Строение и образование планет Солнечной системы

      Содержание 
 

Введение

      Окружающий  нас мир при всем его многообразии и изменчивости - не хаотическое скопление предметов и событий, а единое системное образование. В природе отчетливо просматривается многоступенчатая иерархия структурных уровней организации материи от элементарных частиц до крупномасштабных галактик. Каждый структурный уровень характеризуется специфической организацией и размерами, каждая ступень иерархической лестницы закономерно связана с другими. Благодаря взаимным связям этот огромный и разнообразный мир предстает перед нами как гармония, полная загадок и тайн. Большая их часть связана с вопросами происхождения и устройства Вселенной, строения и образования планет Солнечной системы, ответы на которые дают космология, космогония и астрономия.

      Темой данной контрольной работы является: «Строение и образование планет Солнечной системы». Прежде чем приступить к анализу вышеуказанной темы, следует дать определения основным понятиям, которые будут использоваться в работе

      Звезды  - это основные тела Вселенной, в них сосредоточено более 90 % наблюдаемого вещества¹. Солнце - одна из звезд, но для нас Солнце определяет всю жизнь; другие звезды представляются светящимися точками на небосводе, так как очень далеки от нас. Отдельные группы звезд - созвездия - выделяли еще в древности, в их названиях отражены образ мыслей, предания, легенды и жизнь разных народов. Сейчас на звездном небе выделено 88 созвездий с четко обозначенными границами. Итак, звезды - это огромные газовые шары. Весьма существенно, что такой газовый шар «цементируется» силой всемирного тяготения, т.е. гравитацией. На каждый элемент объема звезды действует сила гравитационного притяжения от всех остальных элементов звезды².

      Солнце  - типичная звезда, свойства которой изучены подробнее и лучше, чем у других звезд, по причине исключительной близости к Земле. Мы не только кратко рассмотрим имеющуюся информацию о Солнце, но и несколько подробнее обсудим те его свойства, которые характерны для всех звезд. Это окажется весьма полезным в дальнейшем при изучении физической природы звезд³.

      Как и для всякой звезды, основными характеристиками Солнца являются радиус, масса, и светимость. Радиус Солнца. Солнце представляется почти кругом с резко очерченным краем (лимбом). Строгое определение радиуса этого круга имеет принципиальное значение, поскольку у газового шара не может быть границы (поверхности), разделяющей области различных агрегатных состояний вещества. Обычно пользуются понятием фотометрического края, определяемого точкой перегиба в распределении яркости Солнца вблизи лимба для монохроматического излучения. Радиус так определенного лимба будем называть радиусом Солнца.

      Радиус  Солнца несколько меняется в течение  года вследствие изменения расстояния Земли от Солнца, вызванного эллиптичностью земной орбиты.

      Солнечная система представляет собой комплекс небесных тел, объединенных не только упорядоченностью движения, но и общностью физических свойств⁴. В центре Солнечной системы находится наша дневная звезда - Солнце. Вокруг него вместе со своими спутниками обращаются 9 больших планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

1. Модели образования  Солнечной системы  и её планет  до XX века: модели Р.Декарта, Ж. Бюффона, И. Ньютона и др.

      До XX века было предложено несколько моделей  образования Солнечной системы  и её планет. Так, например, по теории Декарта, мировое пространство было заполнено эфиром - всепроницающей жидкостью, частицы которой участвуют в непрерывном вихревом движении. Эти вихри и закручивают планеты.

      И. Ньютон предложил теорию, согласно которой небесные тела возникли из разреженной материи из-за неравномерного распределения плотности. Но он не мог объяснить, почему планеты движутся по орбитам, и заявил, что здесь не обошлось без божественного вмешательства. Его сотрудник У. Уистон, стараясь не прибегать к религии, полагал, что сначала Земля была кометой, которая вращалась вокруг Солнца, потом столкнулась с другой кометой, и в результате она стала вращаться и вокруг своей оси. Вопрос о возрасте Земли и незаметных в короткие промежутки времени изменениях, которые могут накапливаться на больших интервалах времени, стал обсуждаться в XVIII в.

      Французский зоолог Жорж Луи Леклерк, граф Бюффон, считал (1745), как и Ньютон, что материя, из которой возникли все планеты, была выброшена из недр Солнца скользящим ударом кометы. Он использовал также идею Лейбница, согласно которой Земля ранее была светящимся телом, а потом остыла. Бюффон даже ставил опыты с раскаленными шарами и заключил, что Земле потребовалось бы для охлаждения примерно 75 тыс. лет, что противоречило Библии. Он сумел объяснить одинаковое направление вращения планет и расположение их почти в одной плоскости. В 1749 г. он написал работу «История и теория Земли», после чего на него начались гонения, заставившие его отречься от нее. Его идеи, еще наивные, вводили историзм в естествознание, заложили основу естественно-научной космогонии и вызвали первую небулярную гипотезу происхождения планет (от лат. nebula - туман, облако).

