Естественно - научные концепции развития процессов в природе

Все планеты условно делятся на 2 группы:

Меркурий, Венера, Земля, Марс - планеты небольшого размера с плотностью p=3-5.5 г/см3 и имеющие сходный состав (силикаты, металлы);

Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун - планеты - гиганты с небольшой плотностью p=1-2 г/см3, состоящие из газов (водород, гелий);

Необходимо также выделить пояс астероидов, занимающий место между Марсом и Юпитером.

Орбиты всех планет – эллиптические (но почти круговые), и все они (за исключением орбиты Плутона) лежат примерно в плоскости эклиптики (в плоскости Солнечного экватора).

Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении (совпадающем с направлением вращения Солнца), как и почти все спутники вокруг своих планет.

Большинство планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, что и Солнце (за исключением Венеры, которая очень медленно вращается в обратном направлении, и Урана, который вращается как бы лежа на боку).

Вокруг шести планет «крутятся» естественные спутники (спутники есть и у трех карликовых планет).

Расстояния планет от Солнца подчиняются эмпирическим формулам и, например, составляют некоторую прогрессию, определяемую правилом Тициуса-Боде.

За орбитой Нептуна располагаются пять крупных индивидуальных объектов— Церера, Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида, которые называют карликовыми планетами. Они имеют, за счет собственной гравитации, форму, близкую к шару, и состоят, главным образом, из замёрзших воды, аммиака и метана. Кроме того, существуют тысячи малых тел, таких как кометы, метеороиды и космическая пыль, которые перемещаются по Солнечной системе.

После передела Солнечная система стала выглядеть удивительно гармонично: планеты земной группы — пояс астероидов — планеты-гиганты — пояс Койпера. Среди планет воцарился порядок, какой и должен быть в системе, населенной разумными представителями Вселенной.

Гипотезы происхождения Солнечной системы.

Объединенная гипотеза Канта-Лапласа - Солнечная система возникла из газопылевой туманности. Немецкий философ И. Кант в 1755 году впервые изложил «небулярную гипотезу» о возникновении Солнечной системы из огромного плотного, плоского пылевого облака рассеянного вещества, вращающегося вокруг Солнца. В 1796 году французский ученый Пьер Симон Лаплас описал образование Солнца и Солнечной системы из медленно вращающейся раскаленной газовой туманности. Под действием гравитации центральная часть туманности сжималась, скорость вращения увеличивалась, поэтому часть газового облака отделилась от центрального сгустка в виде отдельного газового кольца. Продолжавшееся сжатие и ускорение вращения приводили к отслоению кольца за кольцом. Затем при охлаждении в силу флуктуаций в каждом отдельном кольце возникали неоднородности плотности образующихся плотных частей, а затем в игру вступал закон всемирного тяготения и наиболее плотная часть кольца притягивала к себе остальное вещество кольца – возникал зародыш планет. При дальнейшем охлаждении газовые сгустки затвердели и образовались планеты. Но потом стало ясно, что Земля никогда не была ни газовой, ни раскаленной, а отрыв вещества должен был происходить непрерывно, без образования колец. Кроме того, модель Канта-Лапласа не объясняет необычное распределение момента количества движения в Солнечной системе.

Гипотеза Джинса образования планет Солнечной системы. В 1916 году Джеймсом Джинсом была предположена гипотеза, в которой образование планет объяснялось близким прохождением около Солнца другой звезды. За счет приливных сил из Солнца была выброшена струя газа, которая впоследствии распалась на «капли» и из которых впоследствии и сформировались планеты. Однако в настоящее время специалисты не поддерживают эту теорию, поскольку оказалось, что для того, чтобы вырвать вещество из Солнца, звезда должна была пролететь очень близко от него, а вероятность такого события очень мала (звезды все-таки находятся очень далеко друг от друга!).

В 1935 году Рассел предположил, что Солнце было двойной звездой. Вторая звезда была разорвана силами гравитации при тесном сближении с другой, третьей звездой. Девятью годами позже Хойл высказал теорию, что Солнце было двойной звездой, причем вторая звезда прошла весь путь эволюции и взорвалась как сверхновая, сбросив всю оболочку. Из остатков этой оболочки и образовалась планетная система.

В сороковых годах ХХ века советский астроном Отто Шмидт предположил, что Солнце захватило при обращении вокруг Галактики облако пыли. Из вещества этого огромного холодного пылевого облака сформировались холодные плотные допланетные тела – планетезимали.

Элементы многих из перечисленных выше теорий использует современная космогония. Сегодняшний уровень развития науки четко указывает, что невозможно построить модель солнечной системы с учетом только гравитационных сил. Шведские астрофизики Х.Альвен и Г.Аррениус разрабатывают модель, учитывающую влияние различных процессов - гравитационных, магнитогидродинамических, электромагнитных и плазменных.

