Контрольная работа: Солнечная система

Солнце было родителем и повивальной бабкой жизни. Солнечный луч с незапамятных времен (жизнь на Земле, по подсчетам ученых, существует не менее 3 - 3,5 млрд. лет) и до сего дня непрерывно заряжает энергией машину жизни, стимулирует появление все новых жизненных форм, эволюцию живого против энтропии - в направлении создания более сложных и совершенных живых существ.

В своей преобразующей деятельности человечество использует почти исключительно энергию солнечного света, законсервированную в нефти, каменном угле, газе, древесине, в энергии ветра и падающей воды. Все в более широких масштабах оно начинает использовать и непосредственно энергию солнечного света для опреснения воды, получения электроэнергии и т.п. Солнечные батареи обеспечивают энергией спутники Земли, космические корабли и автоматические станции, исследующие Луну, Венеру, Марс. Энергия солнечных лучей будет служить людям и при более далеких и продолжительных космических полетах, и при создании внеземных поселений. Земная жизнь, с первых своих шагов связанная с солнечным светом неразрывными узами, сохранит и преумножит эти связи и в будущем, когда, покинув свою земную колыбель, человечество в соответствии с гениальным предвидением К.Э. Циолковского приступит к планомерному завоеванию околосолнечного пространства.

Цель данного исследования рассмотреть эволюцию солнечной системы.

Возраст Солнца оценивается большинством астрофизиков примерно в 4,59 миллиарда лет. Его относят к средним или даже малым по величине звездам - такие звезды существуют дольше, чем их более крупные и быстро выгорающие сестры.

1. Эволюция солнечной системы

Извечный вопрос о началах и до сих пор является ключевым для многих наук, не говоря уже о философии. В случае с астрофизикой, астрономией, геологией от ответа на вопрос о происхождении Земли, планет, звезд, Солнца и Солнечной системы, галактик или всей Вселенной в целом зависит построение всех прочих теорий. Вопрос о возникновении и эволюции Земли одновременно и древний, и современный. Здесь никак не получится ограничиться ответом "вначале было Слово"; доказательства же или опровержения теорий о происхождении появились относительно недавно - в частности, когда были подвергнуты химическому анализу образцы метеоритов, попавших на Землю, и когда удалось увидеть в мощные телескопы газопылевые туманности других звезд.

Происхождение Солнца, Земли и других планет Солнечной системы, с одной стороны, заставляет предположить, что наш "случай" не уникален: во Вселенной есть множество звезд, в том числе и спектрального класса G, вокруг которых из газопылевых туманностей вполне могут образоваться планеты. Последние открытия, касающиеся экзопланет (среди особенно вдохновляющих - открытие планет, похожих на Землю, вокруг звезды Глизе 581, и обнаружение органических соединений на HD 189733b) [1], показывают, что условия, схожие с земными, могут появиться и на других участках Вселенной. Однако для создания схожих условий требуется множество совпадений, а некоторые особенности Солнечной системы и её истории вряд ли можно назвать типическими и закономерными. Например, для того, чтобы на планете успела зародиться и эволюционировать жизнь, материнская звезда должна быть относительно спокойной и не слишком большой - жизнь крупных звезд гораздо короче, чем средних. Планета, подобная Земле, должна находиться в зоне возможной жизни своей звезды (Habitable zone) - то есть там, где её среднегодовая температура будет около нуля градусов, что даст возможность существованию воды в жидком виде. Орбита её, как и орбиты всех остальных планет системы, должна быть близкой к окружности - кстати сказать, малая величина эксцентриситета орибиты - скорее исключение, чем правило. Предпочтительно, чтобы планета не была обращена к материнской звезде лишь одной стороной, что вызывает чрезмерный перегрев одной стороны и охлаждение другой, а следовательно, сильнейшие ветры - как это вполне может происходить на "близнеце" Земли у звезды Глизе 581.

В плане создания благоприятных для жизни условий происхождение и эволюция Солнечной системы уникальны. Исследуя другие планетные системы, находящиеся на разных этапах своего развития, несложно выявить немало особенностей её генезиса.

