наблюдения редкого явления – прохождения планеты по диску Солнца. Давление атмосферы примерно в 93 раза больше, чем на Земле, а состоит она на 96% из углекислого газа и 4% азота, кроме того в атмосфере присутствует диоксид серы, благодаря которому там могут образовываться облака из серной кислоты. Большая толщина атмосферы, а также большое количество CO2 приводит к появлению сильного парникового эффекта, поэтому поверхностная температура достигает +460°С и практически не изменяется в течение суток (несмотря на очень медленное вращение планеты).

Венера хорошо видна на небе как яркая звезда, имеющая ровное белое свечение. Как и Меркурий, она не отходит далеко от Солнца, поэтому бывают периоды утренней и вечерней видимости планеты.

Венера является третьим по яркости небесным светилом (после Солнца и Луны). Она интенсивно изучается космическими аппаратами разных стран, начиная с начала 60-х годов XX века. В 1975 и 1982 годах советские космические аппараты серии «Венера»

высаживались на поверхность планеты и передали на Землю снимки поверхности планеты. В 1990-1992 гг. Американская межпланетная станция «Магеллан» провела радиолокацию более 98% поверхности Венеры. Детали рельефа (горы, равнины, кратеры, равнины) решено называть только женскими именами в честь богинь (гора Маат, земля Афродиты, плато Лакшми), мифологических персонажей (каньон Дианы, борозды Беллони, равнина Снегурочки), знаменитых женщин (кратеры Ахматова, Войнич, венец Нефертити) и просто именами (кратеры Берта, Галина, Тамара и пр.) Единственным исключением являются самые высокие на планете горы Максвелла, названные в честь английского физика Джеймса Максвелла, создателя электромагнитной теории, без которой невозможно было бы использование радиолокации.

Четвертая планета от Солнца – Марс находится в 1,5 раза дальше от Солнца и делает один оборот вокруг него за 2 года. Марс примерно в 2 раза меньше Земли, поэтому его атмосфера разреженнее земной (давление на поверхности в 160 раз меньше). По химическому составу она схожа с атмосферой Венеры: на 95% она состоит из углекислого газа, на 2,7% из азота и 1,6% аргона. Также летом в атмосфере наблюдается метан, который в обычных условиях быстро разлагается, поэтому должен существовать постоянный источник этого газа (геологическая активность или деятельность бактерий).

Средняя температура атмосферы на Марсе довольно низка около – 40°С. В летние месяцы днем температура может подниматься до +30°С, а ночью опускается до –80°С (у полюсов может падать до – 125°С). В марсианской атмосфере часто дуют сильные ветра, скоростью до 100 м/с. Иногда они вызывают мощные пылевые бури, которые бушуют несколько месяцев и покрывают всю поверхность планеты. В некоторых случаях наблюдаются облака водяного пара.

На поверхности планеты заметно множество следов наличия в прошлом жидкой воды (например, русла высохших рек).

Предполагается, что в больших количествах она существует под поверхностью Марса в виде вечной мерзлоты. В 2008 году, вода в состоянии льда была обнаружена во время специального эксперимента, выполненного космическим аппаратом НАСА «Феникс». На Марсе, как и на Земле, есть полярные шапки у полюсов, состоящие из углекислого льда, и смена времен года, которая приводит к сезонным изменениям климата планеты. На Марсе находится самая высокая гора в Солнечной системе – вулкан Олимп высотой 27 км и диаметром основания 540 км. У четвертой планеты Солнечной системы есть два маленьких спутника (Фобос и Деймос), их открыл в 1877 году американский астроном Асаф Холл.

Марс является самым популярным объектом космических исследований. К Марсу было запущено около 40 пролетных, орбитальных и посадочных аппаратов, причем около половины из них оказались неудачными (из-за аварий или технических неполадок). Наиболее успешными экспедициями были: «Марс - 3»

(1971 г., первая мягкая посадка на планету), «Викинг - 1 и - 2» (1976гг.), «Марс Глобал Сервейор» (1996-2006 гг., проведена картография поверхности всей планеты), «Марс Пасфайндер» с марсоходом «Соджорнер» (1997 г.). В настоящее время (2010 г.) планета продолжает исследоваться с помощью орбитальных станций «Марс Одиссей», «Марс Экспресс» и «Марс Реконайссанс Орбитер»

и двух небольших марсоходов («Спирит» и «Оппортьюнити»), опустившихся на поверхность еще в январе 2004 г.

