Наша планета, - это огромный эллипсоид, состоящий из горных пород, металлов и покрытый водой и почвой. Земля - одна из девяти планет, которые вращаются вокруг Солнца; по размерам планет занимает пятое место. Солнце вместе с планетами, вращающимися вокруг него, образует . Наша галактика, Млечный путь, его диаметр равен примерно 100 тыс. световых лет (столько времени будет идти свет до последней точки данного пространства).

Планеты Солнечной системы описывают вокруг Солнца эллипсы, при этом вращаясь еще и вокруг собственных осей. Четыре планеты, ближайшие к Солнцу (Меркурий, Венера, Земля, Марс), называются внутренними, остальные (Юпитер, Уран, Нептун, Плутон) - внешними. В последнее время ученые нашли в Солнечной системе множество планет, по размерам равных или немного уступающих Плутону, поэтому в астрономии на сегодняшний день говорят только о восьми планетах, составляющих Солнечную Систему, но мы будем придерживаться стандартной теории.

Земля движется по своей орбите вокруг Солнца со скоростью 107 200 км/ч (29,8 км/с). Кроме того, она вращается вокруг своей оси воображаемого стержня, проходящего через самую северную и самую южную точки Земли. Земная ось наклонена к плоскости эклиптики под углом 66,5°. Ученые рассчитали, что если бы Земля остановилась, то моментально сгорела бы от энергии собственной скорости. Концы оси называются Северным и Южным полюсами.

Земля описывает свой путь вокруг Солнца за один год (365,25 дня). Каждый четвертый год содержит 366 суток (за 4 года накапливаются лишние сутки), он называется високосным. Из-за того, что земная ось имеет наклон, северное полушарие больше всего наклонено к Солнцу в июне, а южное - в декабре. В том полушарии, которое в данный момент больше всего наклонено к Солнцу, сейчас лето. Значит, в другом полушарии - зима и оно сейчас меньше всего освещается солнечными лучами.

Воображаемые линии, проходящие к северу и к югу от экватора и называемые тропиком Рака и тропиком Козерога, показывают, где солнечные лучи падают в полдень на поверхность Земли отвесно. В северном полушарии это случается в июне (тропик Рака), а в южном полушарии - в декабре (тропик Козерога).

Солнечная система состоит из девяти планет, обращающихся вокруг Солнца, их спутников, множества малых планет, комет и межпланетной пыли.

Движение Земли

Земля совершает 11 различных движений, но из них важным географическим значением обладают суточное движение вокруг оси и годовое обращение вокруг Солнца.

При этом вводят следующие определения: афелий - самая удаленная точка на орбите от Солнца (152 млн. км). Земля проходит по ней 5 июля. Перигелий - ближайшая точка на орбите от Солнца (147 млн. км). Земля проходит по ней 3 января. Общая длина орбиты - 940 млн. км.

Движение Земли вокруг оси идет с запада на восток, полный оборот совершается за 23 часа 56 минут 4 секунды. Это время принято за сутки. Суточное движение имеет 4 следствия:

• Сжатие на полюсах и сферическая форма Земли;
• Смена дня и ночи, времен года;
• Сила Кориолиса (по имени французского ученого Г. Кориолиса) - отклонение горизонтально движущихся тел в Северном полушарии влево, в Южном - вправо, это сказывается на направлении движения воздушных масс, морских течений и т. д.;
• Приливные явления.

Орбита Земли имеет несколько важных точек, соответствующих дням равноденствий и солнцестояний. 22 июня - день летнего солнцестояния, когда в Северном полушарии - самый длинный, а в Южном
- самый короткий день в году. На Северном полярном круге и внутри него в этот день - полярный день, на Южном полярном круге и внутри него - полярная ночь. 22 декабря - день зимнего солнцестояния, в северном полушарии - самый короткий, в южном - самый длинный день в году. В пределах Северного полярного круга - полярная ночь. Южного полярного круга - полярный день. 21 марта и 23 сентября - дни весеннего и осеннего равноденствий, т. к. лучи Солнца падают отвесно на экватор, на всей Земле (кроме полюсов) день равен ночи.

Тропики - параллели с широтами 23,5°, в которых Солнце бывает в зените только раз в году. Между Северным и Южным тропиками Солнце бывает в зените два раза в год, а за их пределами Солнце никогда не бывает в зените.

Полярные круги (Северный и Южный) - параллели в Северном и Южном полушариях с широтами 66,5°, на которых полярные день и ночь длятся ровно сутки.

Максимальной продолжительности (полгода) полярные день и ночь достигают на полюсах.

Часовые пояса. В целях регулирования различий во времени, возникающих в результате вращения Земли вокруг своей оси, земной шар условно разделен на 24 часовых пояса. Без них никто не смог бы ответить на вопрос: «Который час в других точках мира?». Границы этих поясов приблизительно совпадают с линиями долготы. В каждом часовом поясе люди ставят часы по собственному местному времени, в зависимости от точки на Земле. Промежуток между поясами составляет 15°. В в 1884 г. было введено среднее гринвичское время, счет которого ведется от меридиана, проходящего через Гринвичскую обсерваторию и имеющую долготу 0°.

Линии 180° восточной и западной долготы совпадают. Эта общая линия называется Международной линией перемены дат. Время в точках Земли, расположенных западнее этой линии, на 12 часов впереди по сравнению со временем в точках восточнее этой линии (симметрично относительно линии перемены дат). Время в этих соседних поясах совпадает, но, путешествуя на восток, вы попадаете во вчерашний день, путешествуя на запад - в завтрашний день.

Параметры Земли

• Экваториальный радиус - 6378 км
• Полярный радиус - 6357 км
• Сжатие земного эллипсоида - 1: 298
• Средний радиус - 6371 км
• Длина окружности экватора - 40 076 км
• Длина меридиана - 40 008 км
• Поверхность - 510 млн. км2
• Объем - 1,083 трлн. км3
• Масса — 5,98 10^24 кг
• Ускорение свободного падения - 9,81 м/с^2 (Париж) Расстояние от Земли до Луны - 384 ООО км Расстояние от Земли до Солнца - 150 млн. км.

Солнечная Система

Планета	Продолжительность одного оборота вокруг Солнца	Период обращения вокруг своей оси (сут)	Средняя орбитальная скорость (км/с)	Отклонение орбиты, град (от плоскости поверхности Земли)	Сила тяжести (значение для Земли =1)
Меркурий	88 сут.	58,65	48	7	0,38
Венера	224,7 сут.	243	34,9	3,4	0.9
Земля	365,25 сут.	0,9973	29,8	0	1
Марс	687 сут.	1,02-60	24	1,8	0.38
Юпитер	11,86 лет	0,410	12.9	1,3	2,53
Сатурн	29,46 лет	0,427	9,7	2,5	1,07
Уран	84,01 года	0,45	6,8	0,8	0,92
Нептун	164,8 лет	0,67	5,3	1,8	1,19
Плутон	247,7 лет	6,3867	4,7	17,2	0.05

Планета	Диаметр, в км	Расстояние от Солнца, в млн. км	Число лун	Диаметр по экватору (км)	Масса (Земля = 1)	Плотность (вода = 1)	Объем (Земля = 1)
Меркурий	4878	58	0	4880	0,055	5,43	0,06
Венера	12103	108	0	12104	0,814	5,24	0,86
Земля	12756	150	1	12756	1	5,52	1
Марс	6794	228	2	6794	0,107	3,93	0,15
Юпитер	143800	778	16	142984	317,8	1,33	1323
Сатурн	120 ООО	1429	17	120536	95,16	0,71	752
Уран	52400	2875	15	51118	14,55	1,31	64
Нептун	49400	4504	8	49532	17,23	1,77	54
Плутон	1100	5913	1	2320	0,0026	1,1	0,01

1 из 21

Презентация на тему:

№ слайда 1

Описание слайда:

№ слайда 2

Описание слайда:

Сейчас большинство людей считает очевидным, что солнце находится в центре солнечной системы, но гелиоцентрическая концепция появилась не сразу. Во II веке н.э. Клавдий Птолемей предложил модель с Землей в центре (геоцентрическую). Согласно его модели Землю и другие планеты неподвижны, а солнце вращается вокруг них по эллиптической орбите. Система Птолемея считалась верной астрономами и религией на протяжении нескольких сотен лет. Только в XVII-м веке, Николай Коперник разработал модель строения Солнечной системы, в которой солнце было в центре вместо Земли. Новая модель была отклонена церковью, но постепенно получила распространение, потому что это обеспечила лучшее объяснение наблюдаемых явлений. Как ни странно, начальные измерения Коперника были не более точны, чем Птолемея, в них только было гораздо больше смысла.

№ слайда 3

Описание слайда:

№ слайда 4

Описание слайда:

№ слайда 5

Описание слайда:

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА Солнечная система – группа астрономических тел, включая Землю, вращающихся вокруг и гравитационно связанных со звездой, называемой Солнце. Свита Солнца включает девять планет, приблизительно 50 спутников, больше чем 1000 наблюдаемых комет и тысячи меньших тел известных как астероиды и метеориты).

№ слайда 6

Описание слайда:

Солнце Солнце – центральное небесное тело солнечной системы. Эта звезда – раскаленный шар – сама я близкая от к Земле. Его диаметр в 109 раз больше диаметра Земли. Находится на расстоянии 150млн.км от Земли. Температура внутри него достигает 15 млн. градусов. Масса Солнца в 750 раз превышает массу всех движущихся вокруг него планет вместе взятых.

№ слайда 7

Описание слайда:

Юпитер Юпитер – пятая планета от Солнца, самая большая планета солнечной системы. Юпитер имеет 16 спутников, а также кольцо шириной около 6 тыс. км, почти вплотную примыкающее к планете. Юпитер не имеет твердой поверхности, ученые предполагают, что она жидкая или даже газообразная. Из-за большой удаленности от Солнца температура на поверхности этой планеты -130 градусов.

№ слайда 8

Описание слайда:

Меркурий Меркурий - самая близкая планета к Солнцу. Поверхность Меркурия, покрытая веществом базальтового типа, довольно темная, очень похожа на поверхность Луны. Наряду с кратерами (как правило, менее глубокими, чем на Луне) есть холмы и долины. Высота гор может достигать 4 км.Над поверхностью Меркурия имеются следы весьма разреженной атмосферы, содержащей, кроме гелия, также водород, углекислый газ, углерод, кислород и благородные газы (аргон, неон). Близость Солнца обусловливает нагревание поверхности планеты до +400 градусов.

№ слайда 9

Описание слайда:

Сатурн Сатурн, шестая планета от Солнца, вторая по размерам после Юпитера большая планета Солнечной системы; относится к планетам-гигантам, состоит главным образом из газов. Почти 100% его массы состоит из водорода и газа гелия. Температура поверхности приближается к -170градусам. Планета не имеет четкой твердой поверхности, оптические наблюдения затрудняются непрозрачностью атмосферы. Сатурн имеет рекордное количество спутников, сейчас известно около 30. Считается, что кольца образованы различными частицами, калием, глыбами разных размеров, покрытыми льдом, снегом, инеем.