      Естественно-научные  взгляды философа И.Канта сформировались под влиянием идей Ньютона и Бюффона. Кант считал Вселенную (с центром на Сириусе!) подчиненной строгой иерархии, возникшей под действием сил притяжения и отталкивания в первичной туманности (холодном облаке пыли). Поэтому ее возникновение и развитие он описывал по уровням - от планет до туманностей. Главная сила - всемирное тяготение, но могут быть и другие, еще неизвестные силы. Такова, например, предложенная им сила отталкивания, действующая на уровне отдельных частиц и проявляющаяся на начальных стадиях образования. Из-за действия химических сил при соединении частиц материя в пространстве может распределяться неоднородно. Чем больше плотность, больше и притяжение, и возникшие сгустки укрупнялись. Это предположение при разработке теории гравитационной неустойчивости использовал Джинс. По Канту, орбитальное движение планет возникло «после нецентрального удара частиц как механизма возникновения первичной туманности». В этом философ ошибся - движение могло начаться только при косом ударе туманностей. Он не делал большой разницы между планетами и кометами, даже предполагал, что у Земли может возникнуть хвост. Кант обсуждал действия, которые может вызвать теплота недр планеты. Он считал причинами, противодействующими стремлению к «равновесию», химические процессы внутри Земли (1754), которые зависят от космических сил и проявляются в виде землетрясений и вулканической деятельности. В предисловии к книге «Общая естественная история и теория неба, или опыт об устройстве и механическом происхождении всего мироздания на основании ньютоновских принципов» (1755) Кант писал: «Дайте мне материю, и я построю из нее мир!»⁵.

      Из  анализа имеющихся данных Кант сделал удивительно верные выводы о возможности  существования планет далее Сатурна  и даже о том, что его кольца состоят из метеоритов, причем подобные кольца могут быть и у других планет. В одной из частей его книги была изложена позиция на возможность жизни на других планетах, для чего Кант собрал имеющиеся сведения о необходимых для жизни температуре, плотности веществ, силе тяжести. И хотя в обществе тогда были распространены идеи о жизни на звездах, планетах и кометах живых существ, он выделил в качестве пригодных для жизни только Венеру и Юпитер.

      П.Лаплас исходил из горячей медленно вращающейся  туманности, которая по мере охлаждения сжималась. По закону сохранения момента импульса при этом росла скорость вращения и центробежные силы отрывали от нее кольца. Материя в этих кольцах сжималась под действием тяготения, формируя компактные тела. Ученик Лапласа, французский математик Э.Рош, показал, что периоды центрального сгущения туманности должны чередоваться с периодами сокращения ее массы, во время которых происходят отрывы экваториальных колец раскаленного вещества. Но причины отрывов оставались непонятными. Фактически эта гипотеза была разработана математиками как задача теоретической механики с неизменными параметрами. Она не объясняла размеров орбит планет-гигантов и медленности вращения Солнца, не отвечала на вопрос, почему момент импульса планет, масса которых составляет всего 0,13 % массы Солнечной системы, почти в 29 раз больше момента импульса Солнца, если Солнечная система изолирована. Это обстоятельство, казалось, требовало ввести в Солнечную систему вмешательство какой-то внешней силы.

      Небулярная  гипотеза Канта-Лапласа оставалась первой ротационной гипотезой о возникновении Солнечной системы вплоть до конца XIX в.

2. Концепции образования  солнечной системы  XX века: модели Шмидта, Фесенкова и др.

      В 20-е годы XX в. английский астроном Д. Джинс разработал приливную теорию происхождения Солнечной системы. По этой теории в результате случайного сближения Солнца с какой-то звездой на Солнце образовалась гигантская приливная волна, приведшая к тому, что из двух противоположных точек его поверхности началось мощное извержение струй газа. Эти газовые массы очень быстро сгущались в облака, в которых росли планетезимали - небольшие твердые тела, из которых в дальнейшем сформировались планеты⁶.

      В 30-х годах было высказано предположение (Г. Рессел), что в прошлом Солнце было двойной звездой. Один из компонентов был разорван встречной звездой и образовал облако, из которого позже сформировались планеты. В дальнейшем эту гипотезу видоизменили (Ф. Хойл в 1944 г.). Было выдвинуто предположение, что один из компонентов вспыхнул как сверхновая, сбросил газовую оболочку. Звезды разошлись, а из газовой оболочки образовалась планетная система.

      В первой половине ХХ века в гипотезе шведского астрофизика Х.Альфена (1942) сделано предположение о захвате  Солнцем облака межзвездного газа. Атомы газа ионизовались при падении на Солнце и стали двигаться по орбитам в его магнитном поле, поступая в определенные участки экваториальной плоскости. Расчет дал области расположения только внешних планет.