Используя существующие в планетной материи различия, ученые моделируют разнообразные эволюционные условия, процессы и события в ранней солнечной туманности, в результате которых могло возникнуть такое разнообразие объектов современной Солнечной системы. Для получения максимально надежных результатов необходимо знать точный состав исходной солнечной туманности. И здесь исследователям может помочь само Солнце, которое содержит 99% всей материи Солнечной системы. [2] И хотя самые глубокие его недра изменены ядерными реакциями, внешние слои состоят почти из той же самой материи, которую имела начальная солнечная туманность. Химический состав атмосферы Солнца достаточно хорошо известен из спектрального анализа, но точное количество большинства элементов и почти всех изотопов пока еще неизвестно.

Для тщательного изучения химического и изотопного состава солнечного вещества в земных лабораториях нельзя взять его пробы прямо с поверхности, как это делается при изучении планет и метеоритов, потому что поверхность Солнца - это турбулентная среда с температурой около 6 000°С, однако можно собрать солнечный материал, "вытекающий" из Солнца в межпланетное пространство, называемый солнечным ветром. Сделать это можно с помощью космического аппарата, размещенного вне земного магнитного поля, способного захватить образцы солнечного ветра и доставить их на Землю. Сравнивая же химический состав и обилие изотопов солнечного ветра с уже известным планетарным составом, можно добыть еще один кусочек знаний для решения головоломки под названием "Происхождение Солнечной системы и ее эволюция".

Международная команда астрономов открыла уменьшенную копию Солнечной системы на расстоянии в 5 тыс. световых лет от нас, сообщает EurekAlert.

В обнаруженной системе всего две газовые планеты, подобные нашим Юпитеру и Сатурну, но составляющие примерно 80% их размера. Они вращаются вокруг звезды OGLE-2006-BLG-109L, которая примерно вполовину меньше Солнца. По сравнению с ним, звезда очень холодна и ее яркость составляет всего 5% от солнечной. Однако температура поверхности планет такая же, как на Юпитере и Сатурне, поскольку они находятся ближе к своей звезде, чем Юпитер и Сатурн к Солнцу.

В настоящее время большинство ученых, занимающихся вопросами происхождения Солнечной системы и, в частности, Земли, то есть космогонией, придерживаются теории, созданной Отто Юльевичем Шмидтом[3] (1891-1956) в 1950-е годы и модифицированной его последователями. В соответствии с ней планеты и другие тела образовались в газово-пылевом протопланетном облаке, имевшем форму диска и вращавшемся вокруг Солнца. Если во времена Шмидта газово-пылевой диск был не более чем гипотезой, в последние десятилетия такие диски открыты у многих молодых звезд типа τ Тельца, и у некоторых звезд главной последовательности. Так, согласно недавним наблюдениям американских ученых Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, на орбитах звезд в скоплении Плеяд как раз сейчас может идти процесс образования планет из такого облака. Например, вокруг звезды HD23514 обращается в сотни тысяч раз больше пыли, нежели вокруг Солнца.

Правда, вызывает разногласия происхождение такой туманности: со времен Канта (Immanuel Kant, 1724-1804) и Лапласа (Pierre-Simon, marquis de Laplace, 1749-1827) считалось, что Солнце и планеты были образованы из одного и того же облака. Однако различный их состав, а главное, несоответствие массы Солнца и планет и количества их движения противоречит такой гипотезе. Шмидт выдвинул "гипотезу захвата", согласно которой Солнце "ворует" вещество для протопланетного облака во время встречи с галактической темной туманностью, состоящей из пыли или метеоритов.

Но открытия второй половины ХХ века заставили уточнить эту гипотезу. По самым последним данным, Солнечная система появилась в результате воздействия звёздного ветра, исходящего от массивной звезды, а, например, не от газопылевого облака взорвавшейся соседней сверхновой. На таком выводе настаивает Мартин Бидзарро (Martin Bizzarro) из университета Копенгагена (University of Copenhagen) после проведения анализа изотопного состава нескольких метеоритов (в частности, содержания в них железа-60 и алюминия-26), образовавшихся в разные периоды формирования нашей системы.

