Звезды. Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию – звезды и не испускающие – планеты, кометы, метеориты, космическая пыль. Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц – нейтрино. Звезды – это фабрики по производству химических элементов. Могут быть звезды, у которых меняется блеск и спектр - переменные звезды (Тау Кита) и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн лет. Существуют очень крупные звезды – красные гиганты и сверхгиганты и нейтронные звезды, масса которых близка к массе Солнца, но радиус составляет 1/50000 от солнечного (10-20 км). В 1967 г. были открыты пульсары – космические источники радио-, оптического, рентгеновского и гамма-излучения, приходящие на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) период импульсов 0,03-4,00 с, у рентгеновских пульсаров (двойных звезд, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной звезды) периоды составляют несколько секунд и более.
В конце эволюционного цикла, когда все водородное горючее истрачено, звезда сжимается до бесконечной плотности (масса остается прежней). Обычная звезда превращается в белого карлика - звезду, имеющую относительно высокую поверхностную температуру (от 7000 до 300000С) и низкую светимость, во много раз меньше светимости Солнца.
| Звездные скопления | ||||
| ¯ | ||||
| Красные гиганты | ¬ | Нестационарные звезды | ® | Обычные звезды |
| ¯ | ¯ | ¯ | ||
| Нейтронные звезды | ||||
| ¯ | ||||
| Черная дыра | Новые и сверхновые звезды | |||
| ¯ | ¯ | |||
| Белая дыра | Газовая туманность | Белый карлик |
Рис. 3. Процесс эволюции звезд.
Предполагается, что одной из стадий эволюции нейтронных звезд является образование новой и сверхновой звезд, когда она увеличивается в объеме, сбрасывая свою газовую оболочку, и в течение нескольких суток выделяет энергию, светя, как миллиарды солнц. Затем, исчерпав ресурсы, звезда тускнеет, а на месте вспышки остается газовая туманность.
Если звезда имела сверхкрупные размеры, то в конце ее эволюции частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же падают обратно из-за сил гравитации, т.е. образуется черная дыра, переходящая затем в белую дыру. Процесс эволюции звезд представлен на рис. 3.
Солнечная система и ее происхождение. Солнце – плазменный шар (плотность 1,4 г/см3), температура поверхности 60000С. Имеет корону, в которой находятся факелы, протуберанцы. Излучение Солнца – солнечная активность - имеет цикл 11 лет. При максимуме солнечной активности на Солнце обычно много пятен.
Источник солнечной энергии – термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Скорость движения Солнца вокруг оси Галактики – 250 км/с. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 180 млн лет.
Возраст Солнечной системы, зафиксированный по древнейшим метеоритам, - около 5 млрд лет. Общепринята гипотеза, по которой Земля и все планеты сконденсировались из космической пыли, расположенной в окрестностях Солнца. Предполагается, что частицы пыли состояли из железа с примесью никеля либо из силикатов, в состав которых входит кремний. Газы тоже присутствовали, и они конденсировались, образуя органические соединения, в состав которых входит углерод. Затем образовались углеводороды (соединения углерода с водородом) и соединения азота.
Солнечная система состоит из девяти планет: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона. Все планеты движутся в одном направлении, в единой плоскости (за исключением Плутона) по почти круговым орбитам. От центра до окраины Солнечной системы (до Плутона) 5,5 световых часов. Расстояние от Солнца до Земли - 149 млн км.Малые планеты, как и большинство спутников планет, не имеют атмосферы, т.к. сила тяготения на их поверхности недостаточна для удержания газов. В атмосфере Венеры преобладают углекислый газ, в атмосфере Юпитера – аммиак. На Луне и Марсе имеются кратеры вулканического происхождения.
Происхождение Солнечной системы и планеты Земля для космологии до сих пор является серьёзной проблемой. Первая научная гипотеза была предложена в XVIII в. немецким философом И.Кантом и французским математиком П.Лапласом. Оба они исходили из предположения о том, что Солнечная система возникла из газопылевого облака. Под действием силы тяготения туманность сжималась вокруг своего центра, а центробежные силы приводили к последовательному отделению от центрального облака ряда колец, из которых постепенно, в результате конденсации, образовались планеты. Центральное же облако породило Солнце. Эта гипотеза была общепризнанной среди астрономов вплоть до начала XX века. Однако при всей своей убедительности она имела и серьёзный недостаток – не могла удовлетворительно объяснить разность в распределении момента количества движения между Солнцем и планетами.