Планеты-гиганты представляют собой огромные газовые шары и имеют много общих характеристик. У них нет твердой поверхности, так как они состоят из водорода (89 %) и гелия (10 %) с примесями аммиака и водяного пара в атмосферах. Они довольно быстро вращаются вокруг осей (с периодами 9 17 часов), в мощных атмосферах наблюдается много циклонов и антициклонов. К примеру, на Юпитере более четырехсот лет наблюдается атмосферный вихрь – Большое Красное Пятно размерами тыс. км (в 2 раза больше Земли). Планеты-гиганты в 4-10 раз больше Земли по размеру и в десятки и сотни раз по массе. Благодаря значительной массе, они имеют большое количество спутников, а также планетные кольца. Из-за существенного расстояния от Солнца на этих планетах очень низкие температуры (от –150°С на Юпитере до –230°С на Нептуне).

По внутреннему строению планеты-гиганты можно разделить на две подгруппы: Юпитер и Сатурн под мощной водородно-гелиевой атмосферой имеют толстый слой (мантию) жидкого водорода, вблизи центра переходящего в металлическое состояние, у Урана и Нептуна этот слой образован водяным и метановым льдом. В центре каждой из четырех планет находится компактное твердое ядро, состоящее из более тяжелых элементов. Мощные токи, возникающие в мантии и ядре, образуют вокруг этих планет сильные магнитосферы, так магнитное поле Юпитера в 12 000 раз сильнее земного. На планетахгигантах периодически наблюдаются яркие полярные сияния.

Планеты-гиганты изучались несколькими американскими межпланетными аппаратами: «Пионер - 10» (Юпитер, 1973 г.), «Пионер - 11» (Юпитер, 1974 г., Сатурн, 1979 г.), «Вояджер - 1»

(Юпитер, 1979 г., Сатурн, 1980 г.), «Вояджер - 2» (Юпитер в 1979 г., Сатурн в 1981 г., Уран в 1986 г. и Нептун в 1989 г.). Эти автоматические станции получили множество прекрасных изображений атмосфер и поверхностей этих планет и их спутников, а также колец, которые невозможно увидеть с поверхности Земли.

Были открыты действующие вулканы на спутнике Юпитера Ио, несколько новых спутников планет, кольца Юпитера и Нептуна. С 1995 по 2003 гг. космический зонд НАСА – «Галилео» проводил изучение Юпитера и его больших спутников, передав огромное количество уникальных снимков превосходного качества. С помощью «Галилео» на спутнике Европа под поверхностными льдами обнаружен жидкий океан, в котором может существовать жизнь. С 1 июля 2004 года (после семи лет путешествия) около Сатурна работает «Кассини» – еще один аппарат НАСА, целью которого является подробное изучение атмосферы планеты и ее спутников. На нем находился спускаемый аппарат «Гюйгенс», который 14 января 2005 опустился на поверхность самого большого спутника планеты (Титана) для исследования грунта и метановой атмосферы этого небесного тела. В 2007 году мимо Юпитера пролетел аппарат «Новые горизонты», запущенный к Плутону января 2006 года; по расчетам к Плутону он должен прилететь в середине 2015 года (самое быстрое созданное человеком техническое средство, обладающее рекордной скоростью почти 20 км/с).

Плутон и другие далекие карликовые планеты в среднем в раз дальше от Солнца, чем Земля, поэтому один оборот вокруг него они делают уже за сотни лет. С карликовых планет Солнце видно лишь как очень яркая звезда. Поэтому температура их поверхности составляет –220°С –240°С, они покрыты льдом из метана и воды, на минимальном расстоянии от Солнца у них возникает разреженная метановая атмосфера. Также у некоторых из них есть спутники, которые позволили достаточно точно определить массу этих планет.

1.3.2. Малые тела Солнечной системы Спутник – небесное тело, которое под действием сил тяготения двигается вокруг другого более массивного тела (звезды или планеты). В Солнечной системе около 175 спутников больших и карликовых планет. Самые крупные спутники шарообразны и являются каменными или ледяными телами. К ним относятся:

спутник Земли – Луна (диаметр 3 500 км), четыре больших (галилеевых) спутника Юпитера (Ганимед, Каллисто, Ио и Европа), пять главных спутников Сатурна (Титан, Рея, Япет, Диона и Тефия), пять главных спутников Урана (Титания, Оберон, Умбриель, Ариэль и Миранда), три самых больших спутника Нептуна (Тритон, Протей и Нереида), а также вышеупомянутый спутник Плутона Харон. Самыми большими спутниками являются Ганимед и Титан (с диаметрами 5 260 и 5 150 км, соответственно), они больше Меркурия, хотя уступают ему по массе.

Большинство спутников имеет неправильную форму и представляет собой каменные обломки, то есть бывшие астероиды, захваченные сильным гравитационным полем планеты. Размеры их меньше 300 км; в 2009 году был открыт спутник Сатурна размером 300 метров (измерили по тени, которую он отбрасывает на кольца).