№ слайда 10

Описание слайда:

Венера Венера, вторая планета от Солнца, является близнецом Земли в солнечной системе. Эти две планеты имеют приблизительно тот же самый диаметр, массу, плотность и состав почвы. На поверхности Венеры обнаружены кратеры, разломы и другие признаки протекавших на ней интенсивных тектонических процессов. Венера - единственная планета Солнечной системы, собственное вращение которой противоположно направлению ее обращения вокруг Солнца. Спутников Венера не имеет. На небе она сияет ярче всех звезд и хорошо видна невооруженным глазом. Температура на поверхности +5000, т.к. атмосфера, состоящая в основном из СО2

№ слайда 11

Описание слайда:

Уран Уран, седьмая планета от Солнца, относится к планетам-гигантам. В течение многих веков астрономы Земли знали только пять «блуждающих звезд» - планет. 1781 год был ознаменован открытием еще одной планеты, названной Ураном, ставшей первой, открытой с помощью телескопа. У Урана обнаружено 18 спутников. Атмосфера Урана в основном состоит из водорода, гелия и метана.

№ слайда 12

Описание слайда:

Земля – третья планета от Солнца. Земля – единственная планета в солнечной системе с атмосферой, богатой кислородом. Благодаря своим уникальным во Вселенной природным условиям, стала местом, где возникла и получила развитие органическая жизнь. По современным представлениям Земля образовалась примерно 4,6–4,7 млрд. лет назад из захваченного притяжением Солнца протопланетного облака. На образование первых, наиболее древних из изученных горных пород потребовалось 100–200 млн. лет. ____

№ слайда 13

Описание слайда:

На основании сейсмических исследований Землю условно разделяют на три области: кору, мантию и ядро (в центре). Внешний слой (кора) имеет среднюю толщину порядка 35 км. На глубину примерно от 35 до 2885 км простирается мантия Земли, которую называют также силикатной оболочкой. Она отделяется от коры резкой границей. Еще одна обнаруженная сейсмическими методами граница между мантией и внешним ядром располагается на глубине2775 км. Наконец, на глубинах свыше 5120 км находится твердое внутреннее ядро, на долю которого приходится 1,7% массы Земли.

№ слайда 14

Описание слайда:

Вращение Земли вокруг собственной оси происходит за 23 ч 56 мин 4,1 с. Линейная скорость поверхности Земли на экваторе - около 465 м/с. Ось вращения наклонена к плоскости эклиптики под углом 66° 33" 22"". Этот наклон и годовое обращение Земли вокруг Солнца обуславливают исключительно важную для климата Земли смену времен года, а собственное ее вращение - смену дня и ночи.

Описание слайда:

Нептун Нептун – восьмая планета от Солнца. Он обладает магнитным полем. Астрономы полагают, что ниже атмосферы, на глубине приблизительно 10 000 км Нептун – это «океан», составленный из воды, метана и аммиака. Около Нептуна движутся 8 спутников. Самый крупный из них Тритон. Эта планета названа в честь древнеримского бога моря. Расположение Нептуна было рассчитано учеными, и лишь затем его удалось обнаружить с помощью телескопа в 1864 году.

№ слайда 17

Описание слайда:

Марс Марс – четвёртая планета от Солнца. Качественно новый уровень исследований Марса начался в 1965 г., когда для этих целей стали использоваться космические аппараты, которые вначале облетали планету, а затем (с 1971 г.) и опускались на её поверхность. Мантия Марса обогащена сернистым железом, заметные количества которого обнаружены и в исследованных поверхностных породах. Своё название планета получила в честь древнеримского бога войны. На планете заметна смена времен года. Имеет два спутника.

№ слайда 18

Описание слайда:

Плутон Плутон – девятая от Солнца большая планета Солнечной системы. В 1930 г. Клайд Томбауг обнаружил Плутон близко к одной из областей, предсказанных теоретическими расчётами. Масса Плутона, однако, является настолько маленькой, что открытие было сделано случайно как следствие интенсивного исследования той части неба, к которому предсказания привлекли внимание. Плутон находится примерно в 40 раз дальше от Солнца, чем Земля. Плутон затрачивает на один оборот вокруг Солнца почти 250 земных лет. С момента открытия он ещё не успел совершить ни одного полного оборота.

№ слайда 19

Описание слайда:

Самые, самые, самые… Меркурий - самая близкая к солнцу планетаПлутон - самая удалённая от солнца планетаНа Венере самая высокая температура поверхностиТолько на Земле существует жизньНа Венере сутки длиннее годаЮпитер - самая большая планетаСатурн имеет самое большое количество спутников Плутон – самая маленькая планетаЮпитер – самая «холодная» планетаСатурн имеет самый необычный и красочный внешний вид.

№ слайда 20

Описание слайда:

Контрольные вопросы Назови самую большую планету?Назови самую маленькую планету?Самая близкая к солнцу планета?Планета, на которой существует жизнь?Планета, которая первой была открыта с помощью телескопа?Какая планета была названа в честь бога войны?У какой планеты существуют самые яркие кольца?Небесное тело, излучающее свет и тепло?Какую планету назвали в честь богини войны и красоты?Планета, которую открыли «на кончике пера»

№ слайда 21

Описание слайда:

Четыре столетия напряженного труда ученых - астрономов, математиков, физиков, выполнивших тончайшие наблюдения, глубокие теоретические исследования, понадобилось, чтобы выяснить особенности планетной системы и в какой-то мере природу ближайших к Земле планетных тел.

Мы видим нашу Землю среди девяти больших планет, обращающихся вокруг Солнца. Они находятся по расстоянию от Солнца в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Первые пять были известны с глубочайшей древности. Уран «случайно» открыл Гершель в 1781 г. Существование Нептуна было обнаружено в 1846 г., (а до этого теоретически предсказано). В 1930 г. был открыт и Плутон вблизи от теоретически рассчитанного места.

Пути планет отклоняются от окружностей - это немного вытянутые эллиптические кривые. Движение планет происходит по законам Кеплера - быстрее вблизи перигелия - самой близкой к Солнцу точки орбиты, медленнее - вблизи афелия . Периоды обращения зависят от средних расстояний - от полуоси орбиты: Р = а 3/2 . Астрономы измеряют расстояния в солнечной системе в астрономических единицах. Астрономической единицей считается среднее расстояние Земли от Солнца. Оно равно 149,6 млн. км.

Измерены размеры планет, определены их массы. Для некоторых планет установлено, как они вращаются вокруг своих осей. В таблице 1 приводятся некоторые важные сведения о планетах и отдельных спутниках.

Земля, таким образом, действительно средняя планета и по положению относительно Солнца и по своим размерам. Венера, например, имеет лишь немного меньшие размеры. Вращение Марса вокруг оси очень похоже на вращение Земли; оно определяет смену сезонов года и положение климатических поясов на земной поверхности. Юпитер - планета-гигант. Он в 11 раз больше Земли по перечнику и в 318 раз больше по массе. Любопытную аномалию представляет далекий Плутон, который со времени открытия не прошел и одной восьмой части своей орбиты вокруг Солнца. Плутон почти такого же размера, как Меркурий, и многие астрономы считают его телом, вырвавшимся после какой-то катастрофы из системы Нептуна.

Интересна проблема спутников планет. До сих пор открыт 31 спутник. Семь из них имеют большие размеры. Такие спутники - Луна или Ганимед (у Юпитера) или Титан (у Сатурна). Они почти достигают размеров Меркурия и лишь немного меньше Плутона или Марса. Остальные спутники малы. Их поперечники измеряются лишь сотнями, десятками или даже несколькими километрами.

Сатурн окружен многими маленькими спутниками и массами газа и льда, вместе образующими кольцо, видимое вокруг планеты даже в небольшие телескопы. По-видимому, подобное же кольцо, только гораздо более слабое, имеется и у Юпитера.

Множество космических глыб и камней составляет семью астероидов и метеорных тел. Астрономам известно уже более 1600 малых планет и бесчисленное количество камней, которые, часто встречаясь с Землей, выпадают на ее поверхность в виде метеоритов. Пролетая с космической скоростью в десятки километров в секунду через земную атмосферу, они образуют явления болидов и метеоров. Изучая эти явления, исследуя метеориты в лабораториях, ученые устанавливают природу и происхождение многочисленных малых тел, «засоряющих» межпланетное пространство. Число их очень велико, а общая масса приближается, по-видимому, к массе Земли. Все малые планеты и многие метеорные тела движутся по эллиптическим орбитам и принадлежат солнечной системе.

Еще больше в солнечной системе комет, движущихся как по коротко периодическим, так и по очень вытянутым орбитам. 30 млн. лет требуется, чтобы комета могла достигнуть пределов солнечной системы (границы сферы действия Солнца), т. е. пройти 150 000 астрономических единиц и вернуться вновь к Солнцу. Туманные головы и хвосты комет состоят из газа и пыли, образующихся в результате испарения «загрязненных» льдов, находящихся в ядрах комет. Кометы - сравнительно недавно образовавшиеся тела, сохраняющие еще большое количество замороженных газов.

Солнце управляет благодаря силе своего притяжения движением планет и комет, космических глыб и бесконечного числа пылинок - метеорных частиц. Оно оказывает и другие воздействия на планеты и малые тела солнечной системы.

Солнце - звезда, подобная «миллиардам звезд, сияющих на ночном небе.

Определив расстояние до Солнца, астрономы убедились, что его размеры действительно колоссальны. Хотя на небе видимый поперечник Солнца равен лунному или даже немного меньше, расстояние до Солнца (149,6 млн. км, или 1 астрономическая единица) в 400 раз превышает расстояние Луны от Земли; следовательно, во столько же раз Солнце должно быть больше Луны. Если лунный диаметр равен 3,5 тыс. км, значит, размеры Солнца - 1400 тыс. км, в 109 раз больше, чем у Земли.

Измеряя количество энергии, идущее от Солнца, и силу его света, ученые нашли температуру его поверхности, достигающую 6000°, и убедились, что Солнце - это гигантский раскаленный газовый шар, по массе (т. е. количеству вещества) в 330 000 раз превосходящий Землю и почти в 7/Ю раз совокупную массу всех больших планет.

Солнце играет решающую роль во всех процессах на Земле, и поэтому его исследование имеет не только теоретическое, но и громадное практическое значение.

