Как возникла солнечная система

        Содержание. 

1. Введение……………………………………………………..….. 2
2. Как возникла солнечная система……………………………… 2
3. Гипотезы Джинса и Шмидта…………………………………... 3

    а) Гипотеза Джеймса Хопвуда Джинса……………………....... 3

    б) Гипотеза Отто Юльевича Шмидта…………………………. 5

4. Современная версия…………………………………….……… 6
5. Допланетное облако…………………………………….…….... 6
6. Возникновение допланетных тел………………………….….. 7
7. Возникновение планет и их спутников………………………. 8

     а) Возникновение планет………………………………………. 8

     б) Возникновение спутника Земли……………………………. 9

8. Земля как планета………………………………………………. 9
9. Внутреннее строение Земли……………………………..…….. 11
10. Геологическая история Земли………………………………… 13
11. Развитие Земли………………………………………………… 14
12. Заключение…………….………………………………………. 16

         Список литературы………………..……………………………… 17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение.

                                   «Открылась бездна, звезд полна.

                                    И звездам нет числа, а бездне – дна»

– писал  великий русский ученый М.В. Ломоносов  в XVII веке.

     Одной из звезд  в бесконечной Вселенной является наше Солнце, окруженное планетами и их спутниками, роем комет и астероидов. Это Солнечная система, частицей которой является наша планета Земля.

      Издревле люди задумывались о происхождении Земли и звезд. Не находя ответов, они придумывали сказания и мифы, священные писания. Но с развитием науки астрономии, географии, геофизики возникали всевозможные теории возникновения Солнечной системы и Земли.

       Космогония – это научная дисциплины, раздел астрономии, в которой изучается происхождение и развитие небесных объектов – галактик, звезд и планет. Звездная космогония  исследует процесс возникновения и жизненного пути звезд, и, прежде всего ближайшей к нам – Солнца. С ней неразрывно связана планетная космогония.

2. Как возникла Солнечная система. 

       Начиная с XVI века, учеными было выдвинуто множество космогонических гипотез с самыми разнообразными вариантами ранней истории Солнечной системы. 

       Научное предположение о едином происхождении Земли и других планет Солнечной системы впервые  выдвинул в 1754 г. немецкий философ Эммануил Кант (1724 – 1804гг.).       Позднее к сходному заключению независимо от Канта пришел выдающийся французский астроном и математик Пьер Лаплас (1749 – 1827гг.). Его труд был опубликован в 1796 г.

       И Кант, и Лаплас исходили из того, что Солнце горячее и огромное, а Земля – холодная и по размеру значительно меньше. В то же время она всего лишь одна из планет. Кроме того, все планеты обращаются вокруг нашего светила почти по окружностям, двигаясь в одну сторону (совпадающую с направлением вращения самого Солнца) и практически в одной плоскости. Это давало ключ к созданию гипотезы об их происхождении.

      По гипотезе ученых (она получила  название «Гипотеза Лапласа», т.  к. именно он обосновал свою теорию более подробно и убедительно), на месте Солнечной системы когда–то существовала огромная медленно вращавшаяся раскаленная газовая туманность с уплотнением в центре – так называемое протосолнце.

      Взаимное притяжение частичек  туманности приводило к постепенному сжатию этого газового облака и уменьшению его размеров. Скорость вращения туманности возрастала. При этом большое количество частичек на экваторе туманности (где скорости выше) отрывалось от нее  -  так возникало вращающееся кольцо.

         Все больше сжимаясь и ускоряя свое вращение, туманность отслаивала одно кольцо за другим – они вращались в одном и том же направлении и примерно в одном и том же направлении и примерно в одной плоскости. Постепенно каждое кольцо остывало и превращалось в большой газовый клубок, быстро крутящийся вокруг своей оси. От этого клубка в свою очередь также отслаивались кольца и становились со временем небольшими газовыми шарами. Последние, охладившись, стали спутниками больших шаров, которые превратились в планеты. Центральная часть первичной туманности осталась раскаленной звездой – это наше Солнце.

