Теория образования и исследования тел солнечной системы
Введение…………………………………………………………
- Образование
солнечной системы……………………………….……….......
5 - Теория образования и исследования тел солнечной системы…9
- Планетные системы и их эволюция……………………………..11
Заключение……………………………………………………
Список литературы
Звезды - пространственно-обособленные, гравитационно-связанные, непрозрачные для излучения массы вещества в интервале от 1029 до 1032 кг (0,005-100 М¤ ), в недрах которых в значительных масштабах происходили, происходят или будут происходить термоядерные реакции превращения водорода в гелий.
В исследованиях переменных звезд большую роль играет историческая традиция.
Так,
понятие переменной звезды вырабатывалось
на интуитивном уровне в течение нескольких
столетий. В результате общепринятого
строгого определения переменной звезды
не существует. Отсутствуют и общепринятые
ограничения на минимальную амплитуду
изменений блеска звезды, позволяющую
считать ее переменной. Изложенные ниже
соображения обобщают подход, выработанный
на основе опыта составителей "Общего
каталога переменных звезд" (ОКПЗ), официального
международного справочника по переменным
звездам.
Разумеется, понятие переменной звезды
исключает явления кажущейся переменности,
обусловленные земной атмосферой.
Планеты же – небесные тела, которые
- имеют достаточную массу для того, чтобы их самогравитация превзошла твердотельные силы, т.о. они находятся в гидростатическом равновесии и имеют близкую к шару форму; и
- обращаются вокруг звезд и при этом не являются ни звездами, ни спутниками планет.
- Мы проводим различие между 8 классическими планетами, открытыми до 1900 года, которые движутся по почти круговым орбитам вблизи плоскости эклиптики, и остальными планетоподобными объектами, обращающимися вокруг Солнца. Все эти объекты меньше Меркурия. Например, согласно приведенному выше определению астероид Церере относится к планетам. Для того, чтобы отличат Цереру от классических планет мы будем ссылаться на нее как на "карликовую планету" ("dwarf planet")3.
- Согласно данному определению Плутон, а также несколько крупных недавно открытых транснептуновых объектов, являются планетами. В отличие от классических планет эти объекты сильно наклоненные (к эклиптике) орбиты с высокими эксцентриситетами и орбитальные периоды превосходящие 200 лет. Мы выделяем эти планетарные объекты, прототипом которых является Плутон, в новую категорию, которую будем называть "плутоны".
- Все не планетарные объекты, обращающиеся вокруг Солнца, относятся к категории "Малых тел Солнечной системы" ("Small Solar System Bodies").
Земля
как одна из планет Солнечной системы
на первый взгляд ничем не примечательна.
Это не самая большая, но и не самая
малая из планет. Она не ближе
других к Солнцу, но и не обитает на периферии
планетной системы. И всё же Земля обладает
одной уникальной особенностью - на ней
есть жизнь. Однако при взгляде на Землю
из космоса это незаметно. Хорошо видны
облака, плавающие в атмосфере. Сквозь
просветы в них различимы материки. Большая
же часть Земли покрыта океанами.
Появление жизни, живого вещества - биосферы
- на нашей планете явилось следствием
её эволюции. Вопрос ранней эволюции Земли
тесно связан с теорией её происхождения.
Сегодня известно, что наша планета образовалась
около 4,6 млрд. лет назад. В процессе формирования
Земли из частиц протопланетного облака
постепенно увеличивалась её масса. Росли
силы тяготения, а следовательно, и скорости
частиц, падавших на планету. Кинетическая
энергия частиц превращалась в тепло,
и Земля всё сильнее разогревалась. При
ударах на ней возникали кратеры, причём
выбрасываемое из них вещество уже не
могло преодолеть земного тяготения и
падало обратно.
Чем крупнее были падавшие тела, тем сильнее
они нагревали Землю. Энергия удара освобождалась
не на поверхности, а на глубине, равной
примерно двум поперечникам внедрившегося
тела. А так как основная масса на этом
этапе поставлялась планете телами размером
в несколько сот километров, то энергия
выделялась в слое толщиной порядка 1000
км. Она не успевала излучиться в пространство,
оставаясь в недрах Земли. В результате
температура на глубинах 100-1000 км могла
приблизиться к точке плавления. Дополнительное
повышение температуры, вероятно, вызывал
распад короткоживущих радиоактивных
изотопов. По-видимому, первые возникшие
расплавы представляли собой смесь жидких
железа, никеля и серы. Расплав накапливался,
а затем вследствие более высокой плотности
просачивался вниз, постепенно формируя
земное ядро.
