Библиографический список

    Основной:

    [1, гл. 6 – 8];

    [2, разд. 2, гл. 8, § 1-7; разд. 3, гл. 3, § 1-4];

    [3, гл. 4, § 4.1 – 4.7].

    Дополнительной: [9, 25, 39, 56, 57, 61, 78].

Семинар 8. СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД И ПЛАНЕТ. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА. СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ

    Во все времена люди хотели знать, откуда и каким образом произошел мир. Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией (наука о космосе). Космология в своей основе открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

Наряду с космологией, исследованием космических тел и космических явлений занимается такая наука, как астрономия (от греч. астрон - звезда и номос - закон), она первоначально возникла как наука о наблюдаемых на небе звёздах. Сейчас в ХХ веке в связи с развитием технических средств наблюдения и космонавтики она резко расширила границы своего предмета исследования. Различные астрономические дисциплины – астрофизика, астрохимия, астробиология, небесная механика, радиоастрономия и др. - исследуют строение и развитие космических тел и систем: планет, звёзд, галактик и т.д., давая эмпирический материал для глобальных обобщений, которыми занимается космология.

    Эти учения базируются на нескольких предпосылках: 1) формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной; 2) производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространенными на всю Вселенную; 3) истинными признаются только те выводы, которые противоречат возможности существования самого наблюдателя – человека (антропный принцип).

    Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной.

    Модель расширяющейся Вселенной. Первым событием глобального масштаба в экспериментальной космологии было открытие в 1929 г. американским астрономом Э. Хабблом так называемого «красного смещения» в спектрах галактик. Было обнаружено, что чем больше расстояние до галактик, тем сильнее спектральные линии излучения этих галактик смещаются в красную область светового спектра. Согласно эффекту Доплера, это означало, что все галактики удаляются от нас со скоростями, прямо пропорциональными расстоянию до них. Этот факт говорил о том, что Вселенная расширяется как единое целое. Признание этого факта логически ведет к заключению о том, что расширение должно было начаться когда-то в прошлом, и в этот начальный момент все вещество должно было находиться в сверхплотном состоянии. Так как при сжатии вещество нагревается, следовательно, температура на начальном этапе развития Вселенной должна быть очень высокой, а первые мгновения этого начального этапа должны напоминать гигантский взрыв. Исходя из этих предпосