Формирование солнечной системы

Московский  Киновидеоинститут

Филиал  Санкт-Петербургского Государственного Университета Кино и Телевидения 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат 

по дисциплине «Концепция современного естествознания» 

«Формирование солнечной системы» 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент 6 полного курса

специальности « Экономики и управления» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва, 2011

Содержание 
 

Ведение

Гипотезы формирования Солнечной системы

Заключение

Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

Звездную  систему,  с которой навсегда связана космическая

судьба человечества, уместно  сравнить  с  гигантской  цирковой

ареной,  где  по  замкнутым  круговым  (точнее,  эллиптическим)

орбитам бегают 5 маленьких собачек, 2 верблюда и 2 слона  (рис.

1).  Конечно,  здесь много и всякой другой космической мелочи:

спутники  планет  астероиды,   кометы,   метеоры,

искусственные  летательные аппараты, -- но в данный момент этой

малозначительной  мелюзгой можно пренебречь. Хотя, по  подсчетам

астрономов,  только астероидов в окрестностях солнечной  системы

не менее четверти миллиарда. 

  

Рис.1 

  Начнем с  крупной "дичи". 5 собачек  --  это  планеты,  как

принято  говорить,  земного  типа  (их  размеры  приближаются к

земным): сама Земля, Марс, Венера, Меркурий, Плутон. 2 верблюда

-- холодные Уран  и Нептун.  2  слона  --  газообразные  гиганты

Юпитер  и  Сатурн  (рис.2).  На первый взгляд представляется

чистой случайностью, что ближайшая  к  Солнцу  планета  названа

именно  Меркурием  (а  не  в честь какого-то другого  Божества),

вторая - по имени Богини любви. И так далее. Но это только  на

первый  взгляд.  Все имеет свое объяснение. У каждой из видимых

невооруженным глазом планет с самого начала был  подмечен  свой

"характер".  Под  него, как станет понятным  ниже, и подбиралось

название. 

Рис.2

 

     Как  уже  говорилось,  что  наша  Галактика  имеет  размеры

диаметра около 100 000 световых лет. Так вот, Солнечная  система

расположена  на  расстоянии  27  000  световых  лет  от  центра

Галактики и  на расстоянии 46 световых лет к северу от плоскости

ее  симметрии   (так   называемой   галактической   плоскости).

Галактика  вращается,  и  вместе  с ней со скоростью 220 км/сек

вращается  Солнечная  система  со  всеми  большими   и   малыми

планетами. Полный оборот и возвращение в условно  исходную точку

происходит  за  2,2Ч108  лет. Этот промежуток времени именуется

космическим годом.

     Пять  ярких планет на ночном небосклоне  известны  человеку

давным-давно.  Существовал  даже  культ  поклонения планетам (а

заодно и другим священным  звездам),  известный  под  названием

сабеизма.  Термин  этот,  как  и сама религия, мало что говорит

современному  человеку. В действительности существовало  древнее

Сабейское  царство,  населенное племенами сабеев, говоривших на

сабейском языке. Располагалось оно во времена  позднеегипетской,

древнегреческой и  древнеримской  истории  на  юге  Аравийского

полуострова. Это  та самая "Счастливая Аравия" античных авторов,

о  богатстве  и  чудесах которой в старину  слагались легенды. В

современном Йемене от тех времен сохранилось множество  развалин

домусульманских храмов -- сабеистских святилищ, воздвигнутых  в

честь  звездных  и планетных Божеств. Сабеизм  достаточно хорошо

известен   через   библейских    халдеев    -    чародеев    и

звездопоклонников.   Однако   "халдеи"  -  несколько размытое

этническое и лингвистическое понятие. Считается, что народ  под

таким  названием,  говоривший  на  одном  из  семитских  языков,

переселился, по одной из версий, именно из Аравии в  Месопотамию

(Двуречие) в  начале 1-го тысячелетия до н.э., смешавшись  здесь

с коренными семитскими племенами. Но главное - халдеи принесли

в  Вавилонию  свою "звездную культуру": астрономические  навыки,

книги,  каталоги,   результаты   многовековых   наблюдений   за

небесными   объектами   (кстати,   по  халдейским  исчислениям,

человеческая история начинается примерно за 400  тысяч  лет  до

новой  эры;  с  этой  цифрой соглашался и Ломоносов). Во всяком

случае, нет сомнения в том, что своими достижениями  астрономия

Вавилона  -  одна из самых развитых астрономий Древнего Мира -

во    многом    обязана    халдеям,    а    через     них     и

сабеям-звездопоклонникам.

     Обнаружить  и зафиксировать перемещение  планет среди других

относительно  неподвижных светил сравнительно нетрудно. Поэтому

в лексиконе  разных народов им нашлось подходящее  и  одинаковое

по  смыслу наименование -- "блуждающие звезды". Уже в  древности

наблюдатели пришли к выводу, что "блуждающие звезды"  находятся

к  Земле  ближе, чем неблуждающие. На эту мысль  навели затмения

- заслонение Луной Солнца, звезд и планет. На  этом  основании

древние  звездочеты в разных странах и независимо друг от друга

объявили Луну самым близким к нам небесным телом.  Оригинальным

способом  определялось и расстояние до планет - по скорости их

перемещения по небосклону. Сатурн возвращался в исходную  точку

отсчета  среди  звезд  каждые 29,5 лет, Юпитер - через 12 лет,

Марс - через 2 года, Венера - через  225  дней,  Меркурий  -

через  88  дней,  а  Луна - через 28 дней. Было разгадано, что

этот порядок  соответствует последовательности расстояния планет

до Земли. Другими  словами,  Сатурн  с  самого  начала  считался

самой отдаленной из всех видимых невооруженным глазом планет, а

Луна  -  самым близким. Кроме того, планеты подразделялись на

верхние и нижние - в соответствии с различием в их  движении.

Меркурий  и  Венера  как бы сопровождают Солнце, находясь в его

близи и никогда  не удаляясь, соответственно, больше чем  на  29о

и  47о.  Они  получили  название  нижних (точнее - внутренних)

планет. Напротив, верхние (точнее - внешние) планеты -  Марс,

Юпитер,  Сатурн  - более свободно располагаются возле Солнца и

менее привязаны  к нему в своем движении.

     Далеко  не  сразу  люди  осознали  ,  что  облик  "звезды"

обманчив. На самом деле планеты - массивные шары, состоящие из

горных  пород, металлов  и газов,  и светят  они отраженным

солнечным, а  не собственным светом. С каждым  веком  все  более

совершенными  становились  наблюдения  с  помощью  телескопов и

других хитроумных приборов, вроде спектрографа.  Они  позволили

непрерывно увеличивать общий массив научных данных о строении и

природе больших  и малых спутников Солнца. 

Гипотезы формирования солнечной системы

     Во  все  века сохранялся стойкий  интерес к вопросу: откуда

что взялось? Как и когда появились во Вселенной  Солнце  и  его

семья?  В какой последовательности? И сколько еще тысячелетий

будут они являть себя миру на земном небосклоне?  По  существу,

лишь  чуть  больше  три столетия ответы на поставленные вопросы

стали   даваться,   исходя   из   опытного   естествознания   и

скрупулезных  математических  расчетов.  И  с  самого  начала в

центре   внимания   ученых   и   читающей   публики   оказались

космогонические гипотезы о происхождении Солнечной  системы. Для

того, чтобы такие  гипотезы не противоречили научным  данным, они

должны объяснять  следующее: 

     1) почему орбиты всех планет  лежат практически в плоскости

солнечного  экватора,  2) почему планеты движутся вокруг Солнца

по орбитам, близким  к круговым, 3) почему направление  обращения

вокруг  Солнца  одинаково  для  всех  планет  и   совпадает   с

направлением  вращения  Солнца  и  собственным  вращением планет

вокруг осей, 4) почему 98% массы Солнечной  системы  приходится

на  Солнце и  лишь 2% на планеты, тогда как планеты  обладают 98%

момента количества движения всей Солнечной системы,  5)  почему

планеты  делятся  на две группы, резко различающиеся  между собой

средней плотностью? 

     И   все  же  гипотез,   удовлетворяющих   вышеперечисленным

требованиям,  оказалось слишком много. Среди  них есть вихревые,

объясняющие происхождение планет и других космических  объектов

на  основе  теории вихреобразных движений, якобы  доминирующих в

Космосе. В пользу таких концепций, восходящих еще  к знаменитому

французскому  мыслителю  Рене  Декарту   (1596-1650),   говорят

сегодня и спиральные галактики, и торсионные (скрученные) поля,

и  другие спиралевидные  феномены. Поэтому "вихревые подходы" не

утратили своего значения и в наши дни.

     Начиная  с ХVIII века достаточное распространение   получили

катастрофические  гипотезы  происхождения  небесных  тел.  Так,

знаменитый в  прошлом французский естествоиспытатель Жорж Бюффон

(1707-1788)  считал,  что  Земля  и  планеты   образовались   в

результате  столкновения  Солнца  с  кометой.  Катастрофические

гипотезы,  хотя  и  не  имеют  всеобщей  поддержки,  продолжали

обосновываться  в  ХХ  веке.  К  наиболее  известным их авторам

относятся Дж. Джинс  и И. Великовский.