          Гипотеза Лапласа была очень  популярной в свое время. Она  объясняла возникновение планет, основываясь на законах тяготения  и центробежной силы. Однако были обнаружены некоторые явления, которые теория Лапласа объяснить не могла. Например, почему планета Уран вращается вокруг своей оси в сторону, противоположную вращению других планет? К тому же выяснилось, что Солнце вращается «слишком медленно» и, следовательно, не могло на ранней стадии своего развития иметь скорость движения, при которой было бы возможно отслоение колец.

           Кроме этого, мнение о том,  что планеты возникли из отдельных  сгустков раскаленного газа, отрывавшихся  от протосолнца, противоречило данным геологии, геофизики, геохимии. Они убедительно свидетельствуют, что наша планета никогда не пребывала в огненно – жидком, т. е. расплавленном, состоянии.

    3. Гипотезы Джинса и Шмидта. 

      а) Гипотеза Джеймса Хопвуда Джинса.

           Широкой популярностью в начале XX века пользовалась еще одна версия происхождения нашей планетной системы. Ее в 1931 г. разработал английский физик и астроном Джеймс Хопвуд Джинс (1877 – 1946гг.).

            Согласно этой гипотезе, которая теперь называется «гипотезой Джинса», в незапамятные времена в непосредственной близости от нашего центрального светила оказалась другая звезда. Гравитационное притяжение этой звезды было столь велико, что она вырвала у Солнца часть его вещества. Оно и послужило материалом для образования планет.

            Гипотезу Джинса, а также подобные  ей принято называть «катастрофической». Она завоевала множество сторонников  - в их числе оказались, например, такие крупные ученые, как Артур  Эддингтон. Согласно версии Джинса, образование планетной системы – чрезвычайно редкое событие в мире звезд, свидетельствующее об уникальности человечества во Вселенной. Современные расчеты и открытия показывают, что предложение Джинса, скорее всего, неверно, но математические методы, разработанные ученым, прочно вошли в астрономическую практику.

  б) Гипотеза Отто Юльевича Шмидта.

            Большую роль в разработке космогонической модели образования Солнечной системы сыграли труды известного российского ученого Отто Юльевича Шмидта (1891–1956гг.). В начале 40-х гг. XX века он предложил, основываясь на некоторых научных данных, что Земля и планеты никогда не находились в раскаленном газовом состоянии, в отличии от Солнца и звезд. Планеты образовались из холодных, твердых частиц вещества.

            Ученый допускал, что некогда  в огромном вращающемся колоссальном  облаке из газа и пыли образовывалось  сгущение – протосолнце, которое  медленно сжималось. Другая часть  облака, обладающая массой примерно  в десять раз меньшей, неторопливо вращалась вокруг этого сгущения. Бесчисленные частички туманности, сталкиваясь, постепенно размещались около протосолнца так, чтобы не мешать друг другу. Со временем их пути расположились почти в одной плоскости и стали круговыми. При этом в конце концов стало преобладать направление вращения в какую – то определенную сторону.

             Потеря сталкивающимися частицами  скорости движения, как показывают  расчеты, вела к тому, что шарообразное  облако постепенно сплющивалось  и, наконец, стало похоже на блин. Частички, расположившись в одной плоскости, начали притягивать друг друга, т. к. расстояние между ними уменьшилось. Самые крупные быстро увеличивались в размере и весе.

             Шмидт рассчитал, что в середине  планетной системы должны были возникнуть самые крупные планеты, а ближе к Солнцу и совсем далеко от него – самые мелкие.

             Эта гипотеза была признана  одним из наиболее правдоподобных объяснений образования Солнечной системы и послужила основой для современной космогонической теории.