В свою очередь биосфера оказала значительное
влияние на весь дальнейший ход природных
процессов. Так, не будь жизни на Земле,
химический состав её атмосферы был бы
совершенно иным.
Несомненно, всестороннее изучение Земли
имеет громадное значение для человечества,
но знания о ней служат также своеобразной
отправной точкой при изучении остальных
планет земной группы.
1. Образование солнечной системы .
Как и в случае со Вселенной, современное естествознание не дает точного описания этого процесса. Но современная наука решительно отвергает допущение о случайном образовании и исключительном характере образования планетных систем. Современная астрономия дает серьезные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звезд. Так, примерно у 10% звезд, находящихся в окрестностях Солнца, обнаружено избыточное инфракрасное излучение. Очевидно, это связано с присутствием вокруг таких звезд пылевых дисков, которые, возможно, являются начальным этапом формирования планетных систем.
На протяжении нескольких лет канадскими учеными измерялись очень слабые периодические изменения скорости движения шестнадцати звезд. Такие изменения возникают из-за возмущения движения звезды под действием гравитационно-связанного с ней тела, размеры которого много меньше, чем у самой звезды. Обработка данных показала, что у десяти из шестнадцати звезд изменения скорости указывают на наличие около них планетных спутников, масса которых превышает массу Юпитера. Можно предполагать, что существование крупного спутника типа Юпитера, по аналогии с Солнечной системой, указывает на большую вероятность существования и семейства более мелких планет. Наиболее вероятное существование планетных систем отмечено у ипсилона Эридана и гаммы Цефея.
Но следует отметить, что одиночные звезды типа Солнца - явление не столь уж частое, обычно они составляют кратные системы. Нет уверенности, что планетные системы могут образовываться в таких звездных системах, а если они в них возникают, то условия на таких планетах могут оказаться нестабильными, что не способствует появлению жизни.
О механизме образования
Вообще, сегодня мы больше знаем о происхождении
и эволюции звезд, чем о происхождении
собственной планетной системы, что не
удивительно: звезд много, а известная
нам планетная система - одна. Накопление
информации о Солнечной системе еще далеко
от завершения. Сегодня мы видим ее совершенно
иначе, чем даже тридцать лет назад.
И нет гарантии, что завтра не появятся какие-то новые факты, которые перевернут все наши представления о процессе ее образования.
Сегодня существует довольно много гипотез образования Солнечной системы. В качестве примера изложим гипотезу шведских астрономов X. Альвена и Г. Аррениуса. Они исходили из предположения, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого проявляется и в случае образования планет около звезды, и в случае появления планет-спутников около планеты. Для объяснения этого они привлекают совокупность различных сил - гравитацию, магнитогидродинамику, электромагнетизм, плазменные процессы.
К моменту, когда начали образовываться планеты, центральное тело системы уже существовало. Чтобы образовать планетную систему, центральное тело должно обладать магнитным полем, уровень которого превышает определенное критическое значение, а пространство в его окрестностях должно быть заполнено разреженной плазмой. Без этого процесс планетообразования невозможен.
Солнце имеет магнитное поле. Источником же плазмы служила корона молодого Солнца. Сегодня она стала меньше. Но даже сейчас планеты земной группы (Меркурий. Венера, Земля, Марс) практически погружены в разреженную атмосферу Солнца, а солнечный ветер доносит ее частицы и к более далеким планетам. Так что, возможно, корона молодого Солнца распространялась до современной орбиты Плутона.
Альвен и Аррениус отказались от традиционного допущения об образовании Солнца и планет из одного массива вещества, в одном нераздельном процессе. Они считают, что сначала из газопылевого облака возникает первичное тело, затем к нему извне поступает материал для образования вторичных тел. Мощное гравитационное воздействие центрального тела притягивает поток газовых и пылевых частиц, пронизывающих пространство, которому предстоит стать областью образования вторичных тел.
Для такого утверждения есть основания. Были подведены итоги многолетнего изучения изотопного состава вещества метеоритов, Солнца, Земли. Обнаружены отклонения в изотопном составе ряда элементов, содержащихся в метеоритах и земных породах, от изотопного состава тех же элементов на Солнце. Это говорит о различном происхождении этих элементов. Отсюда следует, что основная масса вещества Солнечной системы поступила из одного газопылевого облака и из него образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества с другим изотопным составом поступила из другого газопылевого облака, и она послужила материалом для формирования метеоритов и частично планет. Смешение двух газопылевых облаков произошло примерно 4,5 млрд. лет назад, что и положило начало образованию Солнечной системы.
