Гипотезы возникновения Солнечной системы. Строение Солнечной системы. Возраст Земли

Предполагается, что в недрах Солнца при огромных температурах — около 15 млн. градусов — и гигантском давлении протекают термоядерные реакции синтеза, сопровождающиеся выделением чрезвычайно большого количества энергии. Одной из возможных реакций может быть синтез ядер водорода, при котором образуются ядра атома гелия.

Подсчитано, что в каждую секунду в недрах Солнца 564 млн. т водорода преобразуются в 560 млн. т гелия, а остальные 4 млн. т водорода превращаются в излучение. Термоядерная реакция не прекратится до тех пор, пока не иссякнут запасы водорода, составляющие в настоящее время около 60% массы Солнца. Таких запасов должно хватить, по меньшей мере, на несколько миллиардов лет.

Почти вся энергия Солнца выделяется в его центральной части, откуда переносится излучением и во внешний слой передается конвекцией. Эффективная температура поверхности Солнца — фотосферы — около 6000 К. Солнце — источник не только света и тепла: его поверхность излучает потоки невидимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, а также элементарных частиц. Интенсивность невидимых излучений существенно меняется и зависит от уровня солнечной активности. Наблюдаются циклы солнечной активности с периодом в 11 лет. В годы наибольшей активности увеличивается число пятен и вспышек на поверхности Солнца, на Земле возникают магнитные бури, усиливается ионизация верхних слоев атмосферы и т.д. Солнце оказывает заметное влияние не только на такие природные процессы, как погода, земной магнетизм, но и на биосферу, включающую животный и растительный мир Земли, в том числе и на человека.

Жизненный цикл Солнца. Солнце является молодой звездой третьего поколения с высоким содержанием металлов, то есть оно образовалось из останков звёзд первого и второго поколений. Одна из распространенных теорий возникновения Солнечной системы предполагает, что её формирование было вызвано взрывами одной или нескольких сверхновых звезд[7]. Текущий возраст Солнца, оценённый с помощью компьютерных моделей звёздной эволюции, равен приблизительно 4,57 миллиарда лет.

Звезда такой массы, как Солнце, должна существовать на главной последовательности в общей сложности примерно 10 миллиардов лет. Таким образом, сейчас Солнце находится примерно в середине своего жизненного цикла. На современном этапе в солнечном ядре идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Каждую секунду в ядре Солнца около 4 миллионов тонн вещества превращается в лучистую энергию, в результате чего генерируется солнечное излучение и поток солнечных нейтрино.

Масса Солнца недостаточна для того, чтобы его эволюция завершилась взрывом сверхновой. Вместо этого, через 4—5 миллиардов лет оно превратится в звезду типа красный гигант. По мере того, как водородное топливо в ядре будет выгорать, его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро — сжиматься и нагреваться. Примерно через 7,8 миллиарда лет, когда температура в ядре достигнет приблизительно 100 миллионов градусов, в нём начнётся термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. На этой фазе развития температурные неустойчивости внутри Солнца приведут к тому, что оно начнёт терять массу и сбрасывать оболочку. По-видимому, расширяющиеся внешние слои Солнца в это время достигнут современной орбиты Земли. При этом исследования показывают, что ещё до этого момента потеря Солнцем массы приведёт к тому, что Земля перейдёт на более далёкую от Солнца орбиту и, таким образом, избежит поглощения внешними слоями солнечной плазмы.

Несмотря на это, вся вода на Земле перейдёт в газообразное состояние, а большая часть её атмосферы рассеется в космическое пространство. Увеличение температуры Солнца в этот период таково, что в течение следующих 500—700 миллионов лет поверхность Земли будет слишком горяча для того, чтобы на ней могла существовать жизнь в её современном понимании. После того, как Солнце пройдёт фазу красного гиганта, термические пульсации приведут к тому, что его внешняя оболочка будет сорвана и из неё образуется планетарная туманность. В центре этой туманности останется сформированная из очень горячего ядра Солнца звезда типа белый карлик, которая в течение многих миллиардов лет будет постепенно остывать и угасать.

Луна. Подобно тому, как Земля обращается вокруг Солнца, вокруг Земли движется Луна — естественный спутник нашей планеты. Луна меньше Земли, ее диаметр составляет около одной четверти земного диаметра, а масса в 81 раз меньше массы Земли. Поэтому сила тяготения на Луне примерно в 6 раз меньше, чем на нашей планете. Слабая сила притяжения не позволила Луне удержать плотную, как на Земле, атмосферу и сохранить на ее поверхности воду.

Луна покрыта рыхлым слоем реголита, состоящего из фракций магматических пород. Минералогический состав лунных пород близок к земным породам — базальтам. Лунные породы отличаются от земных по содержанию оксидов, железа (более 25%) и титана (до 13%). Рельеф Луны образуют горные хребты, кольцевые горы-кратеры и равнинные области, называемые морями, на которых наблюдаются отдельные мелкие кратеры метеоритного происхождения.