Однако  вопрос о том, как возникло газопылевое  облако и каким именно образом  газ и пыль превратились в крупные  планетные тела, оставался открытым.

4. Современная версия. 

           Современная теория образования Солнечной системы возникла только во второй половине XX века. Ученые разрабатывали ее теоретически: доступных для изучения объектов, где процесс формирования небесных тел только начинается, наука не знала. Лишь в 90-е гг. астрономы научились наблюдать прежде не известные газопылевые диски, существующие около некоторых звезд, похожих на Солнце. Наличие таких туманностей наглядно подтвердило теоретические выкладки о первичном допланетном газопылевом облаке Солнечной системы 

5. Допланетное облако. 

            Астрономы называют газопылевую туманность, которая дала жизнь планетам, их спутникам, метеорам, астероидам и кометам, протопланетным (или допланетным) облаком. Пути планет, по которым они обращаются вокруг Солнца, лежат в одной плоскости, следовательно, протопланетное облако имело уплощенную, дискообразную форму. Сейчас принята гипотеза, утверждающая, что Солнце и диск возникли в одном вращающемся облаке межзвездного вещества – протосолнечной туманности.

             Современная наука знает о происхождении Солнечной системы многое. Солнце существует 4,65 млрд. лет. Древнейшие из найденных метеоритов образовались одновременно с Солнцем; таков же возраст исследованных образцов лунной коры. На основании этого ученые предложили, что вся Солнечная система, включая центральное светило, возникла одновременно.

            Допланетное облако было огромным. Его размер, по расчетам ученых, немного превышал пределы орбиты самой далекой планеты Солнечной системы – Плутона. 

6. Возникновение допланетных тел. 

             Планеты образовались из твердых тел, возникших в допланетарном облаке в результате конденсации вещества (перехода его из газового состояния в твердое или жидкое). В 1901 году американский ученый Теодор Чемберлен предложил такое название для допланетных тел – планетезимали.

        Первоначальный состав облака не отличался от традиционного, который и ныне свойствен межзвездным туманностям: 99% газа (водород и гелий) и 1% межзвездной пыли. В результате гравитационного коллапса – бурного выпадения газа и пыли на центральную часть облака (протосолнце) – возникали высокие, в десятки тысяч градусов, температуры. Постепенно пылевые частицы испарились полностью. Протопланетное облако стало состоять из газа, интенсивно перемешанного в результате беспорядочного в результате беспорядочного вихревого движения газообразного вещества.

         С окончанием коллапса вихри  исчезали (этот процесс длился  сравнительно недолго – примерно  тысячу лет). «Успокоившийся» газ постепенно охлаждался, и в облаке вновь возникали твердые частички пыли.

         Со временем в облаке газа образовался тонкий пылевой диск, который начал распадаться на отдельные сгущения. Однородное облако расслаивалось.

         В результате взаимных столкновений  происходило слипание отдельных  пылинок и образование планетезималей. Увеличение тела за счет столкновений и слипаний начинало замедляться, как только у растущей планетезимали появлялась способность удерживать своим тяготением встреченные частицы, т. е. при достижении ею километрового размера. «Вычерпывая» окружающее вещество, такие тела служили строительным материалом для формирования планет, их спутников, комет и астероидов.

         Планетезимали, сформировавшиеся  на окраине облака (где была  достаточно низкая температура), возможно, сохранились до настоящего  времени – например, в кометном облаке, куда они могли быть вытеснены гравитационным воздействием больших планет. 

7. Возникновение планет и их спутников.

            Превращение сгущений пыли в рой твердых тел длилось десятки тысяч лет – очень небольшой срок по космическим меркам. Объединение допланетных тел в планеты – процесс более длительный, он продолжался несколько сотен миллионов лет.

            В допланетном рое вращалось  множество разнообразных по массе твердых тел, движущихся с различными скоростями. Самую многочисленную часть допланетного облака (роя) образовывали совсем небольшие тела и частицы, немного меньше было тел «промежуточной» величины. Крупных тел, сравнимых по размерам с Луной или Меркурием, насчитывались единицы.

