Происхождение и структура Солнечной системы

Научные концепции возникновения и эволюции Солнечной системы появились более 250 лет назад. В основном конкурировали две из них.

Первая связана с гипотезами о катастрофическом, «одномоментном» выбросе вещества из Солнца с образованием планет. Это гипотезы о критическом сближении Солнца и большой кометы (Ж. Бюффон, XVIII в.) или звезды (Д. Джинс, Г. Джеферсон, Т. Чемберлен и Ф. Мультон, XX в.), или, будучи двойной звездой, Солнце столкнулось с массивным космическим объектом и вторая звезда послужила материалом для образования планет (Б. Рассел, XX в). Вторая гипотеза объединяет представления о длительном формировании Солнечной системы за счет универсального для Вселенной процесса «комкования» первоначально разряженной космической среды в локальные плотные космические тела за счет гравитационных сил (Р. Декарт, XVII в., И. Кант и П. Лаплас, XVIII в.).

Научные концепции возникновения и эволюции Солнечной системы

появились более 250 лет назад. В основном конкурировали две из них. Первая связана с гипотезами о катастрофическом, «одномоментном» выбросе вещества из Солнца с образованием планет. Это гипотезы о критическом сближении Солнца и большой кометы (Ж. Бюффон, XVIII в.) или звезды (Д. Джинс, Г. Джеферсон, Т. Чемберлен и Ф. Мультон, XX в.), или, будучи двойной звездой, Солнце столкнулось с массивным космическим объектом и вторая звезда послужила материалом для образования планет (Б. Рассел, XX в).

Вторая гипотеза объединяет представления о длительном формировании Солнечной системы за счет универсального для Вселенной процесса «комкования» первоначально разряженной космической среды в локальные плотные космические тела за счет гравитационных сил (Р. Декарт, XVII в., И. Кант и П. Лаплас, XVIII в.).

Российский ученый О. Ю. Шмидт в 1944 г. предложил метеоритную гипотезу, согласно которой Солнце при обращении вокруг центра Галактики захватило своим притяжением холодное облако пыли, из которогосформировались допланетные тела — планетезимали. настоящее время о Солнечной системе известно достаточно много изастрономических наблюдений, астрофизических исследований, из фактических данных, собранных космическими аппаратами, а также полученных в результате исследований космического излучения и метеоритов,попадающих на Землю. В этой связи наиболее влиятельной является концепция шведских астрономов Х. Альвена и С. Аррениуса. Они исходятиз представления о некотором едином механизме планетообразования наоснове гравитационных, электромагнитных и магнитогидродинамическихвзаимодействий, происходящих в горячей плазме. Закономерное действиеединого механизма проявляется в образовании планет, а затем их спутников. К моменту образования планет должны сложиться определенные условия. Центральное тело — Солнце уже должно существовать и обладатьмагнитным полем, превышающим некоторое критическое значение. Звездная окрестность должна содержать разряженную плазму. Ученыесчитают, что материал для планет имел внешнее происхождение. Мощноегравитационное поле молодого Солнца притянуло поток газопылевых частиц межзвездного пространства. Так возникла область вторичных телСолнечной системы.

Вышеназванная концепция подтверждается сравнительными исследованиями изотопного состава вещества метеоритов, Солнца и Земли: обнаружены совпадения изотопного состава метеоритов и Земли и отклонения в одноименном ряду изотопов Земли и Солнца. Это говорит о том, что в истории Солнечной системы существовали первоначальная газово- пылевая туманность и некоторая часть вещества с иным изотопным составом, поступившая из другого газово-пылевого облака. Смешение двух облаков, произошедшее более 4,5 млрд лет назад, положило начало образованию Солнечной системы.

Солнечная система представляет собой группу планет, их спутников, множество астероидов и метеоритов. С учетом физических характеристик все планеты делятся на две группы: землеподобные — Меркурий, Венера, Земля, Марс и планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Планеты земной группы состоят из силикатов и алюмосиликатов и отличаются высокой плотностью, в среднем 5,5 г/см3. Планеты-гиганты состоят из водорода и гелия, а средняя плотность их вещества близка к плотности воды. Самая дальняя от Солнца планета — Плутон, открытая в марте 1930 г., по своим размерам близка к астероидам. Она состоит из центрального тела и спутника. Плутон — малоизученная планета, поэтому ученые расходятся во мнении, к какой группе ее отнести. Все планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости, называемой эклиптикой. Они светят отраженным светом и по своему размеру и массе значительно меньше Солнца. Планеты имеют спутники: у Земли и Плутона — по одному спутнику, у Марса и Нептуна — по два, Уран имеет 5 спутников, Сатурн — 32, Юпитер — 39.

Характерные параметры планет земной группы (в долях от соответствующих характеристик Земли) представлены в табл. 1. Самая массивная из планет земной группы — Земля.

Планеты земной группы. Сюда входят Меркурий, Венера, Земля и Марс. Все они обладают сходным строением, имеют плотные металлические ядра и силикатные поверхностные слои. Формы орбит близки к окружности, наибольшая вытянутость - у орбиты Меркурия.

 

Меркурий. Масса 0.055 массы Земли, диаметр 0.38 диаметра Земли (4870 км). Пери­од обращения вокруг Солнца (год) - 88 земных суток, период обращения вокруг своей оси (звездные сутки) - 59 земных суток. Медленное вращение и отсутствие атмосферы приводит к большому перепаду ночных и дневных темпе­ратур на поверхности - от - 180 до + 430 °С. Поверхность сложена из тугоплавких вулкани­ческих пород, покрыта древними кратерами ударного происхождения размерами до сотен километров.

Венера. Масса - 0.815 массы Земли, диаметр 0.95 диаметра Земли (12100 км). Год Ве­неры - 225 земных суток, Мощная атмосфера из углекислого газа, толстый слой облаков из паров серной кислоты на большой высоте над поверхностью создают сильный парниковый эффект, в результате чего температура поверхности, как на ночной, так и на дневной сторо­не, стабильна и близка к +500 °С. Поверхность покрыта базальтовыми породами, есть высо­кие (до 12 км) горы, открыто множество потухших вулканов.

Земля.диаметр 12756 км.Год - 365, 24Обладает атмосферой, со­стоящей на 78%из азота и на 21%из кислорода. Имеется крупный спутник -Луна, находящийся на среднем расстоянии 384* 103 кмот Земли. Диаметр Луны - 3470 км.

Марс. Масса - 0.107 массы Земли, диаметр 0.53 диаметра Земли (6670 км). Год Марса - 687 земных суток. Обладает разреженной атмосферой из углекислого газа. Смена времен го­да, наклон оси вращения к плоскости орбиты - 65.5°. На полюсах находятся шапки изо льда и замерзшей углекислоты. Рельеф чрезвычайно сложный, включающий горы, долины, дюны, ударные кратеры. Есть потухшие щитовые вулканы высотой до 27 км. Гигантский каньон шириной 600 км и глубиной более 10 км. Сохранились следы древней гидросферы (структу­ры, характерные для дна океана), сухие русла рек, следы потоков воды, стекавшей по скло­нам кратеров. Температуры - от 0°С на экваторе до - 130°С (ночью в приполярных облас­тях). Марс обладает двумя небольшими спутниками (Фобос и Деймос, оба менее 30 км в диаметре). Спутники - типичные астероиды, захваченные гравитационным полем Марса.

Пояс астероидов. множество твердых тел, вращающихся вокруг Солнца. Известно более 10000 астероидов, постоянно открываются новые. Размеры - от 900 км (Церера) и меньше - до сотен и десятков метров. Кроме того, известны более 1000 объектов, пересекающих орбиту Земли. В соста­ве астероидов - либо никелистое железо (обломки древних ядер планетезималей), либо си­ликаты (обломки древних кор планетезималей), либо железокаменные конгломераты (об­ломки промежуточных слоев). Небольшие астероиды имеют неправильную форму, несут на себе следы множественных соударений. Мелкие обломки астероидов - метеороиды (раз­мером менее 1 км), по-видимому, распространены во всей внутренней (планетной) зоне Солнечной системы. Столкновения мелких метеороидов с Землей и другими планетами ре­гулярны, в ряде случаев на поверхность Земли выпадают их сохранившиеся при полете в ат­мосфере остатки - метеориты. Подавляющее большинство состоят из никелистого железа. Каменные метеориты вызывают большой интерес, так как они никогда сильно не разогрева­лись, и представляют собой образцы вещества древней Солнечной системы

Планеты-гиганты. На расстояниях от 5 до 30 а.е. от Солнца вокруг него обращаются так называемые планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Это название связано с громадными массами и размерами этих планет. Внутри у них, судя по всему, есть неболь­шие металлические ядра, с размерами, как у планет земной группы. Ядра окружены гигант­скими флюидными оболочками, близкими по составу к солнечному веществу, а основу со­ставляют водород (85 %) и гелий (14%).

Все планеты-гиганты очень быстро вращаются вокруг своих осей. Они обладают большим количеством спутников. Самые крупные из них (например, Ганимед, спутник Юпитера) превышают по размерам Меркурий и Плутон и обладают всеми признаками планет. Мельчайшие частицы - остатки разрушившихся спутников и вещество, из которого так и не образовались спутники - образуют в экваториальных плоскостях планет-гигантов сис­темы колец в нескольких десятках тысяч километров от их поверхностей. Наиболее развитой системой колец обладает Сатурн.

Юпитер. Масса - 318 масс Земли, диаметр 11.2 диаметров Земли (143 * 10³ км), объем - 1300 объемов Земли. На одном из 16 спутников - Ио - под действием мощных приливных сил со стороны близкого Юпитера непрерывно извергаются вулканы, выбрасывая в межпланетное пространство потоки заряженных частиц.

Спутник Европа покрыт ледяным панцирем, под которым, судя по всему, находится глубокий водяной океан. Помимо спутников, Юпитер обладает системой колец, которые, однако, слабо выра­жены (по сравнению с Сатурном) и с Земли практически не наблюдаются.

Оценки показывают, что Юпитер существенно, в 13 раз, меньше по массе, чем это необходимо, чтобы температура и давление в центре привели бы к "запуску" термоядерных | реакций и превратили бы Юпитер в небольшую звезду. Можно считать, что Юпитер и дру­гие планеты-гиганты - недоразвитые зародыши звезд, которым не хватило массы, чтобы | превратиться в таковые.

Сатурн. Масса - 95 масс Земли, диаметр - 120 * 10³ км. Известна феерическая система колец шириной почти в 400 * 10³ км и толщиной в несколько десятков мет­ров, состоящая из мириад мельчайших пылинок, снежинок, камней, покрытых льдом, глыб, размерами от сантиметров до метров. Каждая частица кольца движется вокруг планеты, как отдельный спутник. Крупных спутников у Сатурна открыто 22, по неподтвержденным пока данным - еще больше. Наиболее крупный спутник - Титан - обладает холодной атмосферой из азота с добавками метана.

В атмосфере Сатурна отмечены сильные ветры - до 1800 км/ч. Планета сильно сплюснута у полюсов. В полярных областях зафиксированы сильные полярные сияния.

Уран. Масса - 14.5 масс Земли, диаметр - 51300 км. Год Урана - 84 земных года, Система спутников Урана включа­ет 5 больших и десять маленьких тел. Спутник Миранда, диаметром около 500 км, судя по всему, сплавлен из трех-четырех каменных обломков. Около Урана обнаружена система ко­лец.

Нептун. Масса - 17.2 массы Земли (больше, чем у Урана), в то время как размеры Нептуна несколько меньше, чем у Урана - 49500 км. Соответственно средняя плотность планеты заметно больше: 1.77 г/ см³. Год Нептуна - 165 земных лет, сутки - 17 часов 52 ми­нуты. Среднее расстояние от Солнца - 30 а.е. (4.5 *10⁹ км). Температура поверхностных слоев атмосферы -213°С. Несмотря на то, что Нептун расположен значительно дальше, чем Уран, на нем теплее. У Нептуна есть собственный внутренний источник тепла, дающий втрое больше тепла по сравнению с получаемым от Солнца. Существует гипотеза, что на Нептуне может быть обнаружен гигантский (тысячекилометровой глубины) водяной океан. Известны 8 спутников Нептуна, но этот перечень, скорее всего, неполон. Крупнейший спут­ник системы - Тритон - имеет азотную атмосферу, сложен из каменных пород и льдов (во­дяного и метанового). На Тритоне обнаружены мощные азотные гейзеры.

Плутон и пояс Койпера. Плутон - самая маленькая планета Солнечной системы (меньше Луны). Масса - 0.0022 массы Земли. Диаметр - 2300 км. Движется по сильно вытя­нутой орбите Температура твердой поверхности -230°С. Год Плутона составляет 249 лет, Судя по всему, каменное ядро Плутона покрыто мощным слоем водяного и метанового льда. Имеет один спутник - Харон, всего вдвое меньшего по размерам, чем сам Плутон. Плутон находится в пределах так называемого пояса Койпера - кольца из неболь­ших (до 200 километров в диаметре) ледяных тел. В период с 1992 по 2000 годы открыто 346 таких объектов.

Между орбитами Марса и Юпитера обращается вокруг Солнца множество космических тел — это астероиды. Большинство астероидов — карлики. Самый крупный астероид был открыт в 1801 г. итальянским астрономом Лд. Пиацци и назван Церерой, его диаметр 770 км. Происхождение астероидов пока не известно. Согласно одной гипотезе, они представляют собой осколки бывшей планеты, но более вероятно то, что астероиды никогда не были частями одного тела, а образовались в процессе сгущения пылевой среды в результате взаимного притяжения составляющих их частиц. Сейчас известно более 3000 малых планет, вращающихся вокруг Солнца в среднем на расстоянии 2,75 а. е. Структуру пояса астероидов определяет возмущающее влияние соседних планет, в основном Юпитера и Марса. Общая масса малых планет составляет 0,001 % массы Земли, они не имеют правильных форм, о химическом составе можно судить по выпадению метеоритов из этого пояса. Астероиды диаметром более 1 км и с орбитами, пересекающими орбиту Земли, составляют 43 % и могут столкнуться с ней. Над проблемой защиты от астероидной опасности работают ученые Европы, России, США. Так, 7 января 2002 г. астероид VB5 пролетел на расстоянии от Земли всего 823 тыс. км.

Кометы — это глыбы твердого вещества, состоящие из различных видов льда — замерзших воды, метана, аммиака и углекислого газа. В эту ледяную смесь заключены песчаная пыль, крупные камни и куски металла. Кометы движутся вокруг Солнца по орбите, имеющей форму вытянутого эллипсоида и даже парабол. При приближении к Солнцу лед начинает испаряться и вокруг ядра кометы образуется оболочка, которая под действием светового давления и солнечного ветра отталкивается в сторону от Солнца, образуя хвост кометы.

Этот хвост может тянуться на сотни миллионов километров. Сейчас известно почти 1000 комет, некоторые из них возвращаются к Солнцу, а другие, появившись раз, уходят в межзвездное пространство. Так, комета Галлея, открытая в 1786 г., возвращается каждые 76,03 года. Самое последнее ее появление происходило в 1985—1986 гг. Комета Шумейкер-Леви, открытая в 1993 г., в июле 1994 г. столкнулась с Юпитером (выделив энергию в тротиловом эквиваленте 1 Мт) и закончила свое существование. Подобное, но меньших масштабов произошло на Земле 30 июня 1908 г. В районе Подкаменной Тунгуски снежный шар диаметром 120 м (вторичный

фрагмент ледяного ядра кометы Энке) столкнулся с атмосферой Земли и на

высоте 8—9 км взорвался (выделив энергию равную 450 Хиросимам), получив название Тунгусского метеорита. Считают, что 65 млн лет назад с Землей столкнулось ледяное ядро диаметром 10 км, в результате на полуострове Юкатан образовался ударно-взрывной кратер. Поскольку кометы несут до 30 % пыли, которая при взрыве поднимается вверх и закрывает Солнце, то примерно через 4 месяца температура на Земле снизилась до –50 оС. Американские ученые полагают, что именно с этой катастрофой связана гибель динозавров. Открытие все новых комет продолжается.

Видимый след в небе, оставляемый вспыхнувшим объектом при его вхождении в атмосферу, называется метеором. Это световое явление еще называют «падающими звездами». Иногда метеорное тело при движении в атмосфере не успевает испариться и достигает поверхности Земли. Этот остаток называют метеоритом. За год на Землю попадает около 2000 метеоритов. Они бывают каменные, железные и железокаменные. Поверхность Земли покрыта метеоритными кратерами, заметны более 130 кратеров ударно-взрывного происхождения диаметрами до 400 км. Крупнейший метеорит находится в Западной Африке, его масса оценивается в 100 000 т; Сихотэ-Алиньского метеорита, упавшего в дальневосточной тайге, — 23 т. Полагают, что метеориты части астероидов. Изотопный метод показал, что возраст метеоритов достигает 4,5 млрд лет, что согласуется с данными о возрасте Земли и Солнечной системы в целом.

Характеристика Солнца

Солнце находится в центре Солнечной системы, в нем сосредоточено 99,866 % всей массы Солнечной системы, однако 98 % момента количества движения сосредоточено в планетах. Солнце — обычная звезда, со средней продолжительностью жизни 10 млрд лет. Оно вращается вокруг своей оси, но на разных гелиографических широтах скорость его вращения различна: на экваторе Солнце делает оборот за 25 суток, вблизи полюсов — за 33. Различные скорости вращения возможны только потому, что Солнце — плазменный шар, его радиус примерно 696 тыс. км, плотность — около 1,4 г/см3, температура поверхности составляет около 6000 К, В структуре Солнца различают внутреннее ядро — гелиевое с температурой, равной 15 000 000 К. В ядре сосредоточено более 50 % массы Солнца, тогда как радиус ядра составляет 25 % от радиуса Солнца. В состав Солнца входят водород, составляющий 73 % по массе и гелий — 25%. Остальные 2 % — более тяжелые элементы (Fe, S, Mg, N, Si и др.). Источник солнечной энергии — термоядерные процессы превращения водорода в гелий, которые совершаются в центральных областях Солнца. Далее следует фотосфера, так условно называют поверхность Солнца. Поверхность Солнца никогда не бывает спокойна. Наблюдаемые подвижные пятна свидетельствуют о сильных вертикальных движениях солнечного вещества. Выше слоя фотосферы располагается солнечная атмосфера, в ней выделяют две части: хромосферу и солнечную корону.

Нижний слой — хромосфера. В этой зоне происходят постоянные вспышки солнечного газа, похожие на языки пламени. Солнечная корона

имеет протяженность 12—13 млн км. Температура газов в солнечной короне достигает 1,5 млн К. Эта часть Солнца хорошо наблюдается во время полных солнечных затмений. Солнечный ветер представляет собой поток плазмы (протоны и электроны с альфа-частицами и ионизированными атомами углерода, кислорода и других элементов). Его скорость вблизи Земли достигает 400—500 и даже 1000 км/с.

Солнце излучает все типы электромагнитных волн, начиная с радиоволн и кончая гамма-лучами. В атмосферу нашей планеты поступает очень мало заряженных частиц, так как магнитное поле Земли бронирует её поверхность. Но даже малая часть заряженных частиц способна вызвать возмущения в магнитном поле. Так, когда потоки заряженных частиц, порожденные солнечными вспышками, достигают Земли, они создают в полярных областях изумительный мерцающий свет — северное сияние. Солнце обладает сильным магнитным полем, полярность которого изменяется один раз в 11 лет. Эта периодичность совпадает с 22-летним циклом нарастания и убывания солнечной активности, когда формируются солнечные пятна с диаметром в среднем 66 000 км. Они обычно сопровождаются группой светлых полосок — факелов. Видимые на диске волокна названы протуберанцами. Это массы более плотного и холодного

газа, поднимающиеся над хромосферой на сотни и тысячи километров.

Кроме оптического и рентгеновского излучения, Солнце излучает потоки частиц — корпускул. Солнечные корпускулярные потоки оказывают большое воздействие на верхние слои атмосферы нашей планеты. Все процессы на Земле испытывают влияние космических циклов, связанных с движением Солнца в пространстве Вселенной. Периодичность кругового движения Солнца вокруг центра Галактики влияет на внутреннее состояние Солнечной системы. Галактический цикл (150—200 млн лет), связанный с орбитальным движением Солнца вокруг центра Галактики, совпадает с циклическими процессами горообразования на Земле и наиболее крупными изменениями в органическом мире. Космические циклы с периодом 680 и 40 млн лет связаны с обращением Солнца вокруг центра местной звездной системы в созвездии Геркулеса и пересечении плоскости Галактики. Цикл в 40 млн лет совпадает с продолжительностью некоторых геологических периодов, относящихся к разным эрам: силурийского и пермского периодов в палеозое; мелового и юрского в мезозое; палеогенового в кайнозое. Продолжительность жизни Солнца определяется превращением водорода в гелий в его недрах. Расчеты показали, что атомного горючего должно хватить еще на 5 млрд лет. Когда запасы водорода снизятся, гелиевое ядро будет сжиматься, а внешние слои, наоборот, расширяться, и Солнце превратится сначала в «красного гиганта», а затем в «белого карлика», пройдя обычный путь эволюции звезды.