В 1959 г. поверхности Луны впервые достигла советская автоматическая станция «Луна-2». С того времени начался новый этап ее исследования. Получена интересная информация о составе и структуре лунных пород. По предварительным оценкам, возраст лунных пород — 2,6—4 млрд. лет. Температура лунной поверхности днём накаляется до +120 °C, а ночью или даже в тени она остывает до −160 °C. Луна находится на среднем расстоянии от Земли 384 400 км. Преодолев такое огромное расстояние, 21 июля 1969 г. американский астронавт Н. Армстронг впервые ступил на поверхность Луны – сбылась давняя мечта человечества.  

Влияние Луны на жизнь на Земле. Гравитационное притяжение между Землей и Луной является причиной земных приливов и отливов. Аналогичный эффект на Луне проявляется в том, что она постоянно обращена к Земле одной и той же стороной (период оборота Луны вокруг своей оси равен периоду её оборота вокруг Земли). Это называется приливной синхронизацией. Во время обращения Луны вокруг Земли Солнце освещает различные участки поверхности спутника, что проявляется в явлении лунных фаз: тёмная часть поверхности отделяется от светлой терминатором (линия светораздела, отделяющая освещённую часть от неосвещённой.

Из-за приливной синхронизации Луна удаляется от Земли примерно на 38 мм в год. Через миллионы лет это крошечное изменение, а также увеличение земного дня на 23 мкс в год, приведут к значительным изменениям. Так, например, в Девонский период (примерно 410 млн лет назад) в году было 400 дней, а сутки длились 21,8 часа.

Луна может существенно повлиять на развитие жизни путём изменения климата на планете. Палеонтологические находки и компьютерные модели показывают, что наклон земной оси стабилизируется приливной синхронизацией Земли с Луной. Некоторые теоретики считают, что без этой стабилизации, действующей против вращающего момента со стороны Солнца и планет на экваториальную выпуклость Земли, ось вращения была бы хаотична и нестабильна, как, например, у Марса. Если бы ось вращения Земли приблизилась к плоскости эклиптики, то в результате климат на планете стал бы чрезвычайно суровым. Один из полюсов был бы направлен прямо на Солнце, а другой — в противоположную сторону, и по мере обращения Земли вокруг Солнца они менялись бы местами. Полюсы были бы направлены прямо на Солнце летом и зимой. Планетологи, изучавшие такую ситуацию, утверждают, что, в таком случае, на Земле вымерли бы все крупные животные и высшие растения. Однако, это спорная тема, и дальнейшие исследования Марса, у которого сходные с земными период обращения и наклон оси, но нет такой большой Луны и жидкого ядра, могут разрешить этот вопрос.

Наиболее распространённая теория происхождения Луны, Теория гигантского столкновения, утверждает, что 4,57 миллиарда лет назад протопланета Земля (Гея) столкнулась с протопланетой Тейя. Удар пришёлся не по центру, а под углом (почти по касательной). В результате большая часть вещества ударившегося объекта и часть вещества земной мантии были выброшены на околоземную орбиту. Из этих обломков собралась прото-Луна и стала обращаться по орбите с радиусом около 60 000 км. Земля, в результате удара, получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения. Эта гипотеза, среди прочего, объясняет причины сходства и различия состава лунного грунта и земного.

Планеты земной группы. Планеты этой группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс состоят преимущественно из тяжёлых элементов, имеют малое количество (0—2) спутников, у них отсутствуют кольца. В значительной степени они состоят из тугоплавких минералов, таких как силикаты, которые формируют их мантию и кору; и металлов, таких как железо и никель, которые формируют их ядро. У трёх внутренних планет — Венеры, Земли и Марса — имеется атмосфера; у всех имеются ударные кратеры и тектонические черты поверхности, такие как рифтовые впадины и вулканы.

Таблица 1.1. Планеты земной группы существенно отличаются друг от друга составом атмосферы и физическими параметрами у поверхности.

Меркурий является ближайшей планетой к Солнцу и наименьшей планетой системы (0,055 массы Земли). У Меркурия нет спутников, а его единственными известными геологическими особенностями, помимо ударных кратеров, являются многочисленные зубчатые откосы, простирающихся на сотни километров — эскарпы, возникшие, вероятно, во время приливных деформаций на раннем этапе истории планеты во время, когда его периоды обращения вокруг оси и вокруг Солнца не вошли в резонанс. Меркурий имеет крайне разреженную атмосферу, она состоит из атомов, «выбитых» с поверхности планеты солнечным ветром.

Венера близка по размеру к Земле (0,815 земной массы) и, как и Земля, имеет толстую силикатную оболочку вокруг железного ядра и атмосферу. Имеются также свидетельства её внутренней геологической активности. Однако количество воды на Венере гораздо меньше земного, а её атмосфера в девяносто раз плотнее. У Венеры нет спутников. Это самая горячая планета, температура её поверхности превышает 700 °C. Наиболее вероятной причиной столь высокой температуры является парниковый эффект, возникающий из-за плотной атмосферы, богатой углекислым газом.