             Массы отдельных планетезималей  в области, где располагаются  сейчас планеты Земной группы  – внутренняя значительно меньше, чем в области планет – гигантов. Состав «внутренних» планет показывает, что они росли за счет каменистых  частиц и тел.

             В результате взаимных столкновений одни планетезимали росли, другие дробились. Со временем орбиты крупнейших тел приближались к круговым, а сами они превращались в зародыши планет, притягивая и объединяя все окружающее вещество. Расчеты ученых свидетельствуют, что наша планета выросла до современных размеров «всего» за 100 млн. лет.              Легкие газы в формировании четырех планет Земной группы не участвовали, т. к. «выдувались» световым давлением Солнца из его ближайших окрестностей.

             Солнечный ветер выметал газ и в более отдаленные пространства Солнечной системы. Там образовались зародыши планетов – гигантов, состоящих из каменистых и ледяных планетезималей. Массивные (превышающие во много раз по массе нашу Землю) тела, особенно Юпитер и Сатурн, смогли притянуть к себе громадное количество газа и сформировать водородно – гелиевую оболочку. 

             б)  Возникновение спутника Земли.

              Ученые полагают, что на ранней  стадии развития наша протоземля  была окружена облаком небольших (радиусом до 100 км) частиц. Большинство из них упало на рождающуюся планету, а остальные объединились в самостоятельный зародыш – будущий спутник Земли Луну. Одновременно началось ее медленное удаление от нашей планеты. 

8. Земля как планета. 

                Во многих отношениях Земля – обычная планета Солнечной системы: она вращается вокруг своей оси, движется вокруг Солнца в строгом соответствии с третьим законом Кеплера, на ней есть атмосфера. По массе Земля уступает планетам – гигантам (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун).

                 Земля – третья по удаленности планета от Солнца. Орбита нашей планеты имеет форму эллипса, вытянутость которого настолько мала, что он почти не отличается от окружности.

                 Земля вращается вокруг своей оси, делая один полный оборот за 24 часа.

                 Земля окружена атмосферой. Нижний ее слой (тропосфера) простирается в среднем до высоты в 14 км; происходящие здесь процессы играют определяющую роль для формирования погоды на планете. Температура в тропосфере падает с увеличением высоты. Слой от 14 до 50-55 км называют стратосферой; здесь температура возрастает с увеличением высоты. Еще выше (примерно до 80-85 км) находится мезосфера, над которой наблюдаются (обычно на высоте около 85 км) серебристые облака. Для биологических процессов на Земле огромное значение имеет озоносфера — слой озона, находящийся на высоте от 12 до 50 км. Область выше 50-80 км называют ионосферой. Атомы и молекулы в этом слое интенсивно ионизируются под действием солнечной радиации, в частности, ультрафиолетового излучения. Если бы не озоновый слой, потоки излучения доходили бы до поверхности Земли, производя разрушения в имеющихся там живых организмах. Наконец, на расстояниях более 1000 км газ настолько разрежен, что столкновения между молекулами перестают играть существенную роль, а атомы ионизированы более чем наполовину. На высоте порядка 1,6 и 3,7 радиусов Земли находятся первый и второй радиационные пояса.

                 Гравитационное поле Земли с высокой точностью описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Ускорение свободного падения над поверхностью Земли определяется как гравитационной, так и центробежной силой, обусловленной вращением Земли.