Создана непрерывная служба Солнца, которая с помощью оптических солнечных телескопов, а также радиотелескопов проводит наблюдения процессов на солнечной поверхности. Ведутся регистрация и изучение солнечных пятен - гигантских электромагнитных вихрей в солнечной атмосфере. Размеры их превышают иногда десятки и сотни тысяч километров; напряженность магнитных полей в пятнах, которые научились измерять астрономы, нередко превышает тысячи гаусс (Гаусс - единица напряженности магнитного поля). Над яркой поверхностью Солнца - фотосферой - расположены слои более разреженных, раскаленных газов хромосферы . Они часто вздымаются с поверхности в виде протуберанцев на высоту в сотни тысяч километров. В хромосфере и еще в более верхних частях атмосферы Солнца - солнечной короне , четко видимой во время полных солнечных затмений, разыгрываются грандиозные вихри и бури.

Эти процессы управляются могучими электромагнитными силами, возникающими в ионизованном солнечном веществе - в солнечной плазме.

Лучи солнечной короны являются потоками солнечного вещества - корпускулярными потоками, состоящими главным образом из ядер атомов (в основном из ядер атомов водорода - протонов) и электронов.

С особым вниманием изучаются взрывы на Солнце, приводящие к вспышкам, ультрафиолетового и рентгеновского излучения, к выбросу солнечных корпускул и громадного количества жестких космических частиц. Около 30 лет назад ученые обнаружили, что Солнце является источником радиоволн. Теперь на многих обсерваториях мира специальные радиотелескопы непрерывно следят за Солнцем и регистрируют его излучение на метровых, сантиметровых и миллиметровых волнах. Полученные данные в виде записей раскрывают картину могучих процессов, разыгрывающихся на солнечной поверхности. Когда в районах пятен происходят гигантские взрывы, астрономы по всплескам радиоизлучения могут определить скорости солнечного вещества, достигающие десятков и даже сотен тысяч километров в секунду. Со скоростью, близкой к скорости света, мчатся частицы космических лучей. Возникающие при солнечных взрывах быстрые космические частицы пронизывают межпланетное пространство.

Первопричиной солнечного излучения и всех процессов на Солнце, по-видимому, является атомная (термоядерная) энергия, вырабатываемая внутри Солнца. При температуре 13-20 млн. градусов в недрах Солнца водород преобразуется в гелий и при этом освобождается часть внутриатомной энергии. Ее оказывается достаточно, чтобы поддерживать высокую температуру звезд в течение миллионов и миллиардов лет.

Астрономы и физики напряженно работают, чтобы разгадать природу солнечных вспышек. Некоторые исследователи полагают, что при движении заряженного солнечного вещества (ионизованного газа) в магнитном поле может происходить сжатие потоков, приводящее к взрывам. Академик В. А. Амбарцумян допускает, что взрывы происходят в результате выхода на поверхность Солнца вещества центральных областей, находящегося в сверхплотном «дозвездном» состоянии. Переход из сверхплотного состояния в состояние обычного разреженного, нагретого газа должен приводить к взрывам. У некоторых звезд эти взрывы приобретают масштабы грандиозных космических катастроф.

Не выясняя природу солнечных процессов, нельзя понять и особенностей Земли, поскольку Солнце играет решающую роль в жизни Земли и других ближайших к нам планет. Солнце излучает гигантское количество света, тепла, радиоволн, заряженных частиц. За секунду Солнце растрачивает энергию, достигающую сотни миллиардов миллиардов киловатт, т. е. в тысячу с лишним раз большую того, что можно было бы получить, сжигая все запасы каменного угля, какие есть на Земле. Из этой энергии Земля получает лишь одну двухмиллиардную, часть, но и это составляет десятки тысяч миллионов киловатт.

Жизнь растений и животных поддерживается и развивается за счет энергии Солнца. Вместе с тем процессы солнечной активности - ультрафиолетовое излучение Солнца, корпускулярные потоки, вырывающиеся с солнечной поверхности, - определяют многие особенности явлений на Земле. От них зависит состояние радиационных поясов вокруг Земли и колебания земного магнитного поля. Потоки жесткого ультрафиолетового излучения и заряженные частички ионизуют верхние слои нашей атмосферы и определяют условия распространения радиоволн, условия радиосвязи на земной поверхности.

Возбуждение в верхней атмосфере (ионосфере) передается в нижние слои, в тропосферу, где разыгрываются все явления погоды.

Гигантский круговорот воды, вызываемый солнечной энергией - испарение вод океанов и перенос водяного пара и капелек воды ветрами, - зависит в некоторой мере от ритма солнечной деятельности. Вот почему 11-летний цикл солнечной активности сказывается на росте деревьев и растений. Однако выяснены далеко еще не все стороны этой связи между солнечными процессами и явлениями на Земле. И не только астрономы, но и геофизики, специалисты по атмосфере и гидросфере, по льдам, земным токам и другим явлениям, а также биологи, физики, радиофизики и исследователи космического пространства интенсивно изучают все проявления солнечных воздействий.

Земля является третьей планетой от Солнца и самой большой из планет земной группы. При этом она всего лишь пятая по величине планета с точки зрения размера и массы в Солнечной системе, но, что удивительно, самая плотная из всех планет в системе (5,513 кг/м3). Примечательно также, что Земля является единственной планетой в Солнечной системе, которую сами люди не называли в честь мифологического существа, — ее название происходит от старого английского слова «ertha», что означает почву.

Считается, что Земля образовалась где-то около 4.5 миллиарда лет назад, а в настоящее время является единственной известной планетой, где возможно существование жизни в принципе, а условия таковы, что жизнь в буквальном смысле кишит на планете.

На протяжении всей истории человечества люди стремились понять свою родную планету. Тем не менее, кривая обучения оказалась очень и очень сложной, с большим количеством ошибок сделанными по пути. Например, еще до существования древних римлян, мир понимался как плоский, а не сферический. Вторым наглядным примером является вера в то, что Солнце вращается вокруг Земли. Лишь только в шестнадцатом веке, благодаря работе Коперника, люди узнали, что на самом деле Земля просто планета, вращающаяся вокруг Солнца.

Возможно, самым главным открытием относительно нашей планеты в течение последних двух столетий является то, что Земля является как обычным так и уникальным местом в Солнечной системе. С одной стороны, многие из ее характеристик довольно заурядны. Возьмем, например, размер планеты, ее внутренние и геологические процессы: ее внутренняя структура практически идентична трем другим планетам земной группы в Солнечной системе. На Земле происходят практически те же геологические процессы, формирующие поверхность, которые свойственны подобным планетам и многим планетарным спутникам. Однако при всем при этом, Земля обладает просто огромным количеством абсолютно уникальных характеристик, которые разительно отличают ее от практически всех известных на сегодняшний день планет земной группы.

Одним из необходимых условий для существования жизни на Земле без сомнения является ее атмосфера. Она состоит из примерно 78% азота (N2), 21% кислорода (О2) и 1% аргона. Также в составе есть совсем незначительное количество двуокиси углерода (CO2) и других газов. Примечательно, что азот и кислород необходимы для создания дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и производства биологической энергии, без которой невозможно существования жизни. Кроме того, кислород присутствующий в озоновом слое атмосферы, защищает поверхность планеты и поглощает вредное солнечное излучение.

Любопытно то, что Значительное количество кислорода, присутствующего в атмосфере, создается на Земле. Образуется он в качестве побочного продукта фотосинтеза, когда растения превращают углекислый газ из атмосферы в кислород. По существу, это означает, что без растений количество углекислого газа в атмосфере было бы гораздо выше, а уровень кислорода значительно ниже. С одной стороны, если уровень углекислого газа повысится, вполне вероятно, что Земля будет страдать от парникового эффекта как на . С другой стороны, если процентное содержание углекислого газа станет даже немного ниже, то уменьшение парникового эффекта привело бы резкому похолоданию. Таким образом, текущий уровень углекислого газа способствует идеальному диапазону комфортных температур от -88 °С до 58 °С.

При наблюдении Земли из космоса, первое что бросается в глаза — океаны жидкой воды. С точки зрения площади поверхности, океаны покрывают примерно 70% от Земли, что является одним из уникальнейших свойств нашей планеты.

Подобно атмосфере Земли, наличие жидкой воды является необходимым критерием для поддержания жизни. Ученые полагают, что впервые жизнь на Земле возникла 3,8 миллиарда лет назад и именно в океане, а возможность передвигаться по суше появилась у живых существ намного позже.

Планетологи объясняют наличие на Земле океанов двумя причинами. Первой из них является сама Земля. Существует предположение, что во время формирования Земли атмосфера планеты смогла захватить большие объемы водяного пара. Со временем, геологические механизмы планеты, в первую очередь ее вулканическая активность, выпустила этот водяной пар в атмосферу, после чего в атмосфере,этот пар сконденсировался и упал на поверхность планеты в виде жидкой воды. Другая версия предполагает, что источником воды были кометы, которые падали на поверхность Земли в прошлом, лед который преобладал в их составе и образовал существующие на Земле водоемы.

Поверхность Земли

Не смотря на то, что большая часть поверхности Земли расположена под ее океанами, «сухая» поверхность имеет много отличительных черт. При сравнении Земли с другими твердыми телами в Солнечной системе, ее поверхность разительно отличается, так как на ней нет кратеров. По мнению планетологов, это не говорит о том, что Земля избежала многочисленных ударов малых космических тел, а скорее указывает на то, что доказательства подобных воздействий были стерты. Возможно существует множество геологических процессов, ответственных за это, но ученые выделяют два наиболее важных — выветривание и эрозия. Считается, что во многом именно двоякое воздействие данных факторов повлияло на стирание с лица Земли следов от кратеров.

Так выветривание ломает поверхностные структуры на более мелкие куски, не говоря уже химических и физических способах атмосферного воздействия. Примером химического выветривания являются кислотные дожди. Пример физического выветривания — истирание русел рек, вызванное породами, содержащимися в проточной воде. Второй же механизм — эрозия, по своей сути является воздействием на рельеф движением частиц воды, льда, ветра или земли. Таким образом, под воздействием выветривания и эрозии, были «стерты» ударные кратеры на нашей планете, за счет чего были образованы некоторые особенности рельефа.

Также ученые выделяют два геологических механизма, которые, по их мнению, помогли сформировать поверхность Земли. Первым таким механизмом является вулканическая активность — процесс выделения магмы (расплавленной породы) из недр Земли через разрывы в ее коре. Возможно, именно по причине вулканической активности земная кора была изменена и были сформированы острова (наглядным примером являются Гавайские острова). Вторым механизмом определяют горообразование или образование гор в результате сжатия тектонических плит.

Структура планеты Земля

Подобно другим планетам земной группы, Земля состоит из трех компонентов: ядра, мантии и коры. В настоящее наука уверена, что ядро нашей планеты состоит из двух отдельных слоев: внутреннее ядро из твердого никеля и железа и наружного сердечника из расплавленного никеля и железа. При этом мантия представляет собой очень плотную и почти полностью твердую силикатную породу, — ее толщина составляет примерно 2850 км. Кора также состоит из силикатных пород и разница по своей толщине. В то время как континентальные диапазоны коры составляют от 30 до 40 километров в толщину, океаническая кора намного тоньше, — всего от 6 до 11 км.