По образовавшемуся протопланетному диску бегут звуковые волны - это следующий этап эволюции Солнечной системы. Из-за них в диске возникают сгущения, постепенно они уплотняются и превращаются в рой твердых тел - планетезималей, которые впоследствии послужили строительным материалом для планет. Самые крупные планетезимали становились их "зародышами". Система формировалась довольно быстро, причем из-за особенностей гравитационного взаимодействия скорость формирования планет почти не зависела от расстояния до Солнца: близкая к нему Земля нарастила 98% своей массы за 108 лет, а более удаленные Уран и Нептун - за 109.

Эволюция гигантских Юпитера и Сатурна, содержащих в себе 82% массы всех планет, отличается от остальных: скорее всего, их рост шел в два этапа. Сначала шла аккумуляция ядер планет из твердых частиц - как у планет земной группы, а затем аккреция (присоединение) газа. Юпитер рос довольно быстро - 107 лет - он успел быстро поглотить газы из допланетного диска до того, как ультрафиолетовое и корпускулярное излучение Солнца рассеяло их в пространстве. Кроме того, как раз на расстоянии орбиты Юпитера (5,2 а. е) в диске находился фронт конденсации водяного льда - именно из-за конденсации льдов воды и других летучих веществ рост планетезималей в районе Юпитера мог опережать рост более близких к Солнцу тел.

С быстрым ростом крупного Юпитера связана ещё одна любопытная особенность. Как известно, между орбитами Марса и Юпитера расположено много астероидов и других небольших тел, обращающихся вокруг Солнца на том расстоянии, где должна была бы находиться большая планета, согласно правилу Тициуса-Боде. Эти факты привели к появлению гипотезе о Фаэтоне - планете, якобы существовавшей между Юпитером и Марсом и разрушенной в результате столкновения с неким астрономическим телом или от гравитационного воздействия самого Юпитера. Гипотеза эта, однако, не только не подтвердилась, но была заменена на обратную: не планета была раздроблена гравитационным полем Юпитера, а, наоборот, астероиды не смогли сформироваться в единую планету (сам Шмидт писал об этом ещё в 1954 году). Формированию препятствовали возмущения Юпитера и других крупных тел из зоны питания, а также увеличение хаотических скоростей планетезималей, которые, залетая в зону астероидов и будучи крупнее последних, выталкивали их и создавали возмущения, тем самым замедляя их рост. [4]

Возвращаясь к Земле, надо заметить, что её рост (как и рост остальных планет земной группы) в основном проходил уже при отсутствии газа протопланетного облака, а атмосфера и гидросфера выделялись при дегазации первоначально твердых планетезималей, которые попадали на нее с периферии Солнечной системы.

Многолетние геологические исследования показывают: Земля никак не могла образоваться из раскаленного газового сгустка и никогда не была расплавленной. В своей "юности" она, сформировавшись из холодных планетезималей, была холодной. Один из современных последователей Шмидта астрогеофизик Виктор Сергеевич Сафронов (1917-1999) привел доказательства тому, что она также была однородной по составу и тектонически пассивной планетой. Изучение дальнейшей истории Земли как астрономического тела тесно связано, как ни странно на первый взгляд, с изучением её геологии и геохимии. [5]

Сафронов утверждал, что впервые плавление земных недр на уровне верхней мантии произошло под влиянием лунных приливов и распада радиоактивных элементов только через 600 млн. лет после образования Земли. Более того, этот момент он связывает с началом базальтового магматизма на Луне около 4 млрд. лет назад и появлением наидревнейших пород земной коры около 3,8 млрд. лет назад. Тогда же началось и разделение земного вещества по плотности; выделялось железо и его оксиды, образовавшие позже земное ядро. Ядро обособилось только в самом конце архея (около 2,6 млрд. лет назад), но процесс выделения земного ядра продолжается и в настоящее время.

Нагревание Земли происходило не в последнюю очередь и из-за ударов крупных планетезималей, энергия которых частично накапливалась на глубине ударных кратеров, а также от тепла радиоактивных источников и сжатия недр под давлением вышележащих слоев.

Эволюцию Земли невозможно рассматривать без её спутника - Луны. Существует несколько гипотез возникновения и эволюции Луны - в частности, гипотеза мегаимпакта, согласно которой околоземный диск образовался при столкновении Земли с крупным допланетным телом, в 1,5-2 раза более массивным, чем Марс.

Согласно другой теории, Луна образовалась за счет разрушения расплавленной и прошедшей полную дифференциацию (в отличие от холодной Земли) более массивной планеты, условно названной Протолуной (вероятнее всего, Протолуна была захвачена растущей Землей с соседней ближайшей орбиты протопланетного диска).

Протолуна, в отличие от Земли, расплавилась в процессе своего образования. Если бы то же произошло с Землей, у нее сформировалось бы металлическое ядро и мощная кора, состоящая из анортозита - кристаллически-зернистой породы. В нее перешла бы большая часть радиоактивных элементов, тем самым лишив Землю источника внутреннего тепла. В результате этого Земля, подобно Луне, превратилась бы в тектонически мертвую планету. Кроме того, при плавлении Земли произошла бы быстрая и полная дегазация её недр с образованием плотной углекислотной атмосферы с давлением около 100 атмосфер, и, как следствие - необратимый парниковый эффект со средними температурами в 550-600 °C, отсутствием воды в жидкой фазе и, следовательно, жизни в нашем понимании (то есть, Земля была бы очень похожа на современную Венеру).

Подобные предположения лишний раз доказывают, что даже небольшое отклонение в развитии Земли как планеты привело бы к тому, что органическая жизнь на ней могла бы и не появиться.

Однако какими бы ни были гипотезы возникновения Луны, влияние её на земную жизнь неоспоримо. Взаимодействие же в системе Земля-Луна в ранние геологические эпохи было значительно более сильным. Сафронов в своих исследованиях даже высчитывает время тектономагматической активности Земли по возрасту лунных пород.

Эволюция Солнечной системы продолжается; впрочем, продолжительность человеческой жизни несоизмерима с геологическими и тем более с астрономическими периодами, поэтому изменения в них мы почти не успеваем заметить. Однако именно последние десятилетия и даже годы помогли внести ясность в вопрос о происхождении Земли и её природе как астрономического тела. [6] Большую роль тут сыграли новейшие технологические удачи, позволившие радикальным образом усовершенствовать методы наблюдательной астрономии. Так, планетологи NASA возлагают большие ожидания на космический аппарат Dawn, отправившийся в конце прошлого года к астероиду Весте и карликовой планете Церере из пояса астероидов. Считается, что их исследование поможет прояснить детали происхождения и других астрономических тел и даже "переписать учебники астрономии". Другой космический аппарат "Cassini" исследует в настоящее время Сатурн и его спутники.

Создается впечатление, что мы живем в очень интересное время: создаваемые веками гипотезы и теории возникновения планет и систем, подобных и не подобных Солнечной, с помощью современных телескопов и технологий наблюдений, могут быть оспорены или подтверждены - доказательно.

Заключение

Солнце пока успело израсходовать меньше половины имевшегося в нем водорода: из доли в 70,6 процента от первоначальной массы солнечного вещества осталось 36,3. В ходе термоядерных реакций водород внутри Солнца превращается в гелий.

Для того чтобы пошла реакция термоядерного синтеза, необходимы высокая температура и высокое давление. Ядра водорода представляют собой протоны - элементарные частицы с положительным зарядом, между ними действует сила электростатического отталкивания, мешающая им сближаться. Но внутри действуют также значительные силы всемирного притяжения, которые мешают протонам разлетаться. Напротив, они прижимают протоны настолько близко друг к другу, что начинается ядерный синтез. Часть протонов при этом превращается в нейтроны, и силы электростатического отталкивания ослабевают; в результате светимость Солнца повышается. По оценкам ученых, на начальном этапе существования Солнца его светимость составляла только 70 процентов от того, что оно излучает сегодня, и в последующие 6,5 миллиардов лет светимость звезды будет только расти.

В одной из конкурирующих теорий предполагается, что основным элементом в солнечном ядре является вовсе не водород, а железо, никель, кислород, кремний и сера. Легкие элементы - водород и гелий - присутствуют только на поверхности Солнца, и реакция синтеза облегчается благодаря большому количеству нейтронов, излучаемых ядром.