     Самыми  популярными,  однако  же,  оказались   эволюционные

гипотезы .  Исторически первой  в их  далеко  неограниченном  ряду  оказалась  гипотеза  крупнейшего  немецкого философа  И.  Канта.  Он предполагал, что первоначально мировое пространство было заполнено  холодным  рассеянным  веществом  в виде   пылевого   облака.   Постепенно,  под  воздействием  сил тяготения  пылинки  стали  слипаться  и образовывать   плотные сгустки,   которые   после   длительного  периода  разогревания

превратились  в знакомые небесные тела.

     Спустя  четыре   десятилетия   П.С.   Лаплас   (1749-1827)

предложил   еще  одну  небулярную  гипотезу  по,  так  сказать,

диаметрально  противоположной схеме.  Согласно  Лапласу,  Солнце

первоначально  представляло собой огромную медленно вращающуюся

раскаленную туманность (рис.3). Силы тяготения заставляли  увеличивать

скорость  этой  колоссальной огненной  массы, которая от этого

постепенно сплющивалась. Далее вокруг протосолнца  образовалось

гигантское огненное кольцо; в процессе охлаждения оно  распалось

на  отдельные  сгустки. Из них в конечном итоге  образовались все

планеты и их спутники. Хотя  после  обнародования  классических

космогонических гипотез Канта и Лапласа на протяжении более чем

двух  веков  было  предложено  еще несколько  десятков возможных

объяснений, все  же именно две первые доминировали  в  науке  до

последнего  времени  и даже, несмотря на свою альтернативность,

фигурировали  как  нечто  единое  целое,  именуясь   небулярной

гипотезой Канта-Лапласа.

Рис.3 

     Относительно  неизбежного  вопроса:  откуда  же  в Космосе

взялось первичное  вещество - строительный материал для планет

и Солнца - возможны различные ответы:

     1) планеты образуются из того же газопылевого облака, что

и Солнце  (Кант);  2) это облако было захвачено Солнцем  при его

обращении вокруг центра Галактики  (О.  Ю.  Шмидт);  и  3)  оно

отделилось  от  Солнца в процессе его эволюции (Лаплас, Джинс и

др.).

     Многим  отечественным  ученым  сегодня   наиболее  вероятным

представляется  первый  вариант.  Большую роль в его разработке

сыграли труды  О. Ю. Шмидта, который был крупным  математиком  и

дал  математическое обоснование целому ряду вопросов (например,

распределение планет  по  расстояниям  от  Солнца,  направление

осевого  вращения  планет  и  др.). Работы О. Ю. Шмидта успешно

продолжены его  учениками и последователями. 

      Как  же  представляется  общая   схема   развития   нашей

планетной  системы,  исходя  из  предположения,  что  планеты и

Солнце образовались из  газопылевого  облака?  Предполагается,

что около пяти миллиардов лет назад в таком  облаке, пронизанном

магнитными   силовыми   линиями,   образовалось   сгущение   --

протосолнце, которое  медленно сжималось. Другая часть облака  с

массой  примерно в десять раз меньшей медленно вращалась вокруг

него. В результате столкновений атомов, молекул и  частиц  пыли

туманность  постепенно сплющивалась и разогревалась. Так вокруг

протосолнца   образовался   протяженный    диск,    пронизанный

магнитными   силовыми   линиями.   В   значительной  его  части

происходило интенсивное  конвективно-турбулентное  перемешивание

вещества.  Это  благоприятствовало  быстрому  перераспределению

энергии, освобождающейся  при гравитационном  сжатии  облака.  В

результате этого  газопылевой диск существенно охлаждался.

     Под   действием   светового   давления  легкие  химические

элементы водород  и гелий "выметались" из  близких  окрестностей

Солнца.   И,   наоборот,  попадая  на  пылинки,  световые  лучи

тормозили их движение вокруг Солнца. При этом  пылевые  частицы

теряли   свой   орбитальный   момент   количества   движения  и

приближались  к Солнцу. Такой  механизм  торможения  срабатывает

даже  в  случае,  если  размеры  частицы  достигают  нескольких

метров. В конечном итоге это и привело к существенному  различию

в химическом составе  планет, их разделению на две группы. 

      После достижения  "критической"  плотности  пылевой диск

распался  на  отдельные  сгущения.  Далее в  результате взаимных

столкновений   происходило   слипание   отдельных   пылинок   и

образование  твердых  тел,  для  которых  американский геолог Т.

Чемберлин еще  в 1901 году  ввел  название  "планетезимали".  По

оценкам В.С. Сафронова, превращение системы сгущений пыли в рой

твердых  тел  продолжалось всего 10 000 лет на расстоянии Земли

от Солнца и  около 1 000 000 лет на расстоянии Юпитера. При этом

масса  планетезималей  в  области  планет  земной  группы  была

значительно меньше, чем в области планет-гигантов.