Еще одна отличительная черта Земли относительно других планет земной группы это то, что ее кора делится на холодные, жесткие плиты, которые опираются на более горячую мантию, расположенную ниже. Кроме того, эти пластины находятся в постоянном движении. Вдоль их границ как правило осуществляется сразу два процесса, известных как субдукция и спрединг. Во время субдукции две пластины вступают в контакт производя землетрясения и одна пластина наезжает на другую. Второй процесс представляет собой разделение, когда две пластины отходят друг от друга.

Орбита и вращение Земли

Земле требуется примерно 365 дней для того, чтобы сделать полный оборот по орбите вокруг Солнца. Длина нашего года связана в значительной степени со средним орбитальным расстоянием Земли, которое составляет 1,50 х 10 в степени 8 км. При таком орбитальном расстоянии солнечному свету требуется в среднем около восьми минут и двадцати секунд для достижения поверхности Земли.

При орбитальном эксцентриситете.0167 орбита Земли является одной из самых круговых во всей Солнечной системе. Это означает, что разница между перигелием Земли и афелием относительно мала. В результате столь небольшой разницы интенсивность солнечного света на Земле остается практически неизменной круглый год. Тем не менее, положение Земли на своей орбите определяет тот или иной сезон.

Наклон оси Земли составляет приблизительно 23,45 °. При этом Земле требуется двадцать четыре часа для того, чтобы завершить один оборот вокруг своей оси. Это самое быстрое вращение среди планет земной группы, но немного медленнее, чем у всех газовых планет.

В прошлом Земля считалась центром Вселенной. 2000 лет древние астрономы считали, что Земля статична, а другие небесные тела путешествуют по круговым орбитам вокруг нее. К такому мнению они пришли наблюдая очевидное движение Солнца и планет при наблюдении с Земли. В 1543 году Коперник опубликовал свою гелиоцентрическую модель Солнечной системы, в которой Солнце находится в центре нашей Солнечной системы.

Земля это единственная планета в системе, которую не назвали в честь мифологических богов или богинь (остальные семь планет в Солнечной системе были названы в честь римских богов или богинь). Имеется ввиду пять видимых невооруженным глазом планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Все тот же подход с именами древнеримских богов был использован после открытия Урана и Нептуна. Само же слово «Земля» происходит от старого английского слова «ertha» означающее почву.

Земля является самой плотной планетой в Солнечной системе. Плотность Земли отличается в каждом слое планеты (ядро, например, является более плотным, чем земная кора). Средняя плотность планеты составляет около 5,52 грамма на кубический сантиметр.

Гравитационное взаимодействие между Землей и вызывает приливы на Земле. Считается, что Луна заблокирована приливными силами Земли, поэтому ее период вращения совпадает с Земным и она обращена к нашей планете всегда одной и той же стороной.

Содержание

8. Наша Галактика

1. Строение и состав Солнечной системы. Две группы планет

Наша Земля входит в число 8 больших планет, обращающихся вокруг Солнца. Именно в Солнце сосредоточена основная часть вещества Солнечной системы. Масса Солнца в 750 раз превосходит массу всех планет и в 330 000 раз – массу Земли. Под действием силы его притяжения происходит движение планет и всех других тел Солнечной системы вокруг Солнца.

Расстояния между Солнцем и планетами во много раз превосходят их размеры, и нарисовать такую схему, на которой соблюдался бы единый масштаб для Солнца, планет и расстояний между ними, практически невозможно. Диаметр Солнца в 109 раз больше, чем Земли, а расстояние между ними примерно во столько же раз больше диаметра Солнца. К тому же расстояние от Солнца до последней планеты Солнечной системы (Нептуна) в 30 раз больше, чем расстояние до Земли. Если изобразить нашу планету в виде кружочка диаметром 1 мм, то Солнце окажется на расстоянии около 11 м от Земли, а его диаметр будет примерно 11 см. Орбита Нептуна будет показана окружностью радиусом 330 м. Поэтому обычно приводят не современную схему Солнечной системы, а лишь рисунок из книги Коперника «Об обращении небесных кругов» с иными, весьма приблизительными пропорциями.

По физическим характеристикам большие планеты разделяются на две группы. Одну из них – планеты земной группы – составляют Земля и сходные с ней Меркурий, Венера и Марс. Во вторую входят планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун (табл. 1).

Таблица 1

Расположение и физические характеристики больших планет

До 2006 г. самой далекой от Солнца большой планетой считался Плутон. Теперь он вместе с другими объектами подобного размера – давно известными крупными астероидами (см. § 4) и объектами, обнаруженными на окраинах Солнечной системы, – относится к числу планет-карликов.

Разделение планет на группы прослеживается по трем характеристикам (масса, давление, вращение), но наиболее четко – по плотности. Планеты, принадлежащие к одной и той же группе, по плотности различаются между собой незначительно, в то время как средняя плотность планет земной группы примерно в 5 раз больше средней плотности планет-гигантов (см. табл. 1).

Большая часть массы планет земной группы приходится на долю твердых веществ. Земля и другие планеты земной группы состоят из оксидов и других соединений тяжелых химических элементов: железа, магния, алюминия и других металлов, а также кремния и других неметаллов. На долю четырех наиболее обильных в твердой оболочке нашей планеты (литосфере) элементов – железа, кислорода, кремния и магния – приходится свыше 90 % ее массы.

Малая плотность планет-гигантов (у Сатурна она меньше плотности воды) объясняется тем, что они состоят в основном из водорода и гелия, которые находятся преимущественно в газообразном и жидком состояниях. Атмосферы этих планет содержат также соединения водорода – метан и аммиак. Различия между планетами двух групп возникли уже на стадии их формирования (см. § 5).

Из планет-гигантов лучше всего изучен Юпитер, на котором даже в небольшой школьный телескоп видны многочисленные темные и светлые полосы, тянущиеся параллельно экватору планеты. Так выглядят облачные образования в его атмосфере, температура которых всего -140 °C, а давление примерно такое же, как у поверхности Земли. Красновато-коричневый цвет полос объясняется, видимо, тем, что, помимо кристаллов аммиака, составляющих основу облаков, в них содержатся различные примеси. На снимках, полученных космическими аппаратами, видны следы интенсивных и иногда устойчивых атмосферных процессов. Так, уже свыше 350 лет на Юпитере наблюдают атмосферный вихрь, получивший название Большое Красное Пятно. В земной атмосфере циклоны и антициклоны существуют в среднем около недели. Атмосферные течения и облака зафиксированы космическими аппаратами и на других планетах-гигантах, хотя развиты они в меньшей степени, чем на Юпитере.

Строение. Предполагают, что по мере приближения к центру планет-гигантов водород вследствие возрастания давления должен переходить из газообразного в газожидкое состояние, при котором сосуществуют его газообразная и жидкая фазы. В центре Юпитера давление в миллионы раз превышает атмосферное давление, существующее на Земле, и водород приобретает свойства, характерные для металлов. В недрах Юпитера металлический водород вместе с силикатами и металлами образует ядро, которое по размерам примерно в 1,5 раза, а по массе в 10–15 раз превосходит Землю.

Масса. Любая из планет-гигантов превосходит по массе все планеты земной группы, вместе взятые. Самая крупная планета Солнечной системы – Юпитер больше самой крупной планеты земной группы – Земли по диаметру в 11 раз и по массе в 300 с лишним раз.

Вращение. Отличия между планетами двух групп проявляются и в том, что планеты-гиганты быстрее вращаются вокруг оси, и в числе спутников: на 4 планеты земной группы приходится всего 3 спутника, на 4 планеты-гиганта – более 120. Все эти спутники состоят из тех же веществ, что и планеты земной группы, – силикатов, оксидов и сульфидов металлов и т. д., а также водяного (или водно-аммиачного) льда. Помимо многочисленных кратеров метеоритного происхождения, на поверхности многих спутников обнаружены тектонические разломы и трещины их коры или ледяного покрова. Самым удивительным оказалось открытие на ближайшем к Юпитеру спутнике Ио около десятка действующих вулканов. Это первое достоверное наблюдение вулканической деятельности земного типа за пределами нашей планеты.

Кроме спутников, планеты-гиганты имеют еще и кольца, которые представляют собой скопления небольших по размеру тел. Они так малы, что в отдельности не видны. Благодаря их обращению вокруг планеты кольца кажутся сплошными, хотя сквозь кольца Сатурна, например, просвечивают и поверхность планеты, и звезды. Кольца располагаются в непосредственной близости от планеты, где не могут существовать крупные спутники.

2. Планеты земной группы. Система Земля – Луна

Благодаря наличию спутника, Луны, Землю нередко называют двойной планетой. Этим подчеркивается как общность их происхождения, так и редкостное соотношение масс планеты и ее спутника: Луна всего в 81 раз меньше Земли.

О природе Земли будут даны достаточно подробные сведения в последующих главах учебника. Поэтому здесь мы расскажем об остальных планетах земной группы, сравнивая их с нашей, и о Луне, которая хотя и является лишь спутником Земли, но по своей природе относится к телам планетного типа.

Несмотря на общность происхождения, природа Луны существенно отличается от земной, что определяется ее массой и размерами. Из-за того что сила тяжести на поверхности Луны в 6 раз меньше, чем на поверхности Земли, молекулам газа гораздо легче покинуть Луну. Поэтому наш естественный спутник лишен заметной атмосферы и гидросферы.

Отсутствие атмосферы и медленное вращение вокруг оси (сутки на Луне равны земному месяцу) приводят к тому, что в течение дня поверхность Луны нагревается до 120 °C, а ночью остывает до -170 °C. Из-за отсутствия атмосферы лунная поверхность подвержена постоянной «бомбардировке» метеоритами и более мелкими микрометеоритами, которые падают на нее с космическими скоростями (десятки километров в секунду). В результате вся Луна покрыта слоем мелкораздробленного вещества – реголита. Как описывают американские астронавты, побывавшие на Луне, и как показывают снимки следов луноходов, по своим физико-механическим свойствам (размеры частиц, прочность и т. п.) реголит похож на мокрый песок.

При падении на поверхность Луны крупных тел образуются кратеры размером до 200 км в диаметре. Кратеры метрового и даже сантиметрового диаметра хорошо видны на панорамах лунной поверхности, полученных с космических аппаратов.

В лабораторных условиях детально исследованы образцы пород, доставленных нашими автоматическими станциями «Луна» и американскими астронавтами, побывавшими на Луне на космическом корабле «Аполлон». Это позволило получить более полные сведения, чем при анализе пород Марса и Венеры, который проводился непосредственно на поверхности этих планет. Лунные породы похожи по своему составу на земные породы типа базальтов, норитов и анортозитов. Набор минералов в лунных породах беднее, чем в земных, но богаче, чем в метеоритах. На нашем спутнике нет и не было ни гидросферы, ни атмосферы такого состава, как на Земле. Поэтому там отсутствуют минералы, которые могут образовываться в водной среде и при наличии свободного кислорода. Лунные породы по сравнению с земными обеднены летучими элементами, но отличаются повышенным содержанием оксидов железа и алюминия, а в некоторых случаях титана, калия, редкоземельных элементов и фосфора. Никаких признаков жизни даже в виде микроорганизмов или органических соединений на Луне не обнаружено.