Какая из теорий ни была бы справедлива, "солнечное горючее" рано или поздно будет кончаться. Из-за недостатка водорода термоядерные реакции начнут приостанавливаться, и равновесие между ними и силами притяжения нарушится, отчего внешние слои прижмутся к ядру. От сжатия концентрация оставшегося водорода повысится, ядерные реакции усилятся, и ядро начнет расширяться. Общепринятая теория предсказывает, что в возрасте 7,5-8 миллиардов лет (то есть через 4-5 миллиардов лет) Солнце превратится в красного гиганта: его диаметр увеличится более чем в сто раз, так что орбиты первых трех планет Солнечной системы окажутся внутри звезды. Ядро очень горячее, а температура оболочки гигантов небольшая (около 3000 градусов) - и поэтому красного цвета.

Характерной особенностью красного гиганта можно считать то, что водород уже больше не может служить "горючим" для ядерных реакций внутри него. Теперь начинает "гореть" уже гелий, скопившийся там в больших количествах. При этом образуются неустойчивые изотопы бериллия, которые при бомбардировке их альфа-частицами (то есть теми же ядрами гелия) превращаются в углерод.

Именно на этом жизнь на Земле, да и сама Земля, скорее всего, уже гарантированно прекратит свое существование. Даже той невысокой температуры, которую на тот момент будет иметь солнечная периферия, хватит, чтобы наша планета полностью испарилась.

Конечно же, человечество в целом, как каждый человек по отдельности, надеется на вечную жизнь. Момент превращения Солнца в красного гиганта накладывает на эту мечту определенные ограничения: подобную катастрофу человечеству если и удастся пережить, то только за пределами своей колыбели.

Но уместно тут напомнить, что один из крупнейших физиков современности Стивен Хокинг (Stephen Hawking) уже давно утверждает: момент, когда единственным способом выжить для человечества станет колонизация других планет, уже почти настал. Внутриземные причины сделают эту колыбель невозможной для обитания гораздо раньше, чем что-то плохое случится с Солнцем.

Список используемой литературы

1.  Дагаев М.М., Лабораторный практикум по курсу общей астрономии, “Высшая школа”, 1972

2.  Демин В.Г., Судьба Солнечной системы, “Наука”, 1975.

3.  Вуд Дж., Метеориты и происхождение Солнечной системы, “Мир”, 1971.

4.  Гинзбург В.Л., Как устроена Вселенная и как она развивается во времена, “Знание”, 1968.

5.  Ефремов Ю.Н., В глубины Вселенной, изд.2-е, “Наука”, 1977.

6.  Жарков В.Н., Внутреннее строение Земли, Луны и планет, “Знание”, 1973.

7.  Мельников О.А., Слюсарев Г.Г., Марков А.В., Купревич Н.Ф., Современный телескоп, “Наука”, 1968.

8.  Мартынов Д.Я., Планеты, решенные и нерешенные проблемы, “Наука”, 1970.

9.  Пикельнер С.Б., Солнце, Физматгиз, 1961.

10.  Рябов Ю.А., Движения небесных тел, изд.2-е, Физматгиз, 1962

11.  Струве О., Линдс Б., Пилланс Э., Элементарная астрономия; “Наука”, 1964.

12.  Шкловский И.С., Вселенная, жизнь, разум, изд.4-е, “Наука”, 1976.

13.  Шкловский И.С., Звезды: их рождение, жизнь и смерть, “Наука”, 1975.

[1] Пикельнер С.Б., Солнце, Физматгиз, 1961.,стр.124

[2] Рябов Ю.А., Движения небесных тел, изд. 2-е, Физматгиз, 1962, стр.215.

[3] Вуд Дж., Метеориты и происхождение Солнечной системы, “Мир”, 1971. стр.112.

[4] Жарков В.Н., Внутреннее строение Земли, Луны и планет, “Знание”, 1973., стр.69

[5] Жарков В.Н., Внутреннее строение Земли, Луны и планет, “Знание”, 1973., стр.35

[6] Гинзбург В.Л., Как устроена Вселенная и как она развивается во времена, “Знание”, 1968.,стр.254.