В первой трети XX века появляется оригинальная гипотеза Джинса, которая была противоположной гипотезе Канта-Лапласа. Джинс исходил из того, что Солнце возникло гораздо раньше планет и первоначально не имело вокруг себя облака газа. Однако в результате прохождения вблизи Солнца массивной звезды под действием мощных приливных сил с поверхности Солнца отделяется гигантская струя раскалённого газа и остаётся в его сфере притяжения. Затем из этого вещества в результате конденсации формируются планеты.
В 1944 г. советский учёный О.Ю.Шмидт предлагает новую гипотезу возникновения Солнечной системы. Он предположил, что планеты возникли из вещества, захваченного Солнцем в сферу своего притяжения при прохождении им плотной газопылевой туманности. Как и в гипотезе Джинса, предполагалось, что Солнце существовало задолго до того, как начался процесс образования планет. Гипотеза Шмидта по сравнению с другими гипотезами имела то преимущество, что прекрасно объясняла распределение момента количества движения в Солнечной системе.
Строение и эволюция Земли. Радиус Земли 6,3 тыс. км. Масса 621 тонн. Плотность 5,5 г/см3. Скорость вращения вокруг Солнца 30 км/с. Земля состоит из литосферы (земной коры), протяженностью 10-80 км, мантии и ядра. В атмосфере Земли, вес которой 5300000 млрд тонн, преобладают азот и кислород. Разделяется она на топосферу (от 9 до 17 км) – «фабрику погоды», стратосферу (до 55 км) – «кладовую погоды», ионосферу, которая состоит из заряженных под воздействием излучений Солнца частиц, и зону рассеивания, располагающуюся на высоте 800-1000 км. Пояса радиации из частиц высоких энергий выше атмосферы предохраняют Землю от жестких космических лучей, губительных для всего живого.
В XIX в. в геологии сформировались две концепции развития Земли: 1) посредством скачков («теория катастроф» Жоржа Кювье); 2) посредством небольших, но постоянных изменений в одном и том же направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводили к огромным результатам («принцип униформизма» Чарльза Лайелля).
Успехи физики XX в. способствовали продвижению в познании истории Земли. В 1908 г. ирландский ученый Д.Джоли сделал сенсационный доклад о геологическом значении радиоактивности. В 1909 г. русский ученый В.И. Вернадский основывает геохимию – науку об истории атомов Земли и ее физико-химической эволюции. В соответствии с современными взглядами температура ядра Земли может быть низкой, а процессы в земной коре имеют радиоактивную природу. Сначала Земля была холодной. Атомы радиоактивных элементов, распадаясь, выделяли тепло, и недра разогревались. Это повлекло за собой выделение газов водяных паров, которые, выходя на поверхность, положили начало воздушной оболочке и океанам.
В 1915 г. немецкий геофизик А. Вегенер предположил, исходя из очертания континентов, что в карбоне (геологический период) существовал единый массив суши. Решающим аргументом в пользу принятия данной концепции стало эмпирическое обнаружение в конце 50-х гг. расширения дна океанов, что послужило отправной точкой создания тектоники литосферных плит. Эту теорию подтверждают и биологические данные о распространении животных на нашей планете. Теория дрейфа континентов, основанная на тектонике литосферных плит, ныне общепринята в геологии.
Контрольные вопросы
1.Опишите процесс образования звезды. От чего зависит эволюционный путь звезды? Что является источником энергии звезд? Перечислите характеристики звезд.
2.При каких условиях образуется нейтронная звезда? черная дыра? Опишите основные свойства черной дыры.
3.Перечислите гипотезы возникновения Вселенной. В чем заключается теория Большого взрыва? Перечислите аргументы в пользу этой теории.
4.Опишите строение Солнечной системы. Перечислите основные компоненты Солнечной системы. Сформулируйте особенности планет земной группы, планет-гигантов.
5.Дайте краткую характеристику Солнцу. Какие химические реакции лежат в основе энергии Солнца? Что подразумевают под понятием «солнечная активность»? Чему равен период солнечной активности? Чем обусловлено появление солнечных пятен, что они представляют из себя?