Земля является крупнейшей и самой плотной из внутренних планет. У Земли наблюдается тектоника плит. Вопрос о наличии жизни где-либо, кроме Земли, остаётся открытым. Однако среди планет земной группы Земля является уникальной (прежде всего — гидросферой). Атмосфера Земли радикально отличается от атмосфер других планет — она содержит свободный кислород. У Земли есть один естественный спутник — Луна, единственный большой спутник планет земной группы Солнечной системы.

Марс меньше Земли и Венеры (0,107 массы Земли). Он обладает атмосферой, состоящей главным образом из углекислого газа, с поверхностным давлением 6,1 мбар (0,6 % от земного). На его поверхности есть вулканы, самый большой из которых, Олимп, превышает размерами все земные вулканы, достигая высоты 21,2 км. Рифтовые впадины (долина Маринера) наряду с вулканами свидетельствуют о прошлой геологической активности, которая, по современным данным, окончилась около 2 млн лет назад. Красный цвет поверхности Марса вызван большим количеством оксида железа в его грунте. У планеты есть два спутника — Фобос и Деймос.

Таблица 1.2. Среднее расстояние в таблице дано в астрономических единицах (а.е.); 1 а.е. равна среднему расстоянию Земли от Солнца (1 а.е.= 1,5 • 108 км).

Планеты - гиганты. Внешняя область Солнечной системы является домом газовых гигантов и их спутников. Орбиты многих короткопериодических комет, включая кентавров[8], также проходят в этой области. Твёрдые объекты этой области из-за их большего расстояния от Солнца, а значит, гораздо более низкой температуры, содержат льды воды, аммиака и метана.

Четыре планеты-гиганта Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, также называемые газовыми гигантами, все вместе содержат 99 % массы вещества, обращающегося на орбитах вокруг Солнца. Юпитер и Сатурн преимущественно состоят из водорода и гелия; Уран и Нептун обладают большим содержанием льда в их составе. Некоторые астрономы из-за этого классифицируют их в собственной категории — «ледяные гиганты». У всех четырёх газовых гигантов имеются кольца, хотя только кольцевая система Сатурна легко наблюдается с Земли.

Юпитер — пятая по удалению от Солнца и самая большая планета Солнечной системы — находится на среднем расстоянии от Солнца 5,2 а.е., обладает массой в 318 масс Земли, что в 2,5 раза массивнее всех остальных планет, вместе взятых. Юпитер состоит главным образом из водорода и гелия. Высокая внутренняя температура Юпитера вызывает множество полупостоянных вихревых структур в его атмосфере, таких как полосы облаков и Большое красное пятно[9].

Юпитер является мощным источником теплового радиоизлучения, обладает радиационным поясом и обширной магнитосферой, имеет 63 спутника (четыре крупнейших — Ганимед, Каллисто, Ио и Европа ) и два кольца, одно из которых шириной около 60 тыс. км.

Сатурн — вторая по величине планета Солнечной системы, имеет несколько схожие с Юпитером структуру атмосферы и магнитосферы. Хотя размер Сатурна составляет 60 % юпитерианского, масса (95 масс Земли) — меньше трети юпитерианской; таким образом, Сатурн — наименее плотная планета Солнечной системы (его средняя плотность сравнима с плотностью воды).

Сатурн, известен своей обширной системой колец, которые хорошо видны в телескоп. Их впервые наблюдал в 1610 г. Галилей с помощью созданного им телескопа. Кольца представляют собой плоскую систему из мелких камней, льдинок размером до 10—20 м. Сатурн имеет 61 подтверждённый спутник (два из них — Титан и Энцелад — проявляют признаки геологической активности. Активность эта, однако, не схожа с земной, поскольку в значительной степени обусловлена активностью льда) и 2 радиационных пояса.

Уран — седьмая по порядку удаления от Солнца планета с массой в 14 масс Земли, является самой лёгкой из внешних планет. Уникальным среди других планет его делает то, что он вращается «лёжа на боку»; наклон оси его вращения к плоскости эклиптики больше девяноста градусов. Если другие планеты можно сравнить с вращающимися волчками, то Уран больше похож на катящийся шар. Он имеет намного более холодное ядро, чем другие газовые гиганты, и излучает очень немного тепла в космос. У Урана открыты 27 спутников; крупнейшие — Титания, Оберон, Умбриэль, Ариэль и Миранда.

Нептун — одна из самых удаленных от Солнца планет, имеет 13 спутников. Крупнейший — Тритон, является геологически активным, с гейзерами жидкого азота. Тритон — единственный крупный спутник, движущийся в обратном направлении. Также Нептун сопровождается астероидами, называемыми Нептунские троянцы. Нептун находится на сравнительно большом расстоянии от Земли (около 30 а. е.), что ограничивает возможность его детального исследования.