Согласно современным представлениям, образование Солнечной системы около 5 млрд. лет назад происходило следующим образом в четыре этапа:

* Первоначальное газопылевое облако  достигло заметной плотности  и начало сжиматься под действием  гравитационных сил. Это облако  уже содержало не только первичные водород и гелий, но и многочисленные тяжёлые элементы (металлы). Планетная система формируется из того же протозвездного пылевого вещества, что и звезда, и в те же сроки.

* Газопылевое облако сжимается  и раскручивается вокруг центральной  части, в результате происходит  формирование облака в виде  характерного диска. Центральная  часть сжимается самостоятельно, что указывает на образование протозвезды. Другая часть облака с массой, примерно в десять раз меньше центральной части, продолжает медленно вращаться вокруг центрального утолщения, а на периферии каждый фрагмент сжимается самостоятельно.

* Необходимо обратить внимание  на одно очень важное обстоятельство: по всей видимости, молодое Солнце имело собственное магнитное поле. Это привело к тому, что вещество диска, которое впоследствии превратится в планеты, уносит от Солнца львиную долю вращательного момента. В сжимающемся газопылевом облаке возрастает кинетическая энергия, т.е. растет температура облака, при этом наиболее сильно нагревались центральные области диска. Часть вещества, обладающая избыточным моментом вращения, образует тонкий газопылевой слой – газопылевой диск. Вокруг протозвезды формируется протопланетное облако – пылевой субдиск. В этом протопланетном облаке начинают формироваться сгустки материи, которые служат центрами притяжения и за счет действия молекулярных сил образуются достаточно массивные тела – планетезимали .

* В процессе формирования планетной  системы часть планетезималей  разрушилась в результате столкновений, а часть объединилась. Образуется  рой допланетных тел размером около 1 км, количество таких тел очень велико – миллиарды. .

Протозвезда разогревается до миллионов градусов и в центральной области протозвезды начинают протекать термоядерная реакция «горения» водорода, т.е. образуется обычная звезда. Во внешней области диска крупные сгущения образовали планеты, вращающиеся вокруг центрального светила примерно в одной плоскости и в одном направлении. Из-за высокой температуры звезды внутренние области протопланетного облака испаряются, а под действием солнечного ветра и давления света легкие химические элементы (водород и гелий) оттесняются из окрестностей молодой звезды. В результате ближние планеты земного типа оказываются небольшими и относительно плотными из-за преобладания в их составе тяжелых химических элементов — в Солнечной системе к этой категории относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс. Таким образом, ученые считают, что планеты земной группы сформировались из веществ, конденсирующихся при высоких температурах, ближе современного пояса астероидов, расположенного между орбитами Марса и Юпитера. Состав планет земной группы свидетельствуют о том, что их образование происходило при отсутствии легких газов, но зато с участием каменистых частиц и тел, содержавших различное количество железа и других металлов. В далекой области от звезды образуется более холодная зона с температурой примерно 50 К и там сформировались планеты из относительно легких химических элементов. В результате сформировались сверхмассивные твердокристаллические ядра из скальных пород и льда. Их мощное гравитационное поле привлекло из окрестных газопылевых скоплений значительные объемы легких и летучих веществ — гелия и водорода, образовавших их океаны и/или атмосферу: образовались так называемые газовые гиганты Солнечной системы - Юпитер, Сатурн, Уран. При огромных по сравнению с планетами земного типа размерах эти планеты характеризуются очень низкой средней плотностью вещества. Известно, что по мере удаления от Солнца увеличивается число тел, содержащих обогащенные водой минералы и некоторые летучие вещества. Крупнейшие спутники Юпитера – Ганимед и Каллисто – наполовину состоят из воды. Эти данные свидетельствуют о том, что водяной лед конденсировался во всей зоне формирования Юпитера. В области тех внешних планет, которые формировались при еще более низких температурах, в составе пылинок оказались льды аммиака и метена, твердая углекислота и другие замерзшие летучие соединения (об этом свидетельствует химический состав кометных ядер, прилетающих к нам с далекой периферии Солнечной системы).

Глава 7. Планеты земной группы.

Плане́ты земно́й гру́ппы — четыре планеты Солнечной системы: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Их ещё называют вну́тренними плане́тами, в отличие от внешних планет — планет-гигантов. Согласно ряду космогонических теорий, в значительной части внесолнечных планетны системэкзопланеты тоже делятся на внутренние твердотельные планеты и внешние газовые планеты. По строению и составу к планетам земной группы близки некоторые каменные астероиды, например, Веста.

Планеты земной группы обладают высокой плотностью и состоят преимущественно из силикатов и металлического железа (в отличие от газовых планет и каменно-ледяных карликовых планет, объектов пояса Койпера и облака Оорта). Наибольшая планета земной группы — Земля — более чем в 14 раз уступает по массе наименее массивной газовой планете — Урану, но при этом примерно в 400 раз массивнее наибольшего известного объекта пояса Койпера.

Планеты земной группы состоят главным образом из кислорода, кремния, железа, магния, алюминия и других тяжёлых элементов.