Светлые области Луны – «материки» и более темные – «моря» отличаются не только по внешнему виду, но также по рельефу, геологической истории и химическому составу покрывающего их вещества. На более молодой поверхности «морей», покрытой застывшей лавой, кратеров меньше, чем на более древней поверхности «материков». В различных частях Луны заметны такие формы рельефа, как трещины, по которым происходит смещение коры по вертикали и горизонтали. При этом образуются только горы сбросового типа, а складчатых гор, столь типичных для нашей планеты, на Луне нет.

Отсутствие на Луне процессов размывания и выветривания позволяет считать ее своеобразным геологическим заповедником, где на протяжении миллионов и миллиардов лет сохраняются все возникавшие за это время формы рельефа. Таким образом, изучение Луны дает возможность понять геологические процессы, происходившие на Земле в далеком прошлом, от которого на нашей планете не осталось никаких следов.

3. Наши соседи – Меркурий, Венера и Марс

Оболочки Земли – атмосфера, гидросфера и литосфера – соответствуют трем агрегатным состояниям вещества – твердому, жидкому и газообразному. Наличие литосферы – отличительная черта всех планет земной группы. Сравнить литосферы по строению можно с помощью рисунка 1, а атмосферы – с помощью таблицы 2.

Таблица 2

Характеристики атмосфер планет земной группы (у Меркурия атмосфера отсутствует)

Рис. 1. Внутреннее строение планет земной группы

Предполагают, что атмосферы Марса и Венеры в основном сохранили тот первичный химический состав, который когда-то имела и атмосфера Земли. За миллионы лет в земной атмосфере в значительной степени уменьшилось содержание углекислого газа и увеличилось – кислорода. Это объясняется растворением углекислого газа в земных водоемах, которые, видимо, никогда не замерзали, а также выделением кислорода появившейся на Земле растительностью. Ни на Венере, ни на Марсе такие процессы не происходили. Более того, современные исследования особенностей обмена углекислым газом между атмосферой и сушей (при участии гидросферы) способны объяснить, почему Венера лишилась своей воды, Марс замерз, а Земля осталась пригодной для развития жизни. Так что существование жизни на нашей планете объясняется, вероятно, не только ее расположением на благоприятном расстоянии от Солнца.

Наличие гидросферы – уникальная особенность нашей планеты, позволившая ей сформировать современный состав атмосферы и обеспечить условия для возникновения и развития жизни на Земле.

Меркурий. Эта самая маленькая и близкая к Солнцу планета во многом похожа на Луну, которую Меркурий лишь немного превосходит по размерам. Так же как и на Луне, самыми многочисленными и характерными объектами являются кратеры метеоритного происхождения, на поверхности планеты есть достаточно ровные низменности – «моря» и неровные возвышенности – «материки». Строение и свойства поверхностного слоя также сходны с лунным.

Вследствие почти полного отсутствия атмосферы перепады температуры на поверхности планеты в течение продолжительных «меркурианских» суток (176 земных) еще более значительны, чем на Луне: от 450 до -180 °C.

Венера. Размеры и масса этой планеты близки земным, однако особенности их природы существенно отличаются. Изучение поверхности Венеры, скрытой от наблюдателя постоянным слоем облаков, стало возможно лишь в последние десятилетия благодаря радиолокации и ракетно-космической технике.

По концентрации частиц облачный слой Венеры, верхняя граница которого находится на высоте около 65 км, напоминает земной туман с видимостью в несколько километров. Облака, возможно, состоят из капелек концентрированной серной кислоты, ее кристалликов и частиц серы. Для солнечного излучения эти облака достаточно прозрачны, так что освещенность на поверхности Венеры примерно такая же, как на Земле в пасмурный день.

Над низменными областями поверхности Венеры, которые занимают большую часть ее площади, на несколько километров возвышаются обширные плоскогорья, по размерам примерно равные Тибету. Расположенные на них горные массивы имеют высоту 7–8 км, а самые высокие – до 12 км. В этих районах имеются следы тектонической и вулканической деятельности, наиболее крупный вулканический кратер имеет диаметр чуть меньше 100 км. На Венере обнаружено много метеоритных кратеров диаметром от 10 до 80 км.

Суточные колебания температуры на Венере практически отсутствуют, ее атмосфера хорошо сохраняет тепло даже в условиях продолжительных суток (один оборот вокруг оси планета совершает за 240 дней). Этому способствует парниковый эффект: атмосфера, несмотря на облачный слой, пропускает достаточное количество солнечных лучей, и поверхность планеты нагревается. Однако тепловое (инфракрасное) излучение нагретой поверхности в значительной степени поглощается содержащимся в атмосфере углекислым газом и облаками. Благодаря такому своеобразному тепловому режиму температура на поверхности Венеры выше, чем на Меркурии, который расположен ближе к Солнцу, и доходит до 470 °C. Проявления парникового эффекта, хотя и в меньшей степени, заметны и на Земле: в пасмурную погоду ночью почва и воздух охлаждаются не так интенсивно, как при ясном безоблачном небе, когда могут случиться ночные заморозки (рис. 2).

Рис. 2. Схема парникового эффекта

Марс. На поверхности этой планеты можно выделить крупные (более 2000 км в диаметре) впадины – «моря» и возвышенные области – «материки». На их поверхности, наряду с многочисленными кратерами метеоритного происхождения, обнаружены гигантские вулканические конусы высотой 15–20 км, диаметр основания которых достигает 500–600 км. Считается, что деятельность этих вулканов прекратилась лишь несколько сот миллионов лет тому назад. Из других форм рельефа отмечены горные цепи, системы трещин коры, огромные каньоны и даже объекты, похожие на русла высохших рек. На склонах видны осыпи, встречаются участки, занятые дюнами. Все эти и другие следы атмосферной эрозии подтвердили предположения о пылевых бурях на Марсе.

Исследования химического состава марсианского грунта, которые проведены автоматическими станциями «Викинг», показали высокое содержание в этих породах кремния (до 20 %), железа (до 14 %). В частности, красноватая окраска поверхности Марса, как и предполагалось, объясняется присутствием оксидов железа в виде такого известного на Земле минерала, как лимонит.

Природные условия на Марсе весьма суровы: средняя температура на его поверхности всего -60 °C и крайне редко бывает положительной. На полюсах Марса температура падает до -125 °C, при которой не только замерзает вода, но даже углекислый газ превращается в сухой лед. Видимо, полярные шапки Марса состоят из смеси обычного и сухого льда. Вследствие смены времен года, каждое из которых примерно вдвое длиннее, чем на Земле, полярные шапки тают, углекислый газ выделяется в атмосферу и ее давление повышается. Перепад давления создает условия для сильных ветров, скорость которых может превышать 100 м/с, и возникновения пылевых бурь. Воды в атмосфере Марса мало, но вполне вероятно, что ее значительные запасы сосредоточены в слое многолетней мерзлоты, аналогичном существующему в холодных районах земного шара.

4. Малые тела Солнечной системы

Помимо больших планет вокруг Солнца обращаются также малые тела Солнечной системы: множество малых планет и комет.

Всего к настоящему времени обнаружено более 100 тысяч малых планет, которые называют еще астероидами (звездоподобными), поскольку из-за своих малых размеров они даже в телескоп видны как светящиеся точки, похожие на звезды. До недавнего времени считалось, что все они движутся в основном между орбитами Марса и Юпитера, составляя так называемый пояс астероидов. Самым крупным объектом среди них является Церера, которая имеет диаметр около 1000 км (рис. 3). Считается, что общее число малых планет, размеры которых превышают 1 км, в этом поясе может достигать 1 млн. Но даже и в этом случае их общая масса в 1000 раз меньше массы Земли.

Рис. 3. Сравнительные размеры крупнейших астероидов

Не существует принципиальных различий между астероидами, которые мы наблюдаем в космическом пространстве с помощью телескопа, и метеоритами, которые попадают в руки человека после того, как они упали из космического пространства на Землю. Метеориты не представляют собой какого-то особого класса космических тел – это обломки астероидов. Они могут сотни миллионов лет двигаться по своим орбитам вокруг Солнца, как и остальные, более крупные тела Солнечной системы. Но если их орбиты пересекаются с орбитой Земли, они попадают на нашу планету как метеориты.

Развитие наблюдательных средств, в частности установка приборов на космических аппаратах, позволило установить, что в окрестностях Земли пролетает немало тел размером от 5 до 50 м (до 4 в месяц). К настоящему времени известно около 20 тел астероидного размера (от 50 м до 5 км), орбиты которых проходят недалеко от нашей планеты. Опасения по поводу возможного столкновения таких тел с Землей значительно усилились после падения на Юпитер кометы Шумейкеров – Леви 9 в июле 1995 г. Вероятно, все же нет особых оснований считать, что количество столкновений с Землей может сколько-нибудь заметно увеличиться (ведь «запасы» метеоритного вещества в межпланетном пространстве постепенно истощаются). Из числа столкновений, имевших катастрофические последствия, можно назвать лишь падение в 1908 г. Тунгусского метеорита – объекта, который по современным представлениям был ядром небольшой кометы.

С помощью космических аппаратов удалось получить изображения некоторых малых планет с расстояния в несколько десятков тысяч километров. Как и предполагалось, породы, составляющие их поверхность, оказались аналогичны тем, которые распространены на Земле и Луне, в частности, обнаружены оливин и пироксен. Подтвердились представления о том, что небольшие астероиды имеют неправильную форму, а их поверхность испещрена кратерами. Так, размеры Гаспры 19x12x11 км. У астероида Ида (размеры 56x28x28 км) обнаружен на расстоянии около 100 км от его центра спутник размером около 1,5 км. В подобной «двойственности» заподозрено около 50 астероидов.

Исследования, проведенные за последние 10–15 лет, подтвердили высказанные ранее предположения о существовании в Солнечной системе еще одного пояса малых тел. Здесь за орбитой Нептуна открыто уже свыше 800 объектов диаметром от 100 до 800 км, размеры некоторых превышают 2000 км. После всех этих открытий Плутон, диаметр которого составляет 2400 км, был лишен статуса большой планеты Солнечной системы. Предполагается, что общая масса «занептунных» объектов может быть равна массе Земли. Вероятно, эти тела содержат в своем составе значительное количество льда и больше похожи на ядра комет, чем на астероиды, находящиеся между Марсом и Юпитером.

Кометы, которые из-за своего необычного вида (наличие хвоста) с древнейших времен обращали на себя внимание всех людей, не случайно относятся к малым телам Солнечной системы. Несмотря на внушительные размеры хвоста, который может превышать в длину 100 млн км, и головы, которая по диаметру может превосходить Солнце, кометы справедливо называют «видимое ничто». Вещества в комете очень немного, практически все оно сосредоточено в ядре, которое представляет собой небольшую (по космическим меркам) снежно-ледяную глыбу с вкраплением мелких твердых частиц различного химического состава. Так, ядро одной из самых знаменитых комет – кометы Галлея, изображение которой было в 1986 г. получено КА «Вега», имеет длину всего 14 км, а ширину и толщину – вдвое меньше. В этом «грязном мартовском сугробе», как часто называют кометные ядра, содержится примерно столько замерзшей воды, сколько в снежном покрове, выпавшем за одну зиму на территории Московской области.

Кометы отличает от других тел Солнечной системы прежде всего неожиданность их появления, о чем в свое время писал А. С. Пушкин: «Как незаконная комета в кругу расчисленных светил…»

В этом лишний раз убедили нас события последних лет, когда в 1996 и 1997 гг. появились две очень яркие, видимые даже невооруженным глазом кометы. По традиции они названы по фамилиям тех, кто их открыл, – японского любителя астрономии Хиякутаки и двух американцев – Хейла и Боппа. Столь яркие кометы обычно появляются раз в 10–15 лет (таких, которые видны только в телескоп, ежегодно наблюдают 15–20). Предполагается, что в Солнечной системе существует несколько десятков миллиардов комет и что Солнечная система окружена одним или даже несколькими облаками комет, которые движутся вокруг Солнца на расстояниях в тысячи и десятки тысяч раз больших, чем расстояние до самой дальней планеты Нептун. Там, в этом космическом сейфе-холодильнике, миллиарды лет с момента образования Солнечной системы «хранятся» кометные ядра.

Когда ядро кометы приближается к Солнцу, оно разогревается, теряет газы и твердые частицы. Постепенно ядро распадается на все более и более мелкие фрагменты. Частицы, входившие в его состав, начинают обращаться вокруг Солнца по своим орбитам, близким к той, по которой двигалась комета, породившая этот метеорный поток. Когда частицы этого потока встречаются на пути нашей планеты, то, попадая в ее атмосферу с космической скоростью, они вспыхивают в виде метеоров. Оставшаяся после разрушения такой частицы пыль постепенно оседает на поверхность Земли.

Столкнувшись с Солнцем или большими планетами, кометы «погибают». Неоднократно были отмечены случаи, когда при движении в межпланетном пространстве ядра комет раскалывались на несколько частей. Видимо, не избежала этой участи и комета Галлея.

Особенности физической природы планет, астероидов и комет находят достаточно хорошее объяснение на основе современных космогонических представлений, что позволяет считать Солнечную систему комплексом тел, имеющих общее происхождение.

5. Происхождение Солнечной системы

Возраст наиболее древних пород, обнаруженных в образцах лунного грунта и метеоритах, составляет примерно 4,5 млрд лет. Расчеты возраста Солнца дали близкую величину – 5 млрд лет. Принято считать, что все тела, которые в настоящее время составляют Солнечную систему, образовались примерно 4,5–5 млрд лет тому назад.

Согласно наиболее разработанной гипотезе, все они сформировались в результате эволюции огромного холодного газопылевого облака. Эта гипотеза достаточно хорошо объясняет многие особенности строения Солнечной системы, в частности, значительные различия двух групп планет.

В течение нескольких миллиардов лет само облако и входящее в его состав вещество значительно изменялись. Частицы, из которых состояло это облако, обращались вокруг Солнца по самым различным орбитам.

В результате одних столкновений частицы разрушались, а при других – объединялись в более крупные. Возникали более крупные сгустки вещества – зародыши будущих планет и других тел.

Подтверждением этих представлений можно считать и метеоритную «бомбардировку» планет – по сути, она является продолжением того процесса, который в прошлом привел к их образованию. В настоящее время, когда в межпланетном пространстве метеоритного вещества остается все меньше и меньше, этот процесс идет значительно менее интенсивно, чем на начальных стадиях формирования планет.

Вместе с тем в облаке происходили перераспределение вещества, его дифференциация. Под влиянием сильного нагрева из окрестностей Солнца улетучивались газы (в основном это самые распространенные во Вселенной – водород и гелий) и оставались лишь твердые тугоплавкие частицы. Из этого вещества сформировались Земля, ее спутник– Луна, а также другие планеты земной группы.

В процессе формирования планет и позднее на протяжении миллиардов лет в их недрах и на поверхности происходили процессы плавления, кристаллизации, окисления и другие физико-химические процессы. Это привело к существенному изменению первоначального состава и строения вещества, из которого образованы все ныне существующие тела Солнечной системы.

Вдали от Солнца на периферии облака эти летучие вещества намерзали на пылевые частицы. Относительное содержание водорода и гелия оказалось повышенным. Из этого вещества сформировались планеты-гиганты, размеры и масса которых значительно превышают планеты земной группы. Ведь объем периферийных частей облака был больше, а стало быть, больше и масса вещества, из которого образовались далекие от Солнца планеты.

Данные о природе и химическом составе спутников планет– гигантов, полученные в последние годы с помощью космических аппаратов, стали еще одним подтверждением справедливости современных представлений о происхождении тел Солнечной системы. В условиях, когда водород и гелий, ушедшие на периферию про-топланетного облака, вошли в состав планет-гигантов, их спутники оказались похожими на Луну и планеты земной группы.

Однако не все вещество протопланетного облака вошло в состав планет и их спутников. Многие сгустки его вещества остались как внутри планетной системы в виде астероидов и еще более мелких тел, так и за ее пределами в виде ядер комет.

Солнце – центральное тело Солнечной системы – является типичным представителем звезд, наиболее распространенных во Вселенной тел. Как и многие другие звезды, Солнце представляет собой огромный газовый шар, находящийся в равновесии в поле собственного тяготения.

С Земли мы видим Солнце как небольшой диск, угловой диаметр которого примерно равен 0,5°. Его край достаточно четко определяет граница того слоя, от которого приходит свет. Этот слой Солнца называется фотосферой (в переводе с греческого – сфера света).

Солнце испускает в космическое пространство колоссальный по мощности поток излучения, который в значительной мере определяет условия на поверхности планет и в межпланетном пространстве. Полная мощность излучения Солнца, его светимость составляет 4 · 1023 кВт. Земля получает всего лишь одну двухмиллиардную долю солнечного излучения. Однако и этого достаточно, чтобы приводить в движение огромные массы воздуха в земной атмосфере, управлять погодой и климатом на земном шаре.

Основные физические характеристики Солнца

Масса (M) = 2 · 1030кг.

Радиус (R) = 7 · 108м.

Средняя плотность (р) = 1,4 · 103 кг/м3.

Ускорение силы тяжести (g) = 2,7 · 102 м/с2.

На основе этих данных, используя закон всемирного тяготения и уравнение газового состояния, можно рассчитать условия внутри Солнца. Такие расчеты позволяют получить модель «спокойного» Солнца. При этом принимается, что в каждом его слое соблюдается условие гидростатического равновесия: действие сил внутреннего давления газа уравновешивается действием сил тяготения. Согласно современным данным, давление в центре Солнца достигает 2 · 108 Н/м2, а плотность вещества значительно превышает плотность твердых тел в земных условиях: 1,5 · 105 кг/м3, т. е. в 13 раз больше плотности свинца. Тем не менее применение газовых законов к веществу, находящемуся в этом состоянии, оправдано тем, что оно ионизовано. Размеры атомных ядер, потерявших свои электроны, примерно в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома. Поэтому размеры самих частиц пренебрежимо малы по сравнению с расстояниями между ними. Это условие, которому должен удовлетворять идеальный газ, для смеси ядер и электронов, составляющих вещество внутри Солнца, выполняется, несмотря на его высокую плотность. Такое состояние вещества принято называть плазмой. Ее температура в центре Солнца достигает примерно 15 млн К.

При столь высокой температуре протоны, которые преобладают в составе солнечной плазмы, имеют столь большие скорости, что могут преодолеть электростатические силы отталкивания и взаимодействовать между собой. В результате такого взаимодействия происходит термоядерная реакция: четыре протона образуют альфа-частицу – ядро гелия. Реакция сопровождается выделением определенной порции энергии – гамма-кванта. Из недр Солнца наружу эта энергия передается двумя способами: излучением, т. е. самими квантами, и конвекцией, т. е. веществом.

Выделение энергии и ее перенос определяют внутреннее строение Солнца: ядро – центральная зона, где происходят термоядерные реакции, зона передачи энергии излучением и наружная конвективная зона. Каждая из этих зон занимает примерно 1/3 солнечного радиуса (рис. 4).

Рис. 4. Строение Солнца

Следствием конвективного движения вещества в верхних слоях Солнца является своеобразный вид фотосферы – грануляция. Фотосфера как бы состоит из отдельных зерен – гранул, размеры которых составляют в среднем несколько сотен (до 1000) километров. Гранула представляет собой поток горячего газа, поднимающийся вверх. В темных промежутках между гранулами находится более холодный газ, опускающийся вниз. Каждая гранула существует всего 5-10 мин, затем на ее месте появляется новая, которая отличается от прежней по форме и размерам. Однако общая наблюдаемая картина при этом не меняется.

Фотосфера – самый нижний слой атмосферы Солнца. За счет энергии, поступающей из недр Солнца, вещество фотосферы приобретает температуру около 6000 К. Прилегающий к ней тонкий (около 10 000 км) слой называют хромосферой, выше которой на десятки радиусов Солнца простирается солнечная корона (см. рис. 4). Плотность вещества в короне по мере удаления от Солнца постепенно уменьшается, но потоки плазмы из короны (солнечный ветер) проходят через всю планетную систему. Основными составляющими солнечного ветра являются протоны и электроны, которые значительно меньше альфа-частиц (ядер гелия) и других ионов.

Как правило, в атмосфере Солнца наблюдаются многообразные проявления солнечной активности, характер протекания которых определяется поведением солнечной плазмы в магнитном поле, – пятна, вспышки, протуберанцы и т. п. Наиболее известными из них являются солнечные пятна, открытые еще в начале XVII в. во время первых наблюдений при помощи телескопа. Впоследствии оказалось, что пятна появляются в тех сравнительно небольших областях Солнца, которые выделяются очень сильными магнитными полями.

Сначала пятна наблюдаются как маленькие темные участки диаметром 2000–3000 км. Большинство из них в течение суток пропадает, однако некоторые увеличиваются в десятки раз. Такие пятна могут образовывать большие группы и существовать, меняя форму и размеры, на протяжении нескольких месяцев, т. е. нескольких оборотов Солнца. У крупных пятен вокруг наиболее темной центральной части (ее называют тень) наблюдается менее темная полутень. В центре пятна температура вещества снижается до 4300 К. Несомненно, что такое понижение температуры связано с действием магнитного поля, которое нарушает нормальную конвекцию и тем самым препятствует притоку энергии снизу.

