Происхождение Солнечной системы.

Считается, что все планеты Солнечной системы возникли почти одновременно примерно 4,6 млрд. лет назад. В современной космогонии принята концепция холодного начального состояния планет, которые образовались в результате объединения твердых частиц межзвёздного газопылевого облака. В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшались и росла скорость вращения облака. Центр, где собралась большая часть массы, становился всё более и более горячим, чем окружающий его диск. Эти процессы привели к формированию характерного протопланетного диска и горячей протозвезды в центре.

Планеты сформировались из протопланетного диска. Сначала возникла система колец, которые затем распадались на множество отдельных сгустков. Сталкиваясь друг с другом, сгустки продолжались сжиматься и уплотняться, образуя допланетные тела — планетезимали. Планетезимали — допланетные тела, образовавшихся в допланетном облаке в результате конденсации вещества. Столкновение планетезималей привело к тому, что наиболее крупные начали еще более увеличиваться в размерах, у них появилась способность удерживать близко находящиеся частички за счет тяготения, вследствие чего образовались планеты. По аналогии с возникновением планет объясняется появление их спутников. Образование допланетных тел продолжалось десятки тысяч лет, формирование планет заняло от 10⁵ до 10⁸ лет.

Особенности планеты Земля

Земля — третья планета Солнечной системы, наибольшая из планет земной группы. Земля участвует в двух движениях, происходящих с запада на восток: она вращается вокруг собственной оси и обращается по эллиптической орбите вокруг Солнца. Расстояние от Земли до Солнца в разных точках орбиты неодинаковое, среднее расстояние составляет 149,6 млн. км. В процессе движения вокруг Солнца плоскость земного экватора перемещается таким образом, что в одних участках земной орбиты земной шар наклонен к Солнцу своим северным полушарием, а в других – южным. Период обращения вокруг Солнца составляет 365,256 дней, при суточном вращении 23 часа 56 мин.

Земля имеет единственный естественный спутник Луну.

По форме Земля близка к эллипсу. За средний радиус Земли принимают R_cp = 6371 км, который соответствует радиусу шара по объему, равному объему эллипсоида Земли. Масса Земли 5,976 10²⁴ кг, средняя плотность Земли 5,5 г/см³

Большая часть Земли (до 71%) покрыта водой. Средняя глубина Мирового Океана 3900 км. Наибольшую глубину — 11 022 м — имеет Марианский желоб в Тихом океане. На современных континентах больше распространены равнины. Горы занимают незначительную часть планеты. Наибольшую высоту над поверхностью мирового океана — 8848 км — имеет вершина Джомолунгма (Эверест), находящаяся в Гималаях (Евразия).

Земной шар состоит из ряда концентрических оболочек, или геосфер: атмосферы, гидросферы, литосферы, земной коры, мантии и ядра. Литосфера – твердая оболочка, включающая верхнюю часть мантии и земную кору.

Земная кора образовалась в результате вулканической деятельности. Возраст земной коры оценивается примерно в 3,8 млрд. лет. Земная кора состоит из 7 плит толщиной около 64 км, которые плавают по верхней части мантии. Масса земной коры 2,8 10¹⁹ тонн, что составляет лишь 0,473 % от общей массы Земли. Толщина ее неравномерна: максимальна в областях прогибания земной коры - до 70 км, минимальна под океанами — 5-10 км, и вообще отсутствует в областях поднятий. 98,6% массы земной коры составляют всего восемь химических элементов (O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg). Около половины массы земной коры (47%) приходится на кислород, более 25% (27,5%)— на кремний. Температура внутри Земли повышается на 2° на каждые 100 м глубины.

Кора подразделяется на несколько слоев: осадочный (состоит из продуктов разрушения коренных пород), гранитный и базальтовый. Толщина этих слоев различна и сильно варьируется.

Ниже коры находится мантия, в ней сосредоточена большая часть вещества Земли. Температура мантии составляет 1500-2000⁰ С, простирается она до глубины 2900 км, где проходит ее граница с ядром Почти вся мантия находится в твёрдом кристаллическом состоянии, т.к. влияние давления сказывается сильнее, чем температуры. Мантия более плотная, чем земная кора, и содержит в основном тугоплавкие элементы. Она недоступна непосредственному исследованию, поэтому большая часть информации о мантии получена геохимическими и геофизическими методами.