                 Земля обладает также магнитным и электрическим полями. Магнитное поле над поверхностью Земли складывается из постоянной (или меняющейся достаточно медленно) «главной» и переменной частей; последнюю обычно относят к вариациям магнитного поля. Главное магнитное поле имеет структуру, близкую к дипольной. Магнитный дипольный момент Земли, равный 7,98·10²⁵ единиц СГСМ, направлен примерно противоположно механическому, хотя в настоящее время магнитные полюсы несколько смещены по отношению к географическим. Их положение, впрочем, меняется со временем, и хотя эти изменения достаточно медленны, за геологические промежутки времени, по палеомагнитным данным, обнаруживаются даже магнитные инверсии, то есть обращения полярности. Напряженности магнитного поля на северном и южном магнитных полюсах равны соответственно 0,58 и 0,68 Э, а на геомагнитном экваторе — около 0,4 Э.

                Электрическое поле над поверхностью  Земли в среднем имеет напряженность  около 100 В/м и направлено вертикально  вниз — это так называемое  «поле ясной погоды», но это поле испытывает значительные (как периодические, так и нерегулярные) вариации.

                Наша планета отличается от других планет своей атмосферой.

Земля окружена воздушной оболочкой, которая  состоит в основном из азота – 79%, и кислорода – 20%. После 800км в атмосфере преобладает гелий, а свыше 1600 км – водород. Он образует водородную геокорону, которая простирается в космическое пространство на расстояние до нескольких радиусов Земли.

  9. Внутреннее строение Земли.

             Основную роль в исследовании внутреннего строения Земли играют сейсмические методы, основанные на исследовании распространения в ее толще упругих волн (как продольных, так и поперечных), возникающих при сейсмических событиях — при естественных землетрясениях и в результате взрывов. На основании этих исследований Землю условно разделяют на три области: кору, мантию и ядро (в центре). Внешний слой — кора — имеет среднюю толщину порядка 35 км. Основные типы земной коры — континентальный (материковый) и океанический; в переходной зоне от материка к океану развита кора промежуточного типа. Толщина коры меняется в довольно широких пределах: океаническая кора (с учетом слоя воды) имеет толщину порядка 10 км, тогда как толщина материковой коры в десятки раз больше.

               Поверхностные отложения занимают слой толщиной около 2 км. Под ними находится гранитный слой (на континентах его толщина 20 км), а ниже — примерно 14-километровый (и на континентах, и в океанах) базальтовый слой (нижняя кора). Средние плотности составляют: 2,6 г/см³ —у поверхности Земли, 2,67 г/см³ —у гранита, 2,85 г/см³ —у базальта.

               На глубину примерно от 35 до 2885 км простирается мантия Земли,  которую называют также силикатной  оболочкой. Она отделяется от  коры резкой границей (так называемая граница Мохоровича, или «Мохо»), глубже которой скорости как продольных, так и поперечных упругих сейсмических волн, а также механическая плотность скачкообразно возрастают. Плотности в мантии увеличиваются по мере возрастания глубины примерно от 3,3 до 9,7 г/см³.

               В коре и (частично) в мантии  располагаются обширные литосферные  плиты. Их вековые перемещения  не только определяют дрейф  континентов, заметно влияющий  на облик Земли, но имеют  отношение и к расположению  сейсмических зон на планете.

                Еще одна обнаруженная сейсмическими  методами граница (граница Гутенберга) — между мантией и внешним  ядром — располагается на глубине  2775  км. На ней скорость продольных  волн падает от 13,6 км/с (в мантии) до 8,1 км/с (в ядре), а скорость поперечных волн уменьшается от 7,3 км/с до нуля. Последнее означает, что внешнее ядро является жидким. По современным представлениям внешнее ядро состоит из серы (12%) и железа (88%). Наконец, на глубинах свыше 5120 км сейсмические методы обнаруживают наличие твердого внутреннего ядра, на долю которого приходится 1,7% массы Земли. Предположительно, это железо-никелевый сплав (80% Fe, 20% Ni).