       Все   это  время  протосолнце  проявляло  очень  высокую

активность.  При  мощных  вспышках   оно   выбрасывало   потоки

заряженных  частиц; двигаясь вдоль магнитных  силовых линий, они

переносили   момент   количества   движения   от    Солнца    к

протопланетному  облаку.  Кроме  того,  благодаря столкновениям

высокоэнергичных  легких  частиц  (протонов  и   нейтронов)   с

веществом   протопланетного  облака,  происходили  определенные

ядерные реакции.  Именно  таким  путем  и  образовался  большой

избыток  легких химических элементов - лития, бериллия и бора,

которых в земной коре и метеоритах значительно  больше,  чем  в

атмосфере    Солнца.   В   результате   взаимных   столкновений

планетезималий  происходил рост одних  и  дробление  других.  Со

временем  орбиты  крупнейших  из них приближались к круговым, а

сами  они  превращались  в  зародыши  планет,   объединяя   все

окружающее  вещество. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Расчеты   показывают,  что  рост Земли  до современных размеров продолжался всего 100 миллионов лет.

      Выпадание отдельных сгущений на Землю и ее сжатие привели

к постепенному разогреву ее недр. На момент сформирования  Земли

температура в  ее центре не превышала 800 oК, на поверхности 300

oК, а на  глубине 300-500 км - около 1500 oК. Со временем  все

большую роль здесь играли процессы радиоактивного распада, при

которых   выделялось   значительное   количество   энергии.   В

результате  этого  отдельные области земных недр разогрелись до

температуры   плавления.   Наступила    продолжительная    фаза

гравитационной   дифференциации  вещества:  тяжелые  химические

элементы и  соединения опускались вниз,  легкие  -  поднимались

вверх. Этот начальный  этап формирования земной коры продолжался

около 1 миллиарда  лет.

     На  ранней стадии своего развития  протоземля была окружена

облаком небольших  спутников, радиусы которых достигали 100  км.

Со  временем  из них на расстоянии около 10 земных радиусов (60

000 км) сформировалась  Луна. Одновременно началось ее  медленное

удаление  от  Земли,  которое  продолжается   и   теперь.   Оно

сопровождается  уменьшением скорости вращения Земли  вокруг своей

оси.  Безусловно,  современная планетная космогония встречается

еще со многими  трудностями. Приведенная  здесь  схема  развития

Земли  (аналогично формировались и другие планеты) - лишь одна

из возможных  гипотез, детально разъясняющих, как  именно планеты

и Солнце образовались из одного газопылевого облака и что  сами

планеты сформировались из роя холодных и твердых тел. 

     Существенно  отличается от описанной выше "холодной" модели

образования Солнечной системы - концепция известного шведского

астрофизика,  лауреата Нобелевской премии Ханнеса Альвена. Он

строит свою гипотезу, опираясь на  теорию  космической  плазмы.

Кроме  того,  Альвен  считает,  что  невозможно понять механизм

образования  планет  без   одновременного   уяснения   процесса

образования  их  спутников.  Исходя  из  данного  принципа,  он

приходит к  выводу, что история эволюции Солнечной  системы может

быть описана  с помощью введения пяти стадий развития,  частично

перекрывающихся во времени.

     1.  Ближайшая к нам стадия  -  в течение последних 4

миллиардов  лет  -  медленная   эволюция   первичных   планет,

спутников и  астероидов, приведшая к современному состоянию всех

этих тел в  Солнечной системе. При исследовании этой, позднейшей

фазы  эволюции  (постаккреционной  эволюции),  подготавливается

базис для  реконструкции  состояния,  возникшего  в  результате

более ранних процессов.

   

2.  Предшествующая  рассмотренной  стадии  - аккреционная

эволюция сконденсировавшихся частиц, движущихся по кеплеровским

орбитам и образовывающих планетезимали,  которые  в  результате

продолжающейся   аккреции   увеличиваются   в   размерах.   Эти

планетезимали  являются  зародышевыми   предшественниками   тех

массивных  тел,  которые  в настоящее время имеются в Солнечной

системе. Тем  самым реконструируются химические  и  динамические

свойства совокупности первичных твердых частиц. 

     3.  Для   возникновения   движения   твердых   частиц   по

кеплеровским  орбитам  вокруг  Солнца и протопланет необходимо,

чтобы на стадии эволюции,  предшествующей  аккреции,  произошел

перенос  углового  момента от этих центральных тел  к окружающей

среде.

        4. Стадия локализации газа и   пыли,  формирующая  среду

вокруг  намагниченных  центральных тел,  в тех областях, где