Разделяет кору и мантию граница Мохоровича, на которой происходит резкое увеличение скоростей сейсмических волн. Изменение скорости распространения сейсмических волн обусловлено увеличением плотности вещества мантии.

Процессы, идущие в мантии, являются причиной движения континентов, вулканизма, землетрясений, горообразования и формирования рудных месторождений. На саму мантию активно влияет металлическое ядро планеты.

Ядро состоит из внешнего (до глубины 5000-5100 км) и внутреннего ядра (до центра Земли 6371 км). Внешнее ядро жидкое, расплавленное, его плотность 10 г/см³, состоит в основном из железа и никеля. Глубже находится внутреннее твердое ядро диаметром 2500 км, по-видимому, того же состава, что и внешнее ядро. Его температура достигает 5000⁰С, а плотность 12,5 г/см³.

Одна из особенностей Земли – наличие у нее магнитного поля (геомагнитного поля). Магнитное поле создается за счет движения расплавленного железа в жидком наружном ядре Земли и защищает все живое от ионизирующего космического излучения. Северный и южный магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, магнитная ось не проходит через центр Земли, а располагается примерно на 400 км в стороне от него. Магнитные полюса перемещаются: магнитный полюс в южном полушарии вышел в Индийский океан, северный магнитный полюс движется через Ледовитый океан в направлении Сибири.

Сила притяжения Земли оказалась достаточной для удержания газов и паров воды, из которых сформировались плотная атмосфера и мощная гидросфера.

Атмосфера - воздушная среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с нею. Атмосфера простирается на высоту 2000 - 3000 км, ее масса около 5,15 10¹⁵ т. Атмосфера состоит из газов, воды и пыли. Газовый состав атмосферы: 78,1% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона, в незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий, неон и другие газы. Давление и плотность воздуха в атмосфере Земли с высотой убывают.

Атмосфера имеет слоистую структуру. Слоистая структура - результат температурных изменений на разных высотах. От поверхности Земли вверх эти слои располагаются так: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера.

Тропосфера - нижняя часть атмосферы, до высоты 10-15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха. Температура здесь с высотой падает (в среднем на 0,6° на каждые 100 м). Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности. Тропосфера обладает еще одним важным свойством — парниковым эффектом, благодаря которому средняя температура земной поверхности составляет в настоящее время +15°С (вместо равновесной температуры земной поверхности -23°С).

Над тропосферой до высоты 50-55 км лежит стратосфера. В этом слое находится наибольшее количество озона, который поглощает ультрафиолетовое излучение, вредное для жизни. Поглощая ультрафиолетовое излучение, озон нагревает стратосферу.

Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до 80 км. Здесь температура с высотой падает: от -2 до - 138 градусов Цельсия.

Термосфера - часть атмосферы над мезосферой, характеризующаяся очень высокими температурами (на высотах около 800 км она достигает 1000°). Воздух в ней обладает значительной ионизацией, при этом возникают заряженные атомы и свободные электроны. Термосфера обладает огромной электропроводностью, в ней наблюдаются полярное сияние, свечение ночного неба, колебания магнитного поля.

Выше 800-1000 км атмосфера переходит в экзосферу (сферу рассеяния) и постепенно в межпланетное пространство. Плотность воздуха здесь незначительна. Температура с высотой возрастает до +2000 °С.

В верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве находится радиационный пояса Земли. Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц - протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли. Радиационный пояс постоянно теряет частицы, которые переходят в земную атмосферу и пополняется потоками частиц солнечной радиации.

Гидросфера — водная оболочка Земли. Свыше 96% гидросферы составляют моря и океаны; около 2% — подземные воды, около 2% — ледники, 0,02% — воды суши (реки, озера, болота). Общий объем гидросферы Земли — свыше 1 миллиарда 500 млн км³. На пресную воду (разведанные запасы) приходится только 2,8%; из них 2,15% находится в ледниках и только 0,65% в реках, озерах, подземных водах. Главная масса воды (97,2%) — соленая.