Кроме спутников, у планет-гигантов есть кольца – системы из огромного количества маленьких спутников (осколков льда, камней и пыли), размером менее десяти метров, которые двигаются по параллельным орбитам друг за другом в экваториальной плоскости планеты. Известной с XVII века и самой впечатляющей системой колец обладает Сатурн. Их ширина достигает 70 тыс. км (больше радиуса планеты), а толщина составляет менее 1 км. Значительно меньшего масштаба, но такими же, по сути, являются кольца, Урана, Юпитера и Нептуна, открытые в отличие от колец Сатурна лишь в конце XX века.

В конце XVIII века после сенсационного открытия планеты Уран ученые отметили, что между орбитами Марса и Юпитера слишком большое «пустое» пространство и предположили, что там должна быть еще одна планета. Не участвовавший в проекте по поиску этой планеты итальянский астроном Джузеппе Пиацци января 1801 года случайно обнаружил новый объект, находившийся именно в этой области. Открытый объект получил название Церера (в честь римской богини плодородия – покровительницы Сицилии, где работал Пиацци). В 1802, 1804 и 1807 гг. в этой области были открыты еще три подобных объекта, а, начиная с середины XIX века, каждый год стали открываться все новые, более слабые по яркости планеты, число которых стало расти в геометрической прогрессии.

Так как в телескоп невозможно увидеть их поверхность, то они имеют звездный вид. В связи с этим подобные объекты получили общее наименование астероиды (звездообразные).

Астероиды (малые планеты) – небольшие каменные тела неправильной формы, которые движутся вокруг Солнца по почти круговым нестабильным орбитам. Астероиды уступают по размерам большим планетам, причем, чем меньше размеры объектов, тем больше их количество. Открыты объекты размером в несколько метров (2008 TC3), которые относят к классу метеороидов.

К настоящему времени открыто более 540 000 астероидов, у половины из них точно определены орбиты и им присвоен номер.

Однако лишь около 15 000 астероидов имеют наименования. Сначала астероидам давали имена героев античной мифологии (4 Веста, Ариадна, 107 Камилла), позднее открыватели получили право называть их как угодно: первоначально давались преимущественно женские названия (216 Клеопарта, 304 Ольга, 643 Шахеризада), мужские имена получали только необычные астероиды (433 Эрос – первый околоземный астероид, 1566 Икар, приближающийся к Солнцу ближе Меркурия, 944 Идальго). Позднее и это правило перестало соблюдаться. Сейчас многие астероиды называют в честь географических объектов (232 Россия, 1495 Хельсинки, Казанский Университет), великих и известных людей, за исключением политиков и военачальников (1000 Пиацция, Есенин, 4004 Листьев). Получить имя может не любой астероид, а лишь тот, орбита которого надёжно вычислена, поэтому есть случаи, когда астероид получал имя спустя десятки лет после открытия. До тех пор, пока орбита не вычислена, астероиду даётся численнобуквенный номер, отражающий дату его открытия (1991 VA1).

Сейчас выделяют две области распространения (пояса) астероидов: главный пояс между Марсом и Юпитером, и пояс, расположенный за Нептуном – пояс Койпера, объекты которого стали открывать в 90-е годы XX века. Сейчас открыто более транснептуновых объектов. Отдельные астероиды присутствуют и в других областях Солнечной системы, в том числе вблизи орбиты Земли (они называются астероидами, сближающимися с Землей).

Известны десятки астероидов, обладающих своими спутниками.

Во время полета к Юпитеру в 1991 г. аппарат «Галилео» в поясе астероидов сделал первые снимки с близкого расстояния малой планеты Гаспра, а в 1993 г. у астероида Ида сенсационно был открыт спутник Дактиль. В 1996 г. в США был запущен специализированный зонд «NEAR - Шумейкер» для изучения рельефа поверхности двух астероидов – Матильды и Эроса.

Космические исследования астероида Итокава с забором его грунта в 2005 г. провел японский аппарат «Хаябуса», который, несмотря на технические неполадки летом 2010 года, успешно вернулся на Землю.

Самыми необычными объектами солнечной системы являются кометы – это небольшие небесные тела, имеющие на небе туманный вид и движущиеся вокруг Солнца по вытянутым (эллиптическим) нестабильным орбитам. Любая комета представляет собой ледяное ядро, размером около 10 15 км. Когда комета приближается к Солнцу, то под действием его тепла и света вещество ядра тает и испаряется, образуя газовую оболочку (кому) и хвост – слабый светящийся шлейф, который в результате светового давления и действия солнечного ветра чаще всего направлен в противоположную от Солнца сторону. Наблюдаемые размеры комет достигают впечатляющих масштабов. Ядро размером в несколько километров может создавать вокруг себя шарообразную кому размером в сотни тысяч километров, а длина хвоста может достигать 200-300 млн. км!