Самыми мощными проявлениями солнечной активности являются вспышки, в процессе которых за несколько минут иногда выделяется энергия до 1025Дж (такова энергия примерно миллиарда атомных бомб). Вспышки наблюдаются как внезапные усиления яркости отдельных участков Солнца в районе пятна. По скорости протекания вспышка подобна взрыву. Продолжительность сильных вспышек в среднем достигает 3 ч, а слабые длятся всего 20 мин. Вспышки также связаны с магнитными полями, которые в этой области после вспышки существенно меняются (как правило, ослабевают). За счет энергии магнитного поля плазма может нагреваться до температуры порядка 10 млн K. При этом значительно увеличивается скорость ее потоков, которая достигает 1000–1500 км/с, возрастает энергия электронов и протонов, входящих в состав плазмы. За счет этой дополнительной энергии возникает оптическое, рентгеновское, гамма– и радиоизлучение вспышек.

Потоки плазмы, образующиеся во время вспышки, через сутки-двое достигают окрестностей Земли, вызывая магнитные бури и другие геофизические явления. Например, при сильных вспышках практически прекращается слышимость радиопередач на коротких волнах по всему освещенному полушарию нашей планеты.

Наиболее крупными по своим масштабам проявлениями солнечной активности являются наблюдаемые в солнечной короне протуберанцы (см. рис. 4) – огромные по объему облака газа, масса которых может достигать миллиардов тонн. Некоторые из них («спокойные») напоминают по форме гигантские занавеси толщиной 3–5 тыс. км, высотой около 10 тыс. км и длиной до 100 тыс. км, подпираемые колоннами, по которым газ течет из короны вниз. Они медленно меняют свою форму и могут существовать в течение нескольких месяцев. Во многих случаях в протуберанцах наблюдается упорядоченное движение отдельных сгустков и струй по криволинейным траекториям, напоминающим по форме линии индукции магнитных полей. Во время вспышек отдельные части протуберанцев могут подниматься вверх со скоростью до нескольких сотен километров в секунду на огромную высоту – до 1 млн км, что превышает радиус Солнца.

Число пятен и протуберанцев, частота и мощность вспышек на Солнце меняются с определенной, хотя и не очень строгой, периодичностью – в среднем этот период составляет примерно 11,2 года. Отмечается определенная связь процессов жизнедеятельности растений и животных, состояния здоровья людей, погодно-климатических аномалий и других геофизических явлений и уровня солнечной активности. Однако механизм воздействия процессов солнечной активности на земные явления еще не вполне ясен.

7. Звезды

Наше Солнце справедливо называют типичной звездой. Но среди огромного многообразия мира звезд есть немало таких, которые очень значительно отличаются от него по своим физическим характеристикам. Поэтому более полное представление о звездах дает следующее определение:

звезда– это пространственно обособленная, гравитационно связанная, непрозрачная для излучения масса вещества, в которой в значительных масштабах происходили, происходят или будут происходить термоядерные реакции превращения водорода в гелий.

Светимость звезд. Всю информацию о звездах мы можем получить только на основе исследования приходящего от них излучения. Наиболее значительно звезды отличаются друг от друга по своей светимости (мощности излучения): некоторые излучают энергии в несколько миллионов раз больше, чем Солнце, другие – в сотни тысяч раз меньше.

Солнце кажется нам самым ярким объектом на небе только потому, что оно находится гораздо ближе всех остальных звезд. Самая близкая из них альфа Центавра расположена в 270 тыс. раз дальше от нас, чем Солнце. Если находиться на таком расстоянии от Солнца, то оно будет выглядеть примерно таким, как наиболее яркие звезды созвездия Большой Медведицы.

Удаленность звезд. Вследствие того что звезды от нас очень далеки, лишь в первой половине XIX в. удалось обнаружить их годичный параллакс и вычислить расстояние. Еще Аристотель, а затем Коперник знали, какие наблюдения за положением звезд надо провести, чтобы обнаружить их смещение в том случае, если Земля движется. Для этого необходимо наблюдать положение какой-либо звезды из двух диаметрально противоположных точек ее орбиты. Очевидно, что направление на эту звезду за это время изменится, причем тем больше, чем ближе к нам расположена звезда. Так что это кажущееся (параллактическое) смещение звезды будет служить мерой расстояния до нее.

Годичным параллаксом (р) принято называть угол, под которым со звезды виден радиус (r) земной орбиты, перпендикулярный лучу зрения (рис. 5). Этот угол столь мал (менее 1 "), что ни Аристотелю, ни Копернику его обнаружить и измерить не удалось, поскольку они вели наблюдения без оптических приборов.

Рис. 5. Годичный параллакс звезд

Единицами расстояний до звезд являются парсек и световой год.

Парсек – это такое расстояние, на котором параллакс звезд равен 1 ". Отсюда и название этой единицы: пар – от слова «параллакс», сек – от слова «секунда».

Световой год – это такое расстояние, которое свет, распространяясь со скоростью 300 000 км/с, проходит за 1 год.

1 пк (парсек) = 3,26 светового года.

Определив расстояние до звезды и количество приходящего от нее излучения, можно вычислить ее светимость.

Если расположить звезды на диаграмме в соответствии с их светимостью и температурой, то окажется, что по этим характеристикам можно выделить несколько типов (последовательностей) звезд (рис. 6): сверхгиганты, гиганты, главная последовательность, белые карлики и т. д. Наше Солнце вместе со многими другими звездами относится к числу звезд главной последовательности.

Рис. 6. Диаграмма «температура – светимость» для ближайших звезд

Температура звезд. Температуру наружных слоев звезды, от которых приходит излучение, можно определить по спектру. Как известно, цвет нагретого тела зависит от его температуры. Иначе говоря, положение длины волны, на которую приходится максимум излучения, с повышением температуры смещается от красного к фиолетовому концу спектра. Следовательно, по распределению энергии в спектре можно определить температуру наружных слоев звезды. Как оказалось, эта температура для различных типов звезд заключена в пределах от 2500 до 50 000 K.

По известной светимости и температуре звезды можно рассчитать площадь ее светящейся поверхности и тем самым определить ее размеры. Оказалось, что гигантские звезды в сотни раз превосходят Солнце по диаметру, а звезды-карлики в десятки и сотни раз меньше него.

Масса звезд. В то же время по массе, которая является важнейшей характеристикой звезд, они отличаются от Солнца незначительно. Среди звезд нет таких, которые имели бы массу в 100 раз больше Солнца, и таких, у которых масса в 10 раз меньше, чем у Солнца.

В зависимости от массы и размеров звезд они различаются по своему внутреннему строению, хотя все имеют примерно одинаковый химический состав (95–98 % их массы составляют водород и гелий).

Солнце существует уже несколько миллиардов лет и мало изменилось за это время, поскольку в его недрах все еще происходят термоядерные реакции, в результате которых из четырех протонов (ядер водорода) образуется альфа-частица (ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов). Более массивные звезды расходуют запасы водорода значительно быстрее (за десятки миллионов лет). После «выгорания» водорода начинаются реакции между ядрами гелия с образованием устойчивого изотопа углерод-12, а также другие реакции, продуктами которых являются кислород и ряд более тяжелых элементов (натрий, сера, магний и т. д.). Таким образом, в недрах звезд образуются ядра многих химических элементов, вплоть до железа.

Образование из ядер железа ядер более тяжелых элементов может происходить только с поглощением энергии, поэтому дальнейшие термоядерные реакции прекращаются. У наиболее массивных звезд в этот момент происходят катастрофические явления: сначала стремительное сжатие (коллапс), а затем мощный взрыв. В результате звезда сначала значительно увеличивается в размерах, ее яркость возрастает в десятки миллионов раз, а затем сбрасывает в космическое пространство внешние слои. Это явление наблюдается как вспышка сверхновой звезды, на месте которой остается небольшая быстровращающаяся нейтронная звезда – пульсар.

Итак, мы знаем теперь, что все элементы, которые входят в состав нашей планеты и всего живого на ней, образовались в результате термоядерных реакций, идущих в звездах. Поэтому звезды являются не только самыми распространенными во Вселенной объектами, но и самыми важными для понимания явлений и процессов, происходящих на Земле и за ее пределами.

8. Наша Галактика

Практически все объекты, видимые невооруженным глазом в Северном полушарии звездного неба, составляют единую систему небесных тел (главным образом звезд) – нашу Галактику (рис. 7).

Характерной ее деталью для земного наблюдателя является Млечный Путь, в котором уже первые наблюдения с помощью телескопа позволили различить множество слабых звезд. Как вы можете сами убедиться в любую ясную безлунную ночь, он простирается через все небо светлой белесоватой полосой клочковатой формы. Вероятно, кому-то он напомнил след от пролитого молока, а потому, наверное, не случайно термин «галактика» происходит от греческого слова galaxis, которое означает «молочный, млечный».

Не входит в состав Галактики лишь слабозаметное туманное пятно, видимое в направлении созвездия Андромеды и напоминающее по форме пламя свечи, – туманность Андромеды. Она представляет собой другую, подобную нашей, звездную систему, удаленную от нас на расстояние 2,3 млн световых лет.

Только когда в 1923 г. в этой туманности удалось различить несколько наиболее ярких звезд, ученые окончательно убедились, что это не просто туманность, а другая галактика. Это событие можно считать также и «открытием» нашей Галактики. И в дальнейшем успехи в ее исследовании во многом были связаны с изучением других галактик.

Наши знания о размерах, составе и структуре Галактики получены в основном за последние полвека. Диаметр нашей Галактики примерно 100 тыс. световых лет (около 30 тыс. парсек). Число звезд – около 150 млрд, и составляют они 98 % ее общей массы. Оставшиеся 2 % – межзвездное вещество в виде газа и пыли.

Звезды образуют различные по форме и численности объектов скопления – шаровые и рассеянные. В рассеянных скоплениях относительно немного звезд – от нескольких десятков до нескольких тысяч. Самым известным рассеянным скоплением являются Плеяды, видимые в созвездии Тельца. В том же созвездии находятся Гиады – треугольник из слабых звезд вблизи яркого Альдебарана. Часть звезд, относящихся к созвездию Большой Медведицы, также составляет рассеянное скопление. Практически все скопления этого типа видны вблизи Млечного Пути.

Шаровые звездные скопления насчитывают в своем составе сотни тысяч и даже миллионы звезд. Лишь два из них – в созвездиях Стрельца и Геркулеса – можно с трудом увидеть невооруженным глазом. Шаровые скопления распределяются в Галактике по-иному: большая часть расположена вблизи ее центра, а по мере удаления от него их концентрация в пространстве уменьшается.