Гидросфера, благодаря высокой теплоемкости и низкой теплоотдаче, смягчает температурную контрастность земной поверхности. Этому способствует и облака, закрывающие приблизительно 50% поверхности земного шара.

Объем гидросферы постоянно меняется. По расчетам ученых, 4 миллиарда лет назад ее объем был почти в 7 тысяч раз меньше современного. В будущем количество воды на Земле, по-видимому, также будет возрастать, если учесть, что объем воды в мантии Земли оценивается в 20 млрд км³ — это в 15 раз больше современного объема гидросферы. Полагают, что поступление воды в гидросферу будет осуществляться из глубинных слоев Земли и при вулканических извержениях.

Гидросфера — единая оболочка, так как все воды взаимосвязаны и находятся в постоянных больших или малых круговоротах. Полное обновление вод происходит в разные сроки: воды в полярных ледниках возобновляются за 8 тысяч лет, подземные воды — за 5 тысяч лет, озера — за 300 дней, реки — за 12 дней, водяной пар в атмосфере — за 9 дней, а воды Мирового океана — за 3 тысячи лет.

Гидросфера играет очень большую роль в жизни планеты: она накапливает солнечное тепло и перераспределяет его на Земле; с Мирового океана на сушу поступают атмосферные осадки.

Гидросфера взаимодействует с литосферой. Об этом свидетельствуют эрозионные процессы, связанные с работой воды. Взаимодействует гидросфера и с атмосферой: облака состоят из паров воды, испарившихся с поверхности морей и океанов. Гидросфера также взаимодействует и с биосферой, так как живые существа, населяющие биосферу, не могут жить без воды. Взаимодействуя с различными оболочками планеты, гидросфера выступает, в свою очередь, как часть целостной природы земной поверхности.

Выводы

1.Космология – раздел астрономии, в котором изучаются Вселенная как единое целое и космические системы как ее части.

2. Вселенная — весь материальный мир, безграничный в пространстве, окружающий нас и познаваемый нами. Ту часть Вселенной, которая доступна для наблюдения, называют Метагалактикой. Возраст Вселенной 12-20 млрд. лет, она произошла в результате Большого взрыва из горячей сингулярности, механизм которого объясняет инфляционная гипотеза. Проявлением Большого взрыва является реликтовое излучение и «красное смещение» электромагнитного излучения.

3. Элементами Вселенной являются небесные тела (звезды, планеты, спутники, астероиды, кометы), планетные системы звезд, звездные скопления, галактики, реликтовое электромагнитное излучение, разреженное межгалактическое вещество и неизвестное количество субстанции, которую называют скрытой массой и скрытой энергией..

4. Расстояния в астрономии принято выражать в специальных единицах: астрономическая единица, световой год, парсек

5. Звезды – раскаленные космические объекты, состоящие из ионизированного газа. Большинство звезд имеют собственные планетные системы. Звезды имеют разную величину – сверхгиганты, и карлики. В зависимости от того, меняет звезда свои характеристики или нет, различают стационарные и нестационарные (переменные) звезды. К нестационарным относятся новые и сверхновые звезды, на которых происходят вспышки. В процессе эволюции звезд образуются красные гиганты, белые и черные карлики, пульсары, черные дыры

6. Галактики – гигантские скопления звезд, пыли и газа. По внешнему виду галактики разделены на три типа: эллиптические, спиральные и неправильной формы. Галактика, в которую входит Солнечная система, называется Млечный путь и относится к спиральной.

7. Метагалактика - упорядоченная система галактик. Галактики разлетаются, а Метагалактика постоянно расширяется, т. е. наша Вселенная нестационарна. Чем дальше Галактики отстоят друг от друга, тем с большей скоростью они «разбегаются». Галактики имеют тенденцию располагаться по границам гигантских ячеек. Ячеистая структура распределения галактик является наиболее крупной структурой Метагалактики.

8. Солнечная система — планетная система, включающая в себя центральную звезду — Солнце — и все естественные космические объекты, вращающиеся вокруг неё: планеты, карликовые планеты, малые тел.

