Лекция 3. Строение солнечной системы и сравнительная характеристика планет План

Земля как космическое тело. Строение солнечной системы и сравнительная характеристика планет.

Метеориты и роль их изучения в познании Земли.

Космогонические гипотезы о происхождении солнечной системы – эволюционные (Канта-Лапласа, Шмидта, Фесенкова, Ларина), катастрофические (Джинса, Мультона, Чемберлина).

Современное представление о происхождении Солнечной системы и планеты Земля.

Изучение Земли как небесного тела относится к области астрономии. Однако общее представление о положении Земли в мировом пространстве и отношении ее с другими космическими телами необходимо и для изучения курса в геологии, так как многие процессы, совершающиеся на поверхности и в глубоких недрах земного шара, тесным образом связаны с влиянием внешней среды, окружающей нашу планету. Например, приливы, отливы, магнитные бури и другие процессы. Познание вселенной проливает свет на проблемы происхождения Земли и ранние стадии ее развития.

Земля как космическое тело. Строение солнечной системы и сравнительная характеристика планет

Солнечная система, к которой принадлежит Земля, представляет собой сравнительно небольшой участок Вселенной, являясь частью Галактики. Наша Галактика в свою очередь – лишь одна из многих миллионов Галактик, разбросанных в пространстве, на расстоянии, в среднем превышающих их поперечники в 50 раз. По размеру и составу «звездного населения» с нашей Галактикой сходна Галактика Андромеды. Возраст нашей Галактики достигает 10 млрд. лет, возраст нашего Солнца 5 млрд. лет, возраст Солнечной системы 4,6 млрд. лет.

Солнце - является центральным телом Солнечной системы, в котором сосредоточено 99,866% всей массы системы. Вокруг него по определенным орбитам обращается 9 больших планет, кольцо астероидов между орбитами Марса и Юпитера и много мелких тел. Их масса составляет всего 0,134% вещества системы. В то же время 98% момента количества движения, т.е. произведения массы на скорость и радиус вращения сосредоточено в планетах. В настоящее время известно более 60 спутников планет, около 100 тыс. астероидов, или малых планет и около 10 11 комет, а также огромное количество мелких обломков – метеоритов.

Все тела солнечной системы, начиная от мельчайших частиц космической пыли и кончая большими планетами, связаны силами взаимного притяжения и в той или иной мере оказывают влияние друг на друга. Земля, как один из членов этой системы, также испытывает воздействие других небесных тел, степень которого зависит от расстояния тела от Земли, его массы и физического состояния.

Наиболее значительное влияние на Землю оказывает Солнце. Оно обладает массой в 330 тыс. раз больше Земли в 750 раз больше массы всех планет и их спутников, и своим притяжением удерживает все небесные тела системы на их орбитах. Солнце – это звезда спектрального класса G2V, довольно распространенного в галактике Млечного Пути. В пределах Солнечной системы Солнце – единственное нагретое тело, источник световой и тепловой энергии, согревающей холодные тела планет.

По современным данным, Солнце – огромный шар, состоящий из расплавленных газов. Диаметр Солнца в 109 раз больше диаметра Земли и равняется примерно 1,4 млн. км, плотность оценивается в 1,4 г/см 3, хотя в центре она может достигать 160 г/см 3 . Температура поверхности = 6000 о С, температура недр – 20 000 000 о С. По данным спектрального анализа химический состав солнечной атмосферы содержит 67 элементов периодической системы Менделеева, по массе 73 % - приходится на водород и 25 % на гелий, а на остальные элементы –2%. В структуре Солнца различают внутреннюю часть, или гелиевое ядро, далее располагается зона лучистого равновесия и зона конвекции, затем фотосфера, хромосфера и солнечная корона (рис.)

Рис. . Внутренняя структура Солнца (из работы Н.В.Короновскому, 2002)

Выделение энергии Солнцем, как и температура, остается практически неизменным на протяжении около 5,0 млрд. лет, т.е. с момента образования Солнца. Атомного горючего (водорода) на солнце должно хватить, по расчетам, еще на 5 млрд. лет. Когда запасы водорода истощатся, гелиевое ядро будет сжиматься, а внешние слои расширяться, и Солнце сначала превратиться «красного гиганта», а затем – в «белого карлика».

Планеты (от греч. блуждающий) отличаются от звезд своими сравнительно малыми размерами и физическим состоянием своего вещества. Все они являются холодными телами, температура поверхности которых зависит почти исключительно от тепла, получаемого от солнца; светятся они, поэтому отраженным светом, в отличие от звезд, вещество которых находится в раскаленном состоянии. Планеты вращаются вокруг солнца по орбитам, близким к круговым и, лежащим почти в одной плоскости. Почти все вращения (вокруг Солнца и вокруг собственной оси) в солнечной системе происходят в одном направлении. В солнечной системе известно 9 планет. Ближе всех к Солнцу находится Меркурий, за ним Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. На астрономическом конгрессе в августе 2006 г. (в Праге) путем голосования решили не считать Плутон планетой, а называть малым планетарным телом (основание – размеры, поведение, строение и т.д.). Расстояния планет от Солнца подчиняются определенной закономерности – каждая следующая планета отстоит от Солнца примерно вдвое дальше, чем предыдущая. Земля находится от Солнца на среднем расстоянии – 149500 тыс. км; самая отдаленная планета Плутон – на расстоянии 5915 млн. км.