Различается и «население» скоплений этих двух типов. В состав рассеянных скоплений входят главным образом звезды, относящиеся (как и Солнце) к главной последовательности. В шаровых – много красных гигантов и субгигантов.

Эти различия объясняются в настоящее время различием возраста звезд, входящих в состав скоплений разного типа, а следовательно, и возраста самих скоплений. Расчеты показали, что возраст многих рассеянных скоплений примерно 2–3 млрд лет, в то время как возраст шаровых скоплений значительно больше и может достигать 12–14 млрд лет.

Поскольку распределение в пространстве скоплений отдельных звезд разных типов и других объектов оказалось различным, стали выделять пять подсистем, образующих единую звездную систему – Галактику:

– плоскую молодую;

– плоскую старую;

– промежуточную подсистему «диск»;

– промежуточную сферическую;

– сферическую.

Рис. 7. Строение Галактики

Их расположение представлено на схеме, показывающей структуру Галактики в плоскости, перпендикулярной плоскости Млечного Пути (см. рис. 7). На рисунке указано также положение Солнца и центральной части Галактики – ее ядра, которое находится в направлении созвездия Стрельца.

Измеряя взаимное расположение звезд на небе, астрономы еще в начале XVIII в. заметили, что координаты некоторых ярких звезд (Альдебарана, Арктура и Сириуса) изменились по сравнению с теми, которые были получены в древности. Впоследствии стало очевидным, что скорости движения в пространстве у различных звезд отличаются довольно значительно. Самая «быстрая» из них, получившая название «летящая звезда Барнарда», за год перемещается по небу на 10,8 ". Это означает, что 0,5° (угловой диаметр Солнца и Луны) она проходит менее чем за 200 лет. В настоящее время эта звезда (ее звездная величина 9,7) находится в созвездии Змееносца. Большинство из 300 000 звезд, собственное движение которых измерено, меняют свое положение значительно медленнее – смещение составляет всего лишь сотые и тысячные доли угловой секунды за год. В целом же все звезды движутся вокруг центра Галактики. Солнце совершает один оборот примерно за 220 млн лет.

Существенные сведения о распределении межзвездного вещества в Галактике удалось получить благодаря развитию радиоастрономии. Во-первых, выяснилось, что межзвездный газ, основную массу которого составляет водород, образует вокруг центра Галактики ветви, имеющие спиральную форму. Такая же структура прослеживается и по некоторым типам звезд.

Поэтому наша Галактика относится к наиболее распространенному классу спиральных галактик.

Надо отметить, что межзвездное вещество существенно осложняет изучение Галактики оптическими методами. Оно распределено в объеме пространства, занятом звездами весьма неравномерно. Основная масса газа и пыли располагается вблизи плоскости Млечного Пути, где образует огромные (диаметром сотни световых лет) облака, называемые туманностями. В пространстве между облаками тоже есть вещество, хотя и в очень разреженном состоянии. Форма Млечного Пути, видимые в нем темные промежутки (самый большой из них вызывает его раздвоение, которое протянулось от созвездия Орла до созвездия Скорпиона) объясняются тем, что межзвездная пыль мешает нам видеть свет расположенных за этими облаками звезд. Именно такие облака не дают нам возможности увидеть ядро Галактики, которое можно изучать, только принимая идущие от него инфракрасное излучение и радиоволны.

В тех редких случаях, когда поблизости от газопылевого облака располагается горячая звезда, эта туманность становится светлой. Мы видим ее потому, что пыль отражает свет яркой звезды.

В Галактике наблюдаются различные типы туманностей, образование которых самым тесным образом связано с эволюцией звезд. К их числу относятся планетарные туманности, которые были названы так, поскольку в слабые телескопы они выглядят как диски далеких планет – Урана и Нептуна. Это внешние слои звезд, отделившиеся от них при сжатии ядра и превращении звезды в белого карлика. Эти оболочки расширяются и в течение нескольких десятков тысяч лет рассеиваются в космическом пространстве.

Другие туманности являются остатками вспышек сверхновых звезд. Самая известная из них – Крабовидная туманность в созвездии Тельца – результат вспышки сверхновой звезды, столь яркой, что в 1054 г. ее видели даже днем в течение 23 сут. Внутри этой туманности наблюдают пульсар, у которого с периодом его вращения, равным 0,033 с, меняется яркость в оптическом, рентгеновском и радиодиапазонах. Подобных объектов известно уже более 500.

Именно в звездах в процессе термоядерных реакций происходит образование многих химических элементов, а во время вспышек сверхновых образуются даже ядра тяжелее железа. Потерянный звездами газ с повышенным содержанием тяжелых химических элементов меняет состав межзвездного вещества, из которого впоследствии образуются звезды. Поэтому химический состав звезд «второго поколения», к числу которых принадлежит, вероятно, и наше Солнце, несколько отличается от состава старых звезд, образовавшихся ранее.

9. Строение и эволюция Вселенной

Кроме туманности Андромеды невооруженным глазом можно видеть еще две галактики: Большое и Малое Магеллановы Облака. Они видны только в Южном полушарии, поэтому европейцы узнали о них лишь после кругосветного путешествия Магеллана. Это спутники нашей Галактики, отстоящие от нее на расстоянии около 150 тыс. световых лет. На таком расстоянии звезды, подобные Солнцу, ни в телескоп, ни на фотографиях не видны. Зато в большом количестве наблюдаются горячие звезды большой светимости – сверхгиганты.

Галактики представляют собой гигантские звездные системы, в составе которых насчитывается от нескольких миллионов до нескольких триллионов звезд. Кроме того, в галактиках содержится различное (в зависимости от типа) количество межзвездного вещества (в виде газа, пыли и космических лучей).

В центральной части многих галактик располагается сгущение, которое называют ядром, где идут активные процессы, связанные с выделением энергии и выбросом вещества.

У некоторых галактик в радиодиапазоне наблюдается значительно более мощное излучение, чем в видимой области спектра. Такие объекты получили название радиогалактик. Еще более мощными источниками радиоизлучения являются квазары, которые и в оптическом диапазоне излучают больше, чем галактики. Квазары – это самые удаленные от нас известные во Вселенной объекты. Некоторые из них находятся на огромных расстояниях, превышающих 5 млрд световых лет.

По-видимому, квазары представляют собой чрезвычайно активные ядра галактик. Находящиеся вокруг ядра звезды неразличимы, поскольку квазары очень далеки, а их большая яркость не позволяет обнаружить слабый свет звезд.

Исследования галактик показали, что в их спектрах линии обычно бывают смещены в сторону его красного конца, т. е. в сторону более длинных волн. Это означает, что практически все галактики (за исключением нескольких самых близких) удаляются от нас.

Однако существование этого закона вовсе не означает, что галактики разбегаются от нас, от нашей Галактики как от центра. Такая же картина разбегания будет наблюдаться с любой другой галактики. А это означает, что все наблюдаемые галактики удаляются друг от друга.

Рассмотрим огромный шар (Вселенную), который состоит из отдельных точек (галактик), однородно распределенных внутри него и взаимодействующих согласно закону всемирного тяготения. Если представить себе, что в какой-то начальный момент времени галактики неподвижны относительно друг друга, то в результате взаимного притяжения они уже в следующий момент не останутся неподвижными и начнут сближаться. Следовательно, Вселенная будет сжиматься, и плотность вещества в ней станет возрастать. Если же в этот начальный момент галактики удалялись друг от друга, т. е. Вселенная расширялась, то тяготение будет уменьшать скорости их взаимного удаления. Дальнейшая судьба галактик, удаляющихся от центра шара с определенной скоростью, зависит от соотношения этой скорости со «второй космической» скоростью для шара данного радиуса и массы, который состоит из отдельных галактик.

Если скорости галактик больше второй космической, то они будут неограниченно удаляться – Вселенная будет бесконечно расширяться. Если же они меньше второй космической, то расширение Вселенной должно смениться сжатием.

На основе имеющихся данных в настоящее время невозможно сделать определенные выводы о том, по какому из этих вариантов будет происходить эволюция Вселенной. Однако можно с уверенностью сказать, что в прошлом плотность вещества во Вселенной была значительно больше, чем в настоящее время. Галактики, звезды и планеты не могли существовать как самостоятельные объекты, а вещество, из которого они теперь состоят, было качественно иным и представляло собой однородную, очень горячую и плотную среду. Ее температура превышала 10 млрд градусов, а плотность была больше плотности ядер атомов, которая составляет 1017 кг/м3. Об этом свидетельствуют не только теория, но и результаты наблюдений. Как следует из теоретических расчетов, наряду с веществом горячую Вселенную на ранних стадиях ее существования заполняли кванты электромагнитного излучения, обладавшие высокой энергией. В процессе расширения Вселенной энергия квантов уменьшалась и в настоящее время должна соответствовать 5–6 K. Это излучение, названное реликтовым, было действительно обнаружено в 1965 г.

Так было получено подтверждение теории горячей Вселенной, начальную стадию существования которой часто называют Большим взрывом. В настоящее время разработана теория, которая описывает процессы, происходившие во Вселенной с первых мгновений ее расширения. Первоначально во Вселенной не могли существовать ни атомы, ни даже сложные атомные ядра. В этих условиях происходили взаимные превращения нейтронов и протонов при их взаимодействии с другими элементарными частицами: электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино. После того как температура во Вселенной снизилась до 1 млрд градусов, энергия квантов и частиц стала недостаточной, чтобы препятствовать образованию простейших ядер атомов дейтерия, трития, гелия-3 и гелия-4. Спустя примерно 3 минуты после начала расширения Вселенной в ней установилось определенное соотношение содержания ядер водорода (примерно 70 %) и ядер гелия (около 30 %). Это соотношение затем сохранялось на протяжении миллиардов лет до тех пор, пока из этого вещества не сформировались галактики и звезды, в недрах которых вследствие термоядерных реакций стали образовываться более сложные атомные ядра. В межзвездной среде сложились условия для образования нейтральных атомов, затем молекул.

Картина эволюции Вселенной, открывшаяся перед нами, поражает воображение и удивляет. Не переставая удивляться, не следует забывать, что все это открыл человек – обитатель маленькой пылинки, затерянной в безграничных просторах Вселенной, – обитатель планеты Земля.

Список использованной литературы

1. Аруцев А.А., Ермолаев Б.В., Кутателадзе И.О., Слуцкий М. Концепции современного естествознания. С учебное пособие. М. 1999

2. Петросова Р.А., Голов В.П., Сивоглазов В.И., Страут Е.К. Естествознание и основы экологии. Учебное пособие для средних педагогических учебных заведений. М.: Дрофа, 2007, 303 стр.

3. Савченко В.Н., Смагин В.П.. НАЧАЛА СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ КОНЦЕПЦИИ И ПРИНЦИПЫ. Учебное пособие. Ростов-на-Дону. 2006.