Молодое
Солнце, предположительно обладавшее
значительным магнитным моментом, имело
размеры, превышавшие нынешние, но не
доходившие до орбиты Меркурия. Его
окружала гигантская сверхкорона, представлявшая
собой разреженную
Существование критической скорости, с достижением которой нейтральная частица, движущаяся ускоренно в разреженной плазме, скачком ионизируется, подтверждается лабораторными экспериментами. Оценочные расчеты показывают, что подобный механизм способен обеспечить накопление необходимого для образования планет вещества за сравнительно короткое время порядка ста миллионов лет.
Сверхкорона,
по мере накопления в ней выпадающего
вещества, начинает отставать в своем
вращении от вращения центрального тела.
Стремление выровнять угловые скорости
тела и короны заставляет плазму вращаться
быстрее, а центральное тело замедлять
свое вращение. Ускорение плазмы увеличивает
центробежные силы, оттесняя ее от звезды.
Между центральным телом и плазмой образуется
область очень низкой плотности вещества.
Создается благоприятная обстановка для
конденсации нелетучих веществ путем
их выпадения из плазмы в виде отдельных
зерен. Достигнув определенной массы,
зерна получают от плазмы импульс, и далее
движутся по кеплеровской орбите, унося
с собой часть момента количества движения
в Солнечной системе: на долю планет, суммарная
масса которых составляет только 0,1% от
массы всей системы, приходится 99% суммарного
момента количества движения.
Выпавшие зерна, захватив часть момента
количества движения, следуют по пересекающимся
эллиптическим орбитам. Множественные
соударения между ними собирают эти зерна
в большие группы и превращают их орбиты
в почти круговые, лежащие в плоскости
эклиптики. В конце концов, они собираются
в струйный поток, имеющий форму тороида
(кольца). Этот струйный поток захватывает
все частицы, которые с ним сталкиваются,
и уравнивает их скорости со своей. Затем
эти зерна слипаются в зародышевые ядра,
к которым продолжают прилипать частицы,
и они постепенно разрастаются до крупных
тел – планетезималий. Их объединение
образует планеты. А как только планетные
тела оформляются настолько, что возле
них появляется достаточно сильное собственное
магнитное поле, начинается процесс образования
спутников, в миниатюре повторяющий то,
что произошло при образовании самих планет
около Солнца.
Так, в этой теории, пояс астероидов - это струйный поток, в котором из-за нехватки выпавшего вещества процесс планетообразования прервался на стадии планетезималий. Кольца у крупных планет - это остаточные струйные потоки, оказавшиеся слишком близко к первичному телу и попавшие внутрь так называемого предела Роша, где гравитационные силы «хозяина» так велики, что не позволяют образоваться устойчивому вторичному телу.
Метеориты
и кометы, согласно модели, формировались
на окраине Солнечной системы, за
орбитой Плутона. В отдаленных от
Солнца областях существовала слабая
плазма, в ней механизм выпадения вещества
еще работал, но струйные потоки, в которых
рождаются планеты, образовываться не
могли. Слипание выпавших частиц привело
в этих областях к единственно возможному
результату - к образованию кометных тел.
2. Теория образования и исследования тел солнечной системы.
Сегодня есть уникальные сведения, полученные «Вояджерами» о планетных системах Юпитера, Сатурна, Урана. Можно уверенно говорить о наличии общих характерных особенностей у них и у Солнечной системы как целого.
1. Одинаковая закономерность в распределении вещества по химическому составу: максимум концентрации летучих веществ (водород, гелий) всегда приходится на первичное тело и на периферийную часть системы. На некотором удалении от центрального тела располагается минимум летучих веществ. В Солнечной системе этот минимум заполнен самыми плотными планетами земной группы.
2.
Во всех случаях на долю
первичного тела приходится
3. Имеются наглядные признаки, указывающие на повсеместное образование планетных тел путем слипания частиц (аккреция) во все более крупные тела, вплоть до окончательного оформления планеты (спутника).