9. Солнце — жёлтый карлик, плазменный шар, окруженный короной. Источником солнечной энергии являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, которые происходят в недрах. Возраст Солнца примерно 5 млрд лет

10. В Солнечной системе имеется восемь известных планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун; пять карликовых планет: Церера, Плутон, Хаумеа, Макемаке, Эрида; малые тела: астероиды, кометы. Планеты Солнечной системы делятся на две группы: планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и планеты гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун). На границе между ними расположен пояс астероидов. Планеты земной группы представляют собой твердые шары, состоящие в основном из силикатов, с тонкой газовой атмосферой. У планет-гигантов нет ни твёрдой, ни жидкой поверхности. Газы их обширных атмосфер постепенно переходят в жидкое состояние.

11. Согласно концепции холодного начального состояния планет планеты Солнечной системы образовались одновременно в результате объединения твердых частиц межзвёздного газопылевого облака. Они возникли примерно 4,6 млрд. лет назад.

12. Земля — наибольшая из планет земной группы, она вращается вокруг собственной оси и обращается по эллиптической орбите вокруг Солнца. Земля имеет естественный спутник Луну.

13. Земной шар состоит из геосфер: атмосферы, гидросферы, литосферы, земной коры, мантии и ядра. Земля окружена магнитным полем. Северный и южный магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами.

 

 

  Силовые и энергетические характе­рис­тики электромагнитных полей

(Filds20121206)

1. Силовые и энергетические характеристики полей Таблица 9.1

Характеристики полей приведены в табл. 9.1. Напряженность силового поля – скрытая силовая характеристика поля, которая проявляется при внесении в поле пробного тела (мас- сы, заряда). Напряженность поля – векторная величина. Размерность напряженности:

Потенциал поля φ – это скрытая энергетическая характеристика по- ля, которая проявляется при внесении в поле пробного тела (пробной массы или пробного заряда) и зависит от источника поля и от расстояния от него до точки в поле. Потенциал φ – скалярная величина. Размерность потенциала:

2. Наглядное представление полей Силовые поля могут быть представлены с помощью линий напряженности – так называемых силовых линий (рис. 9.2)

Длина силовой линии не имеет физического смысла. Физический смысл имеет лишь густота силовых линий. По картине силовых ли- ний поля можно разделить на однородные и неоднородные. Поле называется однородным, если его напряженность во всех точках одинакова. Силовые линии такого поля параллельны друг другу и равномерно распределены в пространстве. Например, одно- родными являются гравитационное поле Земли вблизи ее поверхно- сти и электростатическое поле в плоском конденсаторе (вдали от краев) – рис. 9.3.

В неоднородных полях напряженность зависит от величины и на- правления радиуса-вектора, проведенного от источника поля в исследуемую точку. Силовые линии неоднородных полей, в частности, могут быть расходящимися (например, электрическое поле неподвижного положительного точечного заряда (рис. 9.4) или сходящимися (например, электрическое поле неподвижного отрицательного заряда или гравитационное поле неподвижной точечной массы – рис. 9.5), а также вихревыми – с замкнутыми силовыми линями (например, магнитное поле прямого тока – рис. 9.6)

Линии напряженности гравитационных и электростатических полей являются именно силовыми, так как касательная к силовой линии в любой точке совпадает с вектором напряженности поля и с вектором силы, действующей на пробное тело в данной точке поля. Линии напряженности вихревых магнитных полей (см. рис. 9.6), строго говоря, силовыми не являются, так как не показывают направление силы, действующей на элементарный ток или движущийся заряд, находящиеся в данной точке поля. Как будет показано ниже (см., например, рис. 11.7), вектор магнитной силы перпендикулярен к вектору индукции магнитного поля B, который направлен по касательной к силовым линиям.

Контрольные вопросы

1. Верно ли утверждение: «Силовая линия электростатического поля есть траектория движения положительного заряда»?

 2. В каком случае напряженность электрического поля в некото- рой точке и сила, действующая на заряд в той же точке, противопо- ложны по направлению?

 3. Верно ли утверждение: «Силовая линия магнитного поля есть траектория движения положительного заряда»?

4. В каком гипотетическом случае магнитные силовые линии могли бы быть расходящимися (сходящимися)?

5. Назовите возможные источники однородного электростатиче- ского поля.

 6. Назовите возможные источники однородного магнитостатиче- ского поля.

7. Может ли электрическое поле быть вихревым? Если «да», то в каком случае?