Однако в действительности никакой реальной массы они не несут, так как состоят из отдельных частичек газа и пыли. Плотность этого вещества значительно меньше плотности воздуха. Поэтому сквозь кометный хвост просвечивают даже очень слабые звезды.

Известно около 400 комет с периодами движения вокруг Солнца менее 200 лет. Предполагается, что большое количество комет находится в самых внешних областях Солнечной системы, образуя гипотетическое облако сферической формы – облако Оорта. О существовании этого облака косвенно указывает частое появление новых ярких комет с периодами в тысячи лет и более. Практически все кометы названы в честь первооткрывателей (25D/Неуймина, 67P/Чурюмова-Герасименко, 22P/Макнота), одним из исключений является комета 1P/Галлея, которая наблюдается с 239 г. до н.э., названная в честь Эдмунда Галлея, впервые рассчитавшего орбиту кометы и предсказавшего ее последующее появление. В настоящее время кометы (как и астероиды) ищутся автоматическими телескопами, названия которых определяют имена открытых комет (167P/CINEOS, 180P/NEAT 3, 226P/Пиготта-LINEAR-Ковальского).

Подавляющее большинство комет видно только в телескопы. Иногда из-за больших размеров или близкого прохождения около Земли появляются очень яркие (большие) кометы, которые видны невооруженным взглядом и на небе представляют красивое и впечатляющее зрелище. За историю человечества наблюдалось несколько десятков таких комет, последними из которых были кометы Хякутакэ (1996 г.), Хейла-Боппа (1997 г.), Макнота (2007 г.) Кометы постепенно разрушаются, их вещество в виде газа, пыли и каменистых обломков рассеивается в пространстве всей Солнечной системы. Газ, пыль и небольшие камни, оставшиеся при формировании планетной системы и после разрушения комет и астероидов, составляют метеорное вещество. Это вещество наблюдается в виде метеоров, метеоритов, а также редкого небесного явления «зодиакального света». Метеоры («падающие звезды») – явления вспышек света в верхней атмосфере Земли, вызванные вторжением в нее с космической скоростью (12 км/с и выше) пылевых частиц размером до 0,1 мм или метеорных тел (обломков комет и астероидов размером менее 10 м). Вследствие взаимодействия с атмосферой метеорные тела обычно полностью теряют свою массу («сгорают»), при этом возбуждается свечение и происходит ионизация атмосферных газов. Яркие метеоры называются болидами, они оставляют дымный след, образованный пылью и ионизованными газами.

Иногда Земля попадает в облака из метеорных частиц, которые образуют настоящие «дожди из метеоров». Такие события заранее предсказываются, так как они движутся вдоль орбит породивших их комет. Наиболее известны метеорные дожди Персеиды (видны в первой половине августа) и Леониды (середина ноября). Названия этим явлениям даются в честь созвездия, со стороны которого летит большинство метеоров.

Если попавшее в атмосферу метеорное тело было достаточно большим, то часто оно не успеет полностью разрушиться в атмосфере и выпадает на поверхность Земли в виде камня, с несколько необычным химическим составом. Такой объект называется метеоритом. По химическому составу метеориты делятся на:

• каменные (92,8%) – состоят из силикатов подобных тем, что находятся в мантии Земли, • железные (5,7%) – состоят из железо-никелевого сплава (как земное ядро), • железо-каменные (1,5%) – имеют промежуточный состав.

Метеориты очень важны и интересны с научной точки зрения, так как являются осколками крупных космических тел и несут информацию о процессах формирования Солнечной системы.

Предполагают, что за сутки на нашу планету выпадает около 5 т метеоритов, а в год – несколько тысяч тонн космического вещества.

Чем больше метеорное тело, тем менее вероятно его падение на Землю (больших тел гораздо меньше, чем маленьких). Самый крупный железный метеорит Гоба, выпавший около 80 тыс. лет назад, имеет массу 60 тонн (размеры 2,72,70,9 метров), был найден в Африке в 1920 г. Самый большой каменный метеорит – Альенде упал в Мексике в 1969 году, но при падении разрушился на большое количество мелких осколков. Метеорит называют в честь географического места (например, поселения), вблизи которого он упал. Однако люди находят метеориты довольно редко (обычно они падают в незаселенные районы), к тому же каменные метеориты легко разрушаются. За 250 лет на территории нашей страны найдено всего 125 метеоритов. Самыми известными из них являются:

Тунгусский (упал 30 июня 1908 г., в действительности был осколком кометы), Царевский (1922 г.), Сихотэ-Алинский (12 февраля 1947 г., общая масса осколков – 30 т.), Витимский (2002 г.) Если Земля столкнется с телом гораздо большей массы (астероидом или кометой), то оно может взорваться на поверхности Земли с образованием круглой воронки – кратера. Наиболее известным и хорошо сохранившимся является Аризонский кратер в США диаметром 1 200 м, это результат падения метеорита размером 50 м примерно 50 тыс. лет назад, а самым крупным известным кратером является кратер Земли Уилкса диаметром около 500 км, находящийся подо льдами Антарктиды. Падения очень больших метеоритов могут привести к глобальным экологическим катастрофам. Так, около 65 млн. лет назад после падения большого метеорита в районе полуострова Юкатан (кратер Чиксулуб на южном побережье Мексиканского залива) по наиболее распространенной гипотезе резко изменился климат на всей нашей планете, что привело к вымиранию динозавров, птерозавров, морских рептилий, крупных моллюсков (аммонитов) и некоторых других видов животных и растений. Поэтому важно изучение астероидов для поиска потенциально опасных (особенно среди сближающихся с Землей), хотя до настоящего времени не открыто ни одного астероида, который может столкнуться с Землей в ближайшие десятилетия.

1.3.3. Эволюция планет и образование Солнечной системы В 18-19 веках астрономы попытались создать теорию происхождения Солнечной системы. Первые гипотезы основывались на известных фактах, но не могли правильно объяснить все особенности строения Солнечной системы:

1. Считалось, что на Солнце упала комета, при взрыве было выброшено вещество Солнца, которое образовало планетную систему;

2. Предполагалось, что около Солнца прошла другая звезда, которая притяжением притянула к себе часть его вещества, из которого образовались планеты;

3. По третьей гипотезе думали, что вокруг Солнца двигались маленькие звезды, которые со временем остыли и стали планетами.

Но все эти гипотезы не соответствовали истинному положению вещей.

Первая достоверная научная «небулярная» теория эволюции Солнечной системы была предложена независимо в 1755 г. И. Кантом и 1796 г. П.-С. Лапласом. По этой теории Солнечная система образовалась из большой газовой или пылевой туманности:

постепенно вещество сжалось в планеты, существующие сейчас.

Были дискуссии о происхождении облака, одни считали, что облако было захвачено Солнцем, другие думали, что планеты образовались вместе с Солнцем. Эта гипотеза не могла объяснить значительное различие в импульсе Солнца и планет.

Рис. 1.6. Схематичное представление происхождения Солнечной системы Современная теория принадлежит советскому ученомуэнциклопедисту Отто Юльевичу Шмидту, который впервые высказал ее в 1944 году в Казани, куда была эвакуирована из Москвы Академия Наук СССР. Эта теория основывалась на гипотезе КантаЛапласа, а также учитывала все имеющиеся на тот момент данные астрономии, физики, геологии, планетологии. С 50-х годов она подвергалась доработкам и улучшениям, и сейчас является наиболее полно описывающей эволюцию планет в Солнечной системе.

Примерно около 4 млрд. лет назад, когда в Солнечной системе было 50-100 крупных тел планетного типа, началась эпоха «метеоритной бомбардировки». Происходили многочисленные столкновения и падения крупных метеоритов на поверхности (о чем говорит большое количество метеоритных кратеров на Луне, Меркурии, спутниках планет). В это время происходили и очень серьезные столкновения, так в результате одного из столкновений Меркурий лишился своей мантии, а касательное столкновение Земли с телом размером с Марс привело к появлению Луны (по общепринятой сейчас теории). Эта эпоха закончилась примерно через 100 млн. лет. В тоже время у планет-гигантов возникли собственные газопылевые диски, из которых затем сформировались кольца и многочисленные спутники. Планета, которая должна была появиться около Юпитера, не смогла сформироваться из-за его гравитационного воздействия, поэтому там остался «строительный мусор» в виде пояса астероидов.

В конце XX века после многолетних поисков астрономы начали обнаруживать многочисленные подтверждения возможности такого образования планетных систем. С середины 80-х годов открыты газопылевые диски вокруг нескольких десятков звезд (например, у звезд Живописца, Веги – одной из самых ярких звезд неба и др.), в некоторых из них наблюдаются формирующиеся планеты. В году швейцарские астрономы М. Майор и Д. Келос у звезды Пегаса открыли первую планету, находящуюся вне Солнечной системы (экзопланету). Сейчас с каждом годом открывается все больше экзопланет разной массы и, даже, планетные системы по 2- планеты. К началу марта 2011 г. известно уже около внесолнечных планет у более 440 звезд, подавляющее большинство из них являются планетами-гигантами, но в последние годы открыто несколько экзопланет, похожих по параметрам на Землю (к примеру у звезды Gliese 581). Таким образом, образование около звезд протопланетных дисков и планет – явление не исключительное и хорошо описывается в рамках эргодической гипотезы (все стадии образования планет непосредственно наблюдаются).

1. Перечислите и опишите основные типы объектов Солнечной системы? Почему наша система называется Солнечной?

2. Чем различаются две группы больших планет Солнечной системы?

3. Опишите физические условия на больших планетах.