Конечно, это только гипотеза, и она требует дальнейшей разработки. Так же пока не имеет убедительных доказательств предположение, что образование планетных систем является закономерным процессом для Вселенной. Но косвенные данные позволяют утверждать, что, по крайней мере, в определенной части нашей галактики планетные системы существуют в заметном количестве. Так, И.С. Циалковский обратил внимание на то, что все горячие звезды, температура поверхности которых превышает 7000 К, имеют высокие скорости вращения. По мере перехода к все более холодным звездам на определенном температурном рубеже возникает внезапный резкий спад скорости вращения. Звезды, входящие в класс желтых карликов (типа Солнца), температура поверхности у которых порядка 6000 К, имеют аномально низкие скорости вращения, почти равные нулю. Скорость вращения Солнца - 2 км/с. Низкие скорости вращения могут быть результатом передачи 99% первоначального момента количества движения в протопланетное облако. Если это предположение, верно, то наука получит точный адрес для поиска планетных систем.
Среди
больших планет наиболее полно изучена
Земля, являющаяся предметом исследований
геофизики. Сведения об остальных восьми
планетах до середины 20 в. оставались относительно
скудными. Однако развитие исследований,
опирающихся на наблюдения с помощью космических
зондов, позволит уже в ближайшем будущем
изменить это положение. При решении различных
задач, связанных с изучением строения
и состава планетных атмосфер наземными
методами, в А. часто применяют те же наблюдательные
и теоретические методы, что и в геофизике
(в частности, методы изучения верхних
слоев земной атмосферы). Особенный интерес
представляют спектральные исследования
планет, обладающих атмосферным покровом.
В результате таких исследований установлены
коренные различия в составе атмосфер
планет. В частности, выяснилось, что в атмосфере
Юпитера основной составляющей является
аммиак, в атмосфере Венеры – углекислый
газ, в то время как на Земле преобладают
молекулярные азот и кислород. Обнаружение
больших кратероподобных образований
на Марсе (с помощью космических зондов
«Маринер», США) ставит задачу создания
общей теории возникновения рельефа на планетах
и Луне. Существуют две противоположные
теории происхождения кратеров на Луне
и Марсе. Одна приписывает их образование
вулканизму, другая – удару гигантских
метеоритов. В результате открытия новых
свидетельств в пользу вулканизма на Луне
первая из них находит всё больше сторонников.
Сведения об особенностях рельефа планет,
а также о законах их вращения и некоторые
др. доставляют радиолокационные наблюдения
[В. А. Котельников (СССР) и др.].
Большинство спутников планет, так же как и все малые планеты, не имеет атмосфер, т. к. сила тяжести на их поверхности недостаточна для удержания газов на них. Малые же угловые размеры этих тел не позволяют изучать; детали их поверхностей. Поэтому единственная информация о физике этих тел основана на измерениях их интегральной отражательной способности в различных участках спектра. Изменения их блеска дают нам сведения об их вращении.
Большой интерес
представляют собой явления, возникающие
при приближении комет к Солнцу.
В результате процессов сублимации, происходящих
под воздействием солнечного излучения,
из ядра кометы выделяются газы, образующие
обширную голову кометы. Воздействие солнечного
излучения и, по-видимому, солнечного ветра
обусловливает образование хвоста, иногда
достигающего миллионов километров в длину.
Выделенные газы уходят в межпланетное
пространство, вследствие чего при каждом
приближении к Солнцу комета теряет значительную
часть своей массы. В связи с этим кометы,
особенно короткопериодические, рассматриваются
как объекты, обладающие небольшой продолжительностью
жизни, измеряемой тысячелетиями или даже
столетиями (С. К. Всехсвятский и др.). Изучение
происхождения и развития системы комет
позволит сделать заключения, относящиеся
к эволюции всей Солнечной системы.
3. Планетные системы и их эволюция.
Планетные системы формируются в ходе образования звезд из вещества космических газопылевых облаков (туманностей), обогащенных тяжелыми химическими элементами и сжимающихся под действием сил тяготения. Момент импульса сжимающегося вращающегося протозвездного облака (L > 1053 г/см2× с) распределяется в нем неравномерно. Внутренними областям, сосредоточившими в себе до 99% массы облака, передается всего 1-2% начального момента импульса, и они сжимаются в протозвезду. Внешним областям облака передается до 98-99% момента импульса и они преобразуются в протопланетный диск, вращающийся вокруг молодой звезды. Плотность вещества в протопланетном диске превышает 10-18 г/см.3, размеры частиц космической пыли составляют около 0,1 мкм.