               В числе многих химических  элементов, входящих в состав  Земли, имеются и радиоактивные.  Их распад, а также гравитационная дифференциация (перемещение более плотных веществ в центральные, а менее плотных в периферические области планеты) приводят к выделению тепла. Температура в центральной части Земли порядка 5000 °С. Максимальная температура на поверхности приближается к 60 °C (в тропических пустынях Африки и Северной Америки), а минимальная составляет около -90 °C (в центральных районах Антарктиды).

               Тепло из недр Земли передается  к ее поверхности благодаря  теплопроводности и конвекции. Плотность в центре Земли около 12,5 г/см³. 

10.   Геологическая история Земли.

       Образование Земли и начальный этап ее развития относятся к догеологической истории.

       Геологическая история Земли делится на два неравных этапа: докембрий, занимающий примерно 5/6 всего геологического летоисчисления (около 3 млрд. лет) и фанерозой, охватывающий последние 570 млн. лет. 

     Докембрий делится на: архей и протерозой.

   Фанерозой включает палеозойскую, мезозойскую  и кайнозойскую эры.            

   Наиболее  изучена история материковой части земной коры, в пределах которой около 1500—1600 млн. лет тому назад закончилось в основном образование древних (докембрийских) платформ, составивших основные массивы современных материков. Около 3-3.5 млрд. лет назад в результате закономерной эволюции материи на Земле возникла жизнь, началось развитие биосферы.

   Совокупность  всех населяющих ее живых организмов, так называемое живое вещество Земли, оказала значительное влияние на развитие атмосферы, гидросферы и осадочной оболочки.

    Большая часть Земли занята Мировым океаном - 361.1 млн. км² (70.8%). Средняя глубина мирового океана около 3800 м (наибольшая глубина 11020 м - Марианский желоб (впадина) в Тихом океане). Объем воды на планете составляет 1370 млн. км3, средняя соленость 35 г/л.

    Суша составляет 149.1 млн. км² (29.2%), и образует шесть материков и острова. Она поднимается над уровнем мирового океана в среднем на 875 м (наибольшая высота 8848 м - гора Джомолунгма), горы занимают свыше 1/3 поверхности суши. Пустыни покрывают примерно 20% поверхности суши, леса - около 30%, ледники - свыше 10%.  

11.  Развитие Земли. 

     Древнейшая Земля весьма мало напоминала планету, на которой мы сейчас живем. Её атмосфера состояла из водяных паров, углекислого газа и, по одним, - из азота, по другим – из метана и аммиака. Кислорода в воздухе безжизненной планеты не было, в атмосфере древней Земли гремели грозы, её пронизывало жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца, на планете извергались вулканы. Исследования показывают, что полюса на Земле менялись, и когда-то Антарктида была вечнозеленой. Вечная мерзлота образовалась 100 тыс. лет назад после великого оледенения.

     В XIX веке в геологии сформировались две концепции развития Земли: 1) посредством скачков («теория катастроф» Жоржа Кювье);

2)  посредством небольших, но постоянных изменений в одном и том же направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводили к огромным результатам («принцип униформизма» Чарльза Лайелля).

     Успехи физики XX века способствовали существенному продвижению в познании истории Земли.

     В 1908 году ирландский ученый Д. Джоли сделал сенсационный доклад о геологическом значении радиоактивности: количество тепла, испущенного радиоактивными элементами, вполне достаточно, чтобы объяснить существование расплавленной магмы и извержение вулканов, а также смещение континентов и горообразование. С его точки зрения, элемент материи – атом – имеет строго определенную длительность существования и неизбежно распадается.

     В следующем 1909 году русский ученый В. И. Вернадский основывает геохимию – науку об истории атомов Земли и ее химико-физической эволюции.

     В соответствии с современными взглядами температура ядра Земли может быть низкой, а процессы в земной коре имеют радиоактивную природу. Сначала Земля была холодной. Атомы радиоактивных элементов, распадаясь, выделяли тепло, и недра разогревались. Это повлекло за собой выделение газов и водяных паров, которые, выходя на поверхность, положили начало воздушной оболочке и океанам.