Все планеты земной группы имеют следующее строение:

В центре ядро из железа с примесью никеля.

Мантия, состоит из силикатов.

Кора, образовавшаяся в результате частичного плавления мантии и состоящая также из силикатных пород, но обогащённая несовместимыми элементами. Из планет земной группы коры нет у Меркурия, что объясняют её разрушением в результате метеоритной бомбардировки. Земля отличается от других планет земной группы высокой степенью химической дифференциации вещества и широким распространением гранитов в коре.

Две из планет земной группы (самые далёкие от Солнца — Земля и Марс) имеют спутники. Ни одна из них (в отличие от всех планет-гигантов) не имеет колец.

Глава 8. Жизнеспособность Земли.

Как может выжить маленькая каменистая планета в бурном кру­говороте эпохи формирования планетной системы? Гигантская пла­нета, довольно медленно перемещаясь по радиусу в процессе мигра­ции II типа, с большой вероятностью должна «смести» все маленькие планеты. Гигант может поглотить их или выбросить на новые орбиты на ранней стадии формирования. Тем не менее некоторые маленькие планеты все же могут пережить эту эпоху. И, разумеется, вовсе не очевидно, что в каждой планетной системе есть планета гигант.

Однако гигантские планеты на очень вытянутых орбитах действительно опасны для планет типа Земли, поскольку весьма веро­ятно, что все планеты, движущиеся между крайними точками ор­биты гиганта, рано или поздно испытают тесное гравитационное взаимодействие с ними. В этом случае планета типа Земли либо перейдет на другую орбиту, либо вообще будет выброшена из планетной системы. Такое изменение орбиты вредно для жизни на любой ее стадии, поэтому маловероятно обнаружение «живой» планеты в системе, где планетагигант движется по вытянутой орбите.

Даже если сами газовые гиганты непригодны для жизни, следует учитывать вероятность того, что спутники этих гигантов могут быть по размеру близки к Земле и иметь пригодные для жизни усло­вия, разумеется, если планета и ее спутники находятся в зоне жизни звезды.

Планеты с биосферами будут иметь некоторые общие свойства. Вероятно, на них окажутся существа с ДНК и белками. Жизнь будет основана на воде и т. д. Впрочем, возможны и некоторые исключения. Но если на планете есть жизнь, то непременно должны быть признаки неравновесного состояния атмосферы. На Земле это означает кислород и озон. В другом месте это может быть другая комбинация газов, но если мы не знаем, какая именно, то луч­ше искать кислород и озон. Следующее вещество, которое требует внимания, – это вода. Все перечисленные индикаторы есть в нашей атмосфере, но их нет, например, у Марса и Венеры.

Кислород, озон и воду можно выявить с помощью инфракрас­ной спектроскопии. Так же можно искать и признаки хлорофилла. В его спектре есть характерная «красная граница»: на интервале между 700 и 750 нм отражательная способность хлорофилла резко возрастает, поэтому в ближнем инфракрасном диапазоне растения кажутся очень яркими. Так что нужно искать резкий скачок в спек­тре отражения. Точная длина волны этого скачка может зависеть от параметров звезды и свойств пигментов, используемых для по­глощения ее света.

Недавно появились новые перспективы для исследования ат­мосфер экзопланет: С Бердюгина и Д. Флури (Цюрихский астрономический институт) и А. Бердюгин и В. Пиирола (Обсерватория Туорла, Финляндия) впервые зафиксировали свет, отраженный ат­мосферой экзопланеты. Для этого они следили за изменением поляризации света, приходящего от звезды и обращающейся вокруг нее планеты. Свет поляризуется, когда рассеивается атомами или молекулами атмосферы; этот же процесс окрашивает наше небо в голубой цвет.

Изменение поляризации есть следствие движения по орбите планеты, через каждые двое суток проходящей перед диском звезды. По этим изменениям можно определить размер и некоторые другие характеристики атмосферы. Интересно, что это первое наземное поляриметрическое исследование «горячего юпитера», удаленного на 6о световых лет, было проведено с помощью небольшого босм телескопа КУА, установленного на острове ЛаПальма и дистанционно управляемого учеными, находящимися за тысячи километров.

Глава 9. Гидросфера и атмосфера Земли.

Гидросфера (от гидро… и сфера) - прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и твердой земной корой (литосферой) и представляющая собой совокупность океанов, морей и поверхностных вод суши. В более широком смысле в состав гидросферы включают также подземные воды, лед и снег Арктики и Антарктики, а также атмосферную воду и воду, содержащуюся в живых организмах. Основная масса воды гидросферы сосредоточена в морях и океанах, второе место по объему водных масс занимают подземные воды, третье - лед и снег арктических и антарктических областей. Поверхностные воды суши, атмосферные и биологически связанные воды составляют доли процента от общего объема воды гидросферы (рис. 1). Химический состав гидросферы приближается к среднему составу морской воды.