Планетные системы - связанные силами взаимного тяготения системы космических объектов, звезд и планетных тел, обладающие общностью происхождения и перемещающиеся в пространстве как единое целое.
Исходя из универсальности действия физических законов, следует предположить существование ряда закономерностей для всех планетных систем:
1.
Основная масса планетной
2.
Расстояние между звездой и
планетами, между планетными
3. Орбиты планетных тел и их спутников эллиптические и лежат в одной плоскости (за исключением орбит мелких метеороидов).
4.
Почти все планетные тела
Согласно
современным теориям
Поиск планетных систем осуществляется различными способами: о наличии планетных систем свидетельствуют периодические микросмешения линий в оптическом или даже радио- спектре звезды (метод лучевых скоростей) или периодические микросмешения в движении данной звезды относительно других звезд (астрометрический метод).
Движение
планет в Солнечной системе
Начальная
фаза пpoтосолнечной туманности - предмет
исследования астрофизики и звёздной
космогонии. Изучение же её эволюции, приведшей
к появлению планет, - центральная задача
космогонии планетной. Возраст Солнца
насчитывает чуть меньше 5 млрд. лет. Возраст
древнейших метеоритов почти такой же:
4,5-4,6 млрд. лет. Столь же стары и рано затвердевшие
части лунной коры. Поэтому принято считать,
что Земля и другие планеты сформировались
4,6 млрд. лет назад. Солнце относится к
звёздам так называемого второго поколения
Галактики. Самые старые её звёзды значительно
(на 8-10 млрд. лет) старше Солнечной системы.
В Галактике есть и молодые звезды, которым
всего 100 тыс. - 100 млн. лет (для звезды это
совсем юный возраст). многие Из них похожи
на Солнце, и по ним можно судить о начальном
состоянии нашей системы. Наблюдая несколько
десятков подобных объектов, ученые пришли
к следующим выводам.
Размер допланетного облака Coлнечной
системы должен был превышать радиус орбиты
последней планеты - Плутона. химический
состав молодого Солнца и окружавшего
его газопылевого облака-диска, по-видимому,
был одинаков. Общее содержание водорода
и гелия достигало в нем 98%. На долю всех
остальных, более тяжелых элементов приходилось
лишь 2%; среди них преобладали летучие
соединения, включающие углерод, азот
и кислород: метан, аммиак, вода, углекислота.
Расчеты показывают, что в пределах орбиты
Плутона, т.е. диска радиусом 40 а.е., общая
масса всех планет вместе с утерянными
к настоящему времени летучими веществами
должна быть составлять 3-5% от массы Солнца.
Такую модель облака называют облаком
умеренно малой массы, она подтверждается
и наблюдениями околозвездных дисков.
Если бы масса облака была сопоставима
с массой центрального тела, то должна
была бы образоваться звезда - компаньон
Солнца (или же надо найти объяснение выбросу
огромных излишков вещества из Солнечной
системы). Наименее изучена самая ранняя
стадия - выделение протосолнечной туманности
из гигантского родительского молекулярного
облака, принадлежащего Галактике.
Ещё в XVI в. Джордано Бруно предположил, что звезды, подобно Солнцу, окружены свитой планет и эти миры непрерывно рождаются, развиваются и умирают. Два века спустя в работах немецкого философа Эммануила Канта и французского математика Пьера Симона Лапласа зародилась космогония - наука о происхождении небесных тел. Существует космогония планетная - она изучает проблемы возникновения Земли и планет вообще. С ней тесно связана космогония: звёздная, рассматривающая происхождение звёзд, и прежде всего Солнца - ближайшей к нам звезды.
Методологические
Традиционно считается, что Ф.Бэкон, Г.Галилей, Р.Декарт и И.Ньютон полностью разрушили методологию Аристотеля, создав нечто принципиально новое, а современная физика полностью разрушает методологию механицизма. Видимо, с таким утверждением целиком нельзя согласиться. Разрушая аристотелевскую картину мира, механика не отказалась от ее методологии, продолжая развивать последнюю не путем частичного или полного отрицания, а путем дополнения. Поистине революционным было дополнение этой методологии идеей фундаментальной роли в научном познании эксперимента, но не более того. Дело в том, что имея правильные методологические принципы, пусть даже максимально полный их набор, можно получать абсолютно недостоверные результаты. Такое положение определяется исходным материалом, который мы анализируем либо с целью получения нового знания, либо с целью построения теории.