      Большую роль в разработке установившихся в  настоящее время взглядов на происхождение планетной системы сыграли работы нашего соотечественника О.Ю. Шмидта он отказался от изолированности Солнечной системы. Он считал, что если «обратиться к ее движению в Галактике, то отпадет затруднение с моментом количества движения, так как Солнце могло захватить из Галактики материю, обладающую достаточным моментом»⁷. В основе теории О.Ю. Шмидта лежат два предположения: планеты сформировались из холодного газопылевого облака; это облако было захвачено Солнцем при его обращении вокруг центра Галактики. На основе этих предположений Шмидту удалось объяснить некоторые закономерности в строении Солнечной системы - распределение планет по расстояниям от Солнца, вращение и др. Гипотез было много, но если каждая из них хорошо объясняла часть исследований, то другую часть не объясняла.

      Если  считать, что на Землю в сутки  падает 1 т метеоритов, то для «вырастания» ее таким путем нужно около 7 млрд лет, а по геологическим данным возраст  земной коры оценивается в 3 млрд лет (кора может быть моложе внутренних областей планеты). При образовании планет из метеоритов стало преобладать одно направление вращения планет, орбиты становились почти круговыми. Расчеты Шмидта дали верные расстояния планет от Солнца и определили направление осевого вращения планет; они показали период вращения Солнца в 20 сут (сейчас 25 сут), что считается хорошим результатом. Можно сказать, что Шмидт вернулся к небулярной гипотезе Канта-Лапласа на новом уровне науки, заменив газопылевое облако метеоритным роем. Слипание пылинок приводило к неким твердым фрагментам (планетезималям), которые дали начало протопланетам.

      Академик  В.Г. Фесенков, один из основоположников астрофизики, считал, что образование планет связано с переходом от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому. Условия равновесия требовали выброса массы Солнца, и этот выброс соответствовал расчетам английского астронома и математика Дж.Дарвина (сына Ч.Дарвина) и русского ученого математика и механика А. М.Ляпунова. Они независимо рассчитали фигуры равновесия вращающейся жидкой несжимаемой массы. Согласно О.Струве, быстро вращающиеся звезды могут выбрасывать вещество в плоскости своих экваторов. В результате этого образуются газовые кольца и оболочки, а звезда теряет массу и момент количества движения. Гипотеза Фесенкова связала жизнь в Солнечной системе в единое целое и избавила космогонию планет от внешних случайных факторов. 

3. Современная теория  образования Солнечной  системы

      Современные представления о происхождении  и ранней эволюции Солнечной системы. Представления о происхождении и ранней эволюции Солнечной системы до сих пор не приобрели характера законченной теории. Тем не менее основные черты «сценария», по которому развертывались события во время зарождения Солнца и планет, уже во многом определились. Кононович Э.В., Мороз В.И. выделяют несколько этапов⁸.

      1. Уплотнение облака межзвездного  вещества, состоящего из молекул  (Н₂, Н₂О, ОН и др.) и пыли. Возможно, что это уплотнение началось в результате взрыва сверхновой звезды под действием ударной волны, которая распространилась от нее во все стороны. Продукты этого взрыва проникли в межзвездную пыль, которая вошла впоследствии в состав углистых хондритов. Следы этих продуктов обнаруживаются при их тонком химическом и изотопном анализе.

      2. Если в некотором объеме, заполненном газом и пылью, масса вещества по каким-то причинам превзойдет определенную критическую величину, то оно начинает сжиматься под действием силы тяжести. Это явление называется гравитационным коллапсом. Когда наиболее плотные участки облака с массами порядка звездных достигают критического предела, они начинают сжиматься. Облако распадается на фрагменты, один из которых впоследствии порождает Солнце и Солнечную систему. В центре сжимающегося фрагмента образуется сгущение пыли и газа, которое является ядром аккреции. Процесс аккреции - это захват окружающей разреженной среды, приток которой постепенно увеличивает массу ядра.

      3. Когда масса центрального сгущения достигает примерно 0,1 массы Солнца, вещество становится непрозрачным, температура возрастает и пыль испаряется. Это происходит через 10⁴-10⁵ лет после начала сжатия фрагмента. Вскоре после испарения пыли происходит диссоциация молекулярного водорода. При этом центральное сгущение сжимается, образуя газовую протозвезду (Протосолнце). Формирование протозвезды происходит очень быстро, за время порядка 10-100 лет.

      Аккреция  межзвездного вещества Протосолнцем продолжается, его масса и радиус увеличиваются. Еще примерно через 10⁵ лет масса достигает современного уровня, а радиус становится примерно в 100 раз больше современного. Приток межзвездного вещества прекращается. Начинается стадия гравитационного сжатия Протосолнца. В течение этого периода уже существует дискообразная газопылевая протоплентная туманность (ППТ), центром которой является Протосолнце. Вероятно, она формируется благодаря ротационной неустойчивости одновременно с самим Протосолнцем, но продолжает расти в процессе дальнейшей аккреции. Оценки максимальной массы ППТ в разных теоретических моделях различны, они находятся в пределах порядка 0,01-2 массы Солнца.