4. Опишите основные отличия между большими планетами, карликовыми планетами, спутниками, кометами, астероидами, метеорным веществом.

5. Опишите поэтапно процесс происхождения и развития Солнечной системы. Почему ближе к центру Солнечной системы находятся каменистые планеты, а во внешней ее части газовые гиганты?

6. Расскажите, для чего необходимо изучать объекты Солнечной системы.

Земля является третьей от Солнца планетой Солнечной системы, крупнейшей по размеру, массе и плотности среди планет земной группы. Наша планета – единственное известное на данный момент тело Солнечной системы, в частности, и Вселенной в целом, населённое живыми существами.

Земля обращается вокруг Солнца и делает вокруг него полный оборот за один сидерический год, который равен 365,2564 солнечных суток. В течение года Солнце описывает на небе полный круг по зодиакальным созвездиям в течение 365,2422 солнечных суток (тропический год). Ось вращения Земли наклонена на угол 23° 27’ относительно плоскости орбиты планеты, что является главной причиной сезонных изменений (времен года) на планете.

Земля образовалась из Солнечной туманности около 4, миллиардов лет назад, и вскоре после этого приобрела свой единственный естественный спутник – Луну. Луна сформировалась примерно 4,53 миллиарда лет назад, вероятно, в результате касательного столкновения Земли с объектом, по размерам близким Марсу и массой 10 % от земной (иногда этот объект называют «Тейя»). Часть массы этого тела слилась с Землёй, а часть была выброшена в околоземное пространство и образовала кольцо обломков, со временем собравшихся в плотный каменный шар.

Появление Луны стабилизировало движение планеты и явилось причиной явления приливов и отливов в гидросфере, которые замедляют вращение Земли.

Жизнь появилась на Земле около 3,5 млрд. лет назад. С тех пор биосфера Земли значительно изменила атмосферу и прочие абиотические факторы, обусловив количественный рост аэробных организмов, так же как и формирование озонового слоя, который вместе с магнитным полем Земли ослабляет вредную солнечную радиацию, тем самым сохраняя условия для жизни на Земле.

Приблизительно 70,8% поверхности планеты занимает Мировой океан, остальную часть поверхности занимают континенты и острова.

Жидкая вода, необходимая для всех известных жизненных форм, не существует на поверхности какой-либо из известных планет и планетоидов Солнечной системы.

1.4.2. Форма и химический состав Земли Можно считать, что Земля имеет форму шара со средним радиусом 6371,3 км. Такое представление нашей планеты хорошо подходит для задач, точность вычислений в которых не превышает 0,5 %. В действительности Земля не является идеальной сферой. Изза суточного вращения она сплюснута с полюсов (разность между экваториальным и полярным радиусами составляет 21 км); высоты материков различны; приливные деформации также искажают форму поверхности. Поэтому в геодезии и космонавтике обычно для описания фигуры Земли используют эллипсоид вращения или геоид (рис 1.7). Геоид – это тело, поверхность которого всюду перпендикулярна направлению силы тяжести. Но действительности в различных местах поверхность планеты может значительно отличаться от этой условной фигуры (см. рисунок).

Рис. 1.7. Сравнение поверхностей Земли, эллипсоида и геоида Высшей точкой твёрдой поверхности Земли является гора Эверест (8 848 м над уровнем моря), а глубочайшей – Марианская впадина (11 022 м под уровнем моря).

Масса Земли приблизительно равна 5,981024 кг. По химическому составу наша планета состоит в основном из железа (32,1 %), кислорода (30,1 %), кремния (15,1 %), магния (13,9 %), серы (2,9 %), никеля (1,8 %), кальция (1,5 %) и алюминия (1,4 %); на остальные элементы приходится 1,2 %.

Земля обладает довольно сильным магнитным полем (более значительное поле только у Юпитера и Сатурна). Графически магнитное поле Земли похоже на магнитное поле постоянного магнита (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Схема магнитного поля Земли вблизи поверхности Основная причина наличия магнитного поля Земли в том, что ядро Земли состоит из раскаленного железа (хорошего проводника электрических токов, возникающих внутри Земли). Магнитное поле Земли образует магнитосферу, простирающуюся на 70-80 тыс. км в направлении Солнца, а с противоположной стороны образующей рассеивающийся «магнитный хвост» (рис. 1.9). Она защищает поверхность Земли от влияния энергичных заряженных частиц (протонов, электронов) и космических лучей, которые приходят в основном от Солнца, и задерживаются в радиационных поясах магнитосферы, теряя энергию. В годы максимальной активности Солнца поток частиц увеличивается в тысячи раз, и после сильных вспышек на Солнце в результате взаимодействия заряженных частиц «солнечного ветра» с атмосферой Земли в высоких широтах планеты наблюдается явление полярного сияния, а также магнитные бури.