Рис. 3. Относительные размеры Солнца, планет и их спутников. Показаны только семь самых крупных спутников, остальные выглядели бы на этой схеме просто точками. Показана ориентировка осей вращения планет (если она известна). Расстояние между телами - не в масштабе. (Плоскости орбит планет приблизительно перпендикулярны плоскости чертежа). (Из работы Д.Брауна, А.Массет, 1984).

По положению в Солнечной системе, по размерам и особенностям своего физического состояния планеты четко делятся на 2 группы: планеты-гиганты и планеты типа Земли. К планетам-гигантам относятся наиболее удаленные от Солнца планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Их размеры в десятки раз превосходят размеры планет земного типа, а плотность значительно ниже.

По современным представлениям плотность внутренней части планет-гигантов > 1. Но твердое ядро их окружено толстой оболочкой льда и замерзших газов, над которыми расположена весьма обширная облачная атмосфера из аммиака NH 4 и метана. Вследствие этого средняя плотность планет этого типа, вычисляемая по отношению веса ко всему объему, оказывается близкой к плотности воды. Ввиду удаленности от Солнца планеты-гиганты получают очень мало тепла, и температура их поверхности много ниже 0. Они окружены многочисленными спутниками: у Юпитера – 15, Сатурна > 20, Урана – 10+5. Нептуна – 2 (табл.).

Сравнительная характеристика планет Солнечной системы

К группе планет типа Земли относятся Венера, Марс и Меркурий. Эти планеты обладают относительно небольшими размерами, близкими к размерам Земли, сравнительно высокой плотностью и разреженными атмосферами. В отличие от планет-гигантов у этих планет спутников не больше 1-2 (1 у Земли и 2 у Марса).

Астероиды – это мелкие небесные тела движущиеся подобно планетам вокруг Солнца в пространстве между орбитами Марса и Юпитера. Самые крупные достигают несколько сотен километров в поперечнике (Церера-770 км, Веста-380 км и т.п.), самые мелкие из числа известных имеют диаметр порядка 1 км. По изменению блеска (отраженного от Солнца) некоторых астероидов, предполагают, что они представляют собой неправильные скалоподобные угловатые обломки, похожие на крупные метеориты. Это служит подтверждением гипотезы об образовании астероидов из обломков планеты, расколовшейся в результате космической катастрофы.

Кометы (от греч. – косматые, хвостатые звезды) – члены Солнечной системы периодически появляющиеся на небе в виде перемещающихся туманных объектов со светлым ядром и с одним или несколькими хвостами, направленными в сторону, противоположную солнцу. Кометы обращаются с определенной периодичностью вокруг Солнца, но вследствие очень большого эксцентриситета своих орбит, кометы при удалении от Солнца уходят далеко за пределы планетных орбит и надолго исчезают из нашего поля зрения. У комет различают 3 части: голову кометы или кому, ядро и хвост.

Рис. . Схема строения кометы (из работы Н.В. Короновского, 2002)

Кома представляет собой туманность, окружающую ядро и хвост. Кома представляет собой туманность, окружающую ядро и бывает газовой, пылевой или смешанной. Ядра комет твердые и в поперечнике достигают несколько км. При приближении кометы к солнцу холодное ядро ее разогревается. Выделяющиеся из раскалившегося ядра газы создают вокруг него оболочку – голову кометы и в дальнейшем растягиваются в виде хвоста на многие десятки миллионов км. По данным спектрального анализа хвост кометы образован разряженными газами, главным образом окисью углерода (СО) и азота, а иногда и мельчайшей космической пылью, выделяемой из ядра.

Конец ХХ века оказался богатым в наблюдении комет. В середине 80-х годов к Земле приблизилась комета Галлея. На встречу к ней были направлены космические станции. С кометой встречались аппараты «Вега-1» и «Вега-2». «Вега-1» прошла на расстоянии 8890 км от ядра (планировалось 10 тыс. км), а станция «Вега-2» на расстоянии 8030 км. Были установлены состав и структура ядра. Ядро кометы Галлея представляет собой вытянутое тело неправильной формы с размерами 14х7,5х7,5 км. Ядро вращается, совершая один оборот примерно за двое суток, точнее за 53±2 часа. Температура поверхности ядра 30-130 о С. Существует «ледяная модель» кометы. Так установлено, что в результате нагрева солнечными лучами из кометы испаряется вода. Предполагается, что это действительно льдина, покрытая тонким слоем тугоплавкого вещества и меняющего пористую структуру. Толщина пористого слоя примерно 1 см. Все это напоминает почерневший, покрытый грязной коркой «мартовский сугроб». Удалось установить, что каждую секунду с поверхности кометы испаряется примерно 40 т. Во внутренней части комы (500 км от ядра) выявлены пары СО 2 . Суммарный пылевой поток из ядра составляет 5-10 т каждую секунду. Первые пылинки установлены на расстоянии 320 тыс. км от ядра. Пылинки по составу отвечают: 1) углистым хондритам (С, О, Na, Mg, Ca, Fe); 2) группа пылинок углеродистые с изотопами углерода 12 С, 13 С; 3) микроскопические льдинки.

В 1994 г. наблюдалось уникальное событие. Группа комет Шумейкера-Леви из 9 тел, следуя одно за другим, врезалась в Юпитер. Последствия столкновений долго наблюдались с Земли.

В весеннем небе над Землей хорошо были видны еще две кометы – Хиякутаки (1996 г) и более яркая – Хейла-Бопа (1997 г). Последняя комета имеет период обращения более 1000 лет.