Автор: Пользователь скрыл имя, 18 Марта 2012 в 13:55, реферат
Один из важных вопросов, связанных с изучением нашей планетной системы – проблема ее происхождения. Решение данной проблемы имеет естественнонаучное, мировоззренческое и философское значение. На протяжении веков и даже тысячелетий ученые пытались выяснить прошлое, настоящее и будущее Вселенной, в том числе и Солнечной системы. Однако возможности планетной космологии и по сей день остаются весьма ограниченными – для эксперимента в лабораторных условиях доступны пока лишь метеориты и образцы лунных пород.
Один из важных вопросов, связанных с изучением нашей планетной системы – проблема ее происхождения. Решение данной проблемы имеет естественнонаучное, мировоззренческое и философское значение. На протяжении веков и даже тысячелетий ученые пытались выяснить прошлое, настоящее и будущее Вселенной, в том числе и Солнечной системы. Однако возможности планетной космологии и по сей день остаются весьма ограниченными – для эксперимента в лабораторных условиях доступны пока лишь метеориты и образцы лунных пород. Проблема происхождения и эволюции Земли и планет оказалась труднее, чем проблема происхождения и эволюции звезд. Во-первых, Солнечная система у нас "в одном экземпляре", она - единственная достоверно известная планетная система. Поэтому ограничены и возможности сравнительного метода исследований. Во-вторых, как это ни странно звучит, мы слишком много знаем о Солнечной системе. Нам известно очень много деталей и подробностей, часто противоречивых, закономерностей, которые требуют объяснения в рамках данной теории или концепции.
Солнечная система состоит из центрального небесного тела – звезды Солнца, 9 больших планет, обращающихся вокруг него, их спутников, множества малых планет – астероидов, многочисленных комет и межпланетной среды. Большие планеты располагаются в порядке удаления от Солнца следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Три последние планеты можно наблюдать с Земли только в телескопы. Остальные видны как более или менее яркие кружки и известны людям со времен глубокой древности. [1]
Поскольку Солнце является одной из звезд, вопросы его происхождения и развития рассматриваются теорией эволюции звезд, а в изучении происхождения Солнечной системы наиболее интересен вопрос об образовании планет, в частности Земли. Выяснение происхождения и развития Земли имеет большое принципиальное и практическое значение.
14
К настоящему времени известны многие гипотезы о происхождении Солнечной системы. Первую материалистическую модель мира (солнечной системы), в которой сам мир и небесные тела рассматривались в развитии, попытался построить Рене Декарт (1596-1650). По Декарту, все небесные тела образовались в результате вихревых движений, происходивших в однородной вначале мировой материи - эфире. Солнечная система, согласно Декарту, представляет собой один из таких вихрей мировой материи. Центральное светило - Солнце - состоит из более тонкой мировой материи, а планеты и кометы - из более крупных частиц, отброшенных в процессе вращения к периферии. Планеты движутся вокруг Солнца, увлекаемые мировым вихрем. Каждая планета вращается, как соломинка в водовороте, в своем собственном вихре. Данные представления получили название вихревой гипотезы. [2]
Истоком современной планетной космогонии можно считать гипотезу происхождения планетной системы, сформулированную Иммануилом Кантом в 1755 г. в книге "Всеобщая естественная история и теория неба". В соответствии с ней "в начале" мировое пространство было заполнено материей, находящейся в состоянии первозданного хаоса. Затем, под действием двух сил - притяжения и отталкивания - материя переходила к более организованным формам. Солнце и планеты, по Канту, образовались при слипании пылинок первичного вещества. Точка зрения И. Канта заключалась в эволюционном развитии холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникло центральное массивное тело — Солнце, а потом родились и планеты.
Лаплас в своем труде "Изложение системы Мира" (1796) развил теорию Канта, указав конкретный механизм образования планет. При сжатии протосолнца его вращение должно было ускоряться, что, по мнению Лапласа, должно было приводить к неустойчивости солнечного вещества в области экватора. Вследствие этого от экватора время от времени отделялись газопылевые кольца. И так несколько раз, по числу известных планет. Кольца постепенно удалялись от Солнца и занимали "свое" место в пространстве. Каждое кольцо разорвалось и охладилось, а уже из кусочков холодного кольца путем слипания образовалась планета. Таким образом, согласно теории П. Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Несмотря на такое различие между двумя рассматриваемыми гипотезами, обе они исходят от одной идеи — Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. И поэтому такую идею иногда называют гипотезой Канта—Лапласа. Однако от этой идеи пришлось отказаться из-за множества математических противоречий, и на смену ей пришло несколько «приливных теорий».[3]
В основе приливной гипотезой - идея о том, что планеты образовались из солнечного вещества, выброшенного из Солнца в результате катастрофического события. В одном варианте приливной гипотезы таким событием являлась встреча Солнца с кометой (Бюффон, 1745), в другом - со звездой (Джинс, 1916). Согласно Джинсу, планетное вещество было «вырвано» из Солнца под воздействием близко проходившей звезды, а затем распалось на отдельные части, образуя планеты. При этом наиболее крупные планеты (Сатурн и Юпитер) находятся в центре планетной системы, где некогда находилась утолщенная часть сигарообразной туманности. Гипотеза Джеймса Джинса была особенно популярна в 20-30-е гг. XX в. В большинстве учебников и популярных книг по астрономии приводился рисунок, иллюстрирующий рождение планет "по Джинсу". На нем показано, как сигароподобный сгусток материи, вырванный из Солнца в результате близкого прохождения звезды, может после распада на части дать "жизнь" планетам. Если бы дела действительно обстояли таким образом, планетные системы были бы чрезвычайно редким явлением, так как звезды отделены друг от друга колоссальными расстояниями, и вполне возможно, что наша планетная система могла бы претендовать на роль единственной в Галактике. Но математики снова бросились в атаку, и, в конце концов приливная теория присоединилась к газообразным кольцам Лапласа в мусорной корзине науки. Несостоятельность этой гипотезы доказал российский астроном Н.Н.Парийский.[4]
14
Движение планет в Солнечной системе упорядочено: они вращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости. Расстояния от одной планеты до другой возрастают закономерно. Орбиты планет близки к окружностям, что и позволяет им вращаться вокруг Солнца миллиарды лет, не сталкиваясь друг с другом. Если движение планет подчиняется одному и тому же порядку, то процесс их образования должен быть единым. Это показали в XVIII в. Иммануил Кант и Пьер Лаплас. Они пришли к выводу, что на месте планет вокруг Солнца первоначально вращалась туманность из газа и пыли. Но откуда взялась эта туманность? И каким образом газ и пыль превратились в крупные планетные тела? Эти вопросы оставались нерешёнными в космогонии XIX и начала ХХ в. Камнем преткновения была и проблема момента количества движения планет. Масса всех планет системы в 750 раз меньше массы Солнца. При этом на долю Солнца приходится лишь 2% общего момента количества движения, а остальные 98% заключены в орбитальном вращении планет. Вплотную этими проблемами наука занялась лишь во второй половине ХХ в. Почти до конца 80-х гг. раннюю историю нашей планетной системы приходилось "воссоздавать" лишь на основе данных о ней самой. И только к 90-м гг. стали доступны для наблюдений невидимые ранее объекты - газопылевые диски, вращающиеся вокруг некоторых молодых звёзд, сходных с Солнцем.[5]
Согласно современным представлениям, планеты солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет назад. Такая точка зрения наиболее последовательно отражена в гипотезе российского ученого, академика О.Ю. Шмидта (1891—1956), который показал, что проблемы космологии можно решить согласованными усилиями астрономии и наук о Земле, прежде всего географии, геологии, геохимии. В основе гипотезы О.Ю. Шмидта лежит мысль об образовании планет путем объединения твердых тел и пылевых частиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако сначала состояло на 98% из водорода и гелия. Остальные элементы конденсировались в пылевые частицы. Беспорядочное движение газа в облаке быстро прекратилось: оно сменилось спокойным движением облака вокруг Солнца.
О.Ю.Шмидт показал, что вследствие законов сохранения энергии и момента количества движения туманность (протопланетное облако) должна была разделиться на несколько кольцеобразных "зон питания". В них-то и аккумулировались будущие планеты. Из такого представления с неизбежностью следовало, что Земля никогда не была огненно-жидкой. Вначале относительно холодная (во всяком случае, не расплавленная) она разогрелась лишь потом: изнутри - при распаде радиоактивных элементов, а снаружи - в результате интенсивной бомбардировки поверхности метеоритами и падений на нее крупных (размером с Луну или даже с Марс) тел.
Хронология событий может быть восстановлена: на стадии формирования Солнца - из теории звездной эволюции, на стадии роста Земли - по модельным расчетам, на более поздних стадиях - по данным геологии и геохронологии.
Газопылевую туманность, в которой возникли планеты, их спутники, мелкие твёрдые тела - метеороиды, астероиды и кометы, называют протопланетным (или допланетным) облаком. Планета вращаются вокруг Солнца почти в одной плоскости, а значит и само газопылевое облако имело уплощенную чечевицеобразную форму, поэтому его называют ещё диском. Учёные полагают, что и Солнце, и диск образовались из одной и той же вращающейся массы межзвёздного газа - протосолнечной туманности.
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 3емля 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. Согласно Клейтону, сжатие, в результате которого образовалось Солнце, было вызвано сверхновой, которая, взрываясь, сообщила движение межзвездному веществу и, как метла, толкала его впереди себя; так происходило до тех пор, пока за счет силы тяготения не сформировалось стабильное облако, продолжавшее сжиматься, превращая собственную энергию сжатия в тепло.
Вся эта масса начала нагреваться, и за очень короткое время (десяток миллионов лет) температура внутри облака достигла 10 - 15 млн. градусов. К этому времени термоядерные реакции шли полным ходом и процесс сжатия закончился. Принято считать, что именно в этот "момент", от четырех до шести миллиардов лет назад, и родилось Солнце.
Выдвинутая в 40-х гг. академиком Отто Юльевичем Шмидтом гипотеза, об образовании Земли и других планет из холодных твердых допланетных тел – планетезималей, стала общепринятой. Распространенная ранее точка зрения, что планеты - это небольшие остатки некогда раскаленных гигантских газовых сгустков солнечного состава, потерявших летучие вещества, пришла в противоречие с науками о Земле. Земля, как показывают исследования, никогда не проходила через огненно-жидкое, т.е. полностью расплавленное состояние. Исследуя шаг за шагом эволюцию допланетного диска, ученые получили последовательность основных этапов развития газопылевого диска, окружавшего Солнце, в систему планет.
В настоящее время общепризнанной является теория формирования планетной системы в четыре этапа. Рассмотрим каждый из них.
Первоначальный размер облака превышал современный размер планетной системы, а его состав соответствовал тому, который наблюдается в межзвездных туманностях: 99% газов и 1% пылевых частиц размерами от долей микрона до сотен микрометров. Во время коллапса, т.е. падения газа с пылью на центральное ядро (будущее Солнце), вещество сильно разогревалось, и межзвездная пыль могла частично или полностью испариться. Таким образом, на первой стадии облако состояло почти целиком из газа, притом хорошо перемешанного благодаря высокой турбулентности - разнонаправленному, хаотичному движению частиц. По мере формирования диска турбулентность стихает. Это занимает немного времени - около 1000 лет. При этом газ охлаждается, и в нем вновь образуются твердые пылевые частицы. Таков первый этап эволюции диска.
Для остывающего допланетного облака характерно очень низкое давление - менее десятитысячной доли атмосферы. При таком давлении вещество из газа конденсируется непосредственно в твердые частички, минуя жидкую фазу. Первыми конденсируются самые тугоплавкие соединения кальция, магния, алюминия и титана, затем магниевые силикаты, железо, никель. После этого в газовой среде остаются лишь сера, свободный кислород, азот, водород, все инертные газы и некоторые летучие элементы. В процессе конденсации становятся активными пары воды, окисляющие железо и образующие гидратированные соединения. Основные же космические элементы - водород и гелий - остаются в газообразной форме. Для их конденсации потребовались бы температуры, близкие к абсолютному нулю, ни при каких условиях недостижимые в облаке. Химический состав пылинок в допланетном диске определялся температурой, которая падала по мере удаления от Солнца. К сожалению, рассчитать изменение температуры в допланетном облаке очень трудно. Химический состав планет земной группы показывает, что они состоят в основном из веществ, конденсировавшихся при высоких температурах. В составе ближней части пояса астероидов преобладают каменистые тела. По мере удаления от Солнца в поясе астероидов увеличивается число тел, которые содержат обогащенные водой минералы и некоторые летучие вещества. Их удалось обнаружить в метеоритах, являющихся осколками астероидов. Среди малых планет, по-видимому, нет или очень немного ледяных тел. Следовательно, граница конденсации водяного льда должна быть проходить за ними, не ближе внешнего края пояса астероидов - в три с лишним раза дальше от Солнца, чем Земля.