Полярное сияние – это свечение в атмосфере, возникающее при возбуждении и ионизации (разрушении) атомов и молекул газа высокоэнергичными частицами солнечного ветра. Радиационные пояса Земли были открыты в 1958 году американским спутником «Эксплорер-1».

Рис. 1.9. Взаимодействие магнитного поля Земли и солнечного ветра Земля, как и другие планеты земной группы, имеет слоистое внутреннее строение. Она состоит из твёрдых силикатных оболочек (коры, крайне вязкой мантии) и металлического ядра. В центре планеты температура, возможно, поднимается до 7 000 К, а давление может достигать 360 ГПа (3,6 млн. атм).

Земная кора – внешняя твёрдая оболочка Земли. Ниже коры находится мантия, которая отличается составом и физическими свойствами – она более плотная, содержит в основном тугоплавкие элементы. Разделяет кору и мантию граница Мохоровичича, или сокращённо Мохо, на которой происходит резкое увеличение скоростей сейсмических волн. Земную кору составляет сравнительно небольшое число элементов. Около половины массы земной коры приходится на кислород, более 25 % – на кремний. Всего элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, H, Ti, C, Cl, P, S, N, Mn, F, Ba – составляют 99,8 % массы земной коры. По строению различают континентальную и океаническую земную кору. Континентальная кора слагает материки и состоит из осадочного (самого верхнего), гранитного и базальтового слоев. В океанической коре гранитный слой отсутствует и ее толщина значительно меньше (~ 7 км против 35-75 км у материковой).

Мантия, расположенная непосредственно под корой и выше ядра, содержит большую часть вещества Земли (диапазон глубин от 30 до 2 900 км от земной коры) и состоит из верхней (глубина до км) и нижней мантии (400 2 900 км). Внешний слой верхней мантии (7 200 км) называется астеносферой и вместе с земной корой образует литосферу. По химическому составу в мантии преобладают кислород, кремний и магний.

Под мантией находится ядро, состоящее в основном из железа.

Внешняя часть ядра жидкая (значительно менее вязкая, чем мантия), а внутренняя – твёрдая. Электрические токи, генерируемые в жидкой и твердой частях ядра, являются источником магнитного поля Земли.

Рис. 1.10. Схема внутреннего строения Земли и ее атмосферы Данные о внутреннем строении Земли получают в основном методами сейсмологии – науки, изучающей закономерности прохождения звуковых колебаний через различные породы, слагающие Землю. В зависимости от состава и физических свойств, форма и скорость звуковых колебаний будет меняться. При прохождении через границу между различными по свойствам оболочками Земли часть сейсмических волн отражается обратно и регистрируется специальной аппаратурой. Таким образом, удается «заглянуть» внутрь Земли.

1.4.5. Тектоника плит. Дрейф материков По современным представлениям литосфера Земли состоит из отдельных тектонических плит (рис. 1.11), которые, под действием конвективных процессов в астеносфере и верхней мантии медленно (~ 1 см/год) перемещаются друг относительно друга. При этом в зонах расширения (срединно-океанических хребтах и континентальных рифтах) в результате спрединга (от англ. spread — растягивать, расширять) образуется новая океаническая кора, а старая поглощается в зонах субдукции. Теория тектоники плит хорошо объясняет землетрясения, вулканическую деятельность и горообразование, большая часть которых приурочена к границам плит.

Одним из следствий тектоники плит является дрейф континентов. В свое время именно сходство береговых линий натолкнуло на мысль об их движении. За всю историю Земли материки объединялись и раскалывались несколько раз. 225 млн. лет назад они образовали суперконтинент Пангею (рис 1.12), которая около 200 млн. лет назад раскололась на два сверхматерика Лавразию (Евразия и Северная Америка) и Гондвану (Южная Америка, Африка, Мадагаскар, Антарктида, Австралия, полуостров Индостан). Двигаясь в разных направлениях благодаря растеканию океанического дна, материки приняли свое нынешнее очертание. Столкновение полуострова Индостан с Евразией привело к возникновению Гималайской горной системы.

Рис. 1.11. Картасовременного расположения литосферных плит Водная оболочка Земли называется гидросферой. В общем виде принято деление гидросферы на Мировой океан, пресные воды, ледники и водяной пар. Средняя глубина океана составляет 3 800 м, максимальная (Марианская впадина Тихого океана) – 11 034 метров.

Около 96 % массы гидросферы составляют соленые океанические воды, 2 % – воды ледников, еще 2 % приходится на подземные, озерные и речные пресные воды, водяной пар в атмосфере составляет незначительную долю гидросферы. Область биосферы в гидросфере представлена во всей ее толще, однако наибольшая плотность живого вещества приходится на поверхностные прогреваемые и освещаемые лучами Солнца слои, а также прибрежные зоны.

Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее, играют важнейшую роль в жизни наземной биосферы, являясь основным источником водоснабжения и орошения. Вода участвует во всех физиологических процессах живых организмов. Кроме того гидросфера находится в постоянном взаимодействии с атмосферой и земной корой, участвуя в формировании погоды и климата. Так, Мировой океан — мощный накопитель тепла и регулятор теплового режима Земли. Если бы океана не было, средняя температура поверхности Земли составила бы -21° С, то есть была бы на 36° ниже существующей.

Газовая оболочка Земли называется атмосферой и простирается от верхней границы гидросферы и литосферы до околоземного пространства (~ 1000 км), состоит из нескольких слоев (рис. 1.13).

Химический состав атмосферы составляют следующие газы: 78 % азот, 21 % кислород, 0,9 % аргона, около 0,1 % водяной пар и 0,03 % углекислый газ.

Тропосфера – самый нижний слой – имеет толщину 8- км и содержит более 80% всей массы атмосферного воздуха и почти весь водяной пар. Здесь сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, формируются атмосферные фронты, развиваются циклоны и антициклоны, а также другие процессы, определяющие погоду и климат. Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности +26° С на экваторе и -23° С на северном полюсе.

Стратосфера, следующий слой располагается на высоте от до 50 км. Средняя температура воздуха опускается здесь до 0° С.

Именно в стратосфере располагается «озоновый слой» (на высоте 20км), который защищает поверхность планеты жесткого ультрафиолетового излучения Солнца и поэтому определяет верхний предел жизни в биосфере. Озон О3 образуется в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~30 км.

Разрушение О3 происходит непрерывно, поскольку озон – менее прочное соединение, нежели обычный кислород O2.

Вопреки широко распространенному мнению антропогенный фактор (выброс в атмосферу оксида азота, фреонов) оказывает незначительное влияние на разрушение атмосферного озона – образование озоновых «дыр». Имеются две крупные озоновые дыры над полярными районами, образующиеся вследствие специфических погодных условий (полгода – «полярный день», полгода – «полярная ночь»). В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180-200 нм).

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80- км и имеет самую низкие значения температуры до - 138° С.

Плотность воздуха примерно в 1000 раз меньше чем у поверхности Земли, поэтому для полётов мезосфера представляет собой своего рода «мёртвую зону» – воздух здесь, слишком разрежен, чтобы поддерживать самолеты или аэростаты, и в то же время, слишком плотен для полётов искусственных спутников. В верхней части мезосферы происходит сгорание метеорных тел, приходящих из космоса. Предполагается, что именно остатки межпланетной пыли являются ядрами конденсации для ледяных частиц, которые образуют самые высокие в атмосфере серебристые облака, видимые в ночное время только на определенных широтах Земли (например, в Казани), так как освещаются только при определенной высоте Солнца.

Термосфера – слой атмосферы, следующий за мезосферой, – начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Свое название термосфера получила из-за того, что температура воздуха здесь возрастает с высотой в пределах от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах 150км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. Именно в этой области атмосферы Земли возникают полярные сияния.

Сильно ионизованный слой термосферы называют ионосферой.

В этом слое отражаются радиоволны, что позволяет использовать его для организации межконтинентальной радиосвязи на коротких волнах. На высоте 1000 км начинается экзосфера, постепенно переходящая в космическое пространство.

Климат – многолетний статистический режим погоды, характерный для данной местности в силу ее географического положения. Под климатом принято понимать усредненное значение погоды за длительный промежуток времени (порядка нескольких десятилетий), то есть климат – это «усредненная» погода. Погода (погодные условия) – это мгновенные значения некоторых характеристик (температура, влажность, атмосферное давление).

Отклонение погоды от климатической нормы не может рассматриваться как изменение климата, например, очень холодная зима не говорит о похолодании климата. Для выявления изменений климата необходимы значительные изменения характеристик атмосферы за длительный период времени порядка десятка лет.

Климатообразующими факторами являются:

• географическая широта (из-за формы Земного шара на различных широтах угол падения солнечных лучей различен, что влияет на степень прогревания поверхности и, следовательно, воздуха);

• подстилающая поверхность (характер рельефа, особенности ландшафта);

• воздушные массы (определяют сезонность выпадения осадков и состояние тропосферы);

• солнечная радиация;

• влияние океанов и морей (если местность отдалена от морей и океанов, то формируется континентальность климата с большим перепадом зимних и летних температур, наличие морей и океанов смягчает климат местности).

В климатологии выделяют четыре основных климатических пояса на каждом полушарии Земли: экваториальный, тропический, умеренный и полярный (в северном полушарии – арктический, в южном полушарии – антарктический). Между основными зонами находятся переходные пояса – субэкваториальный, субтропический, субполярный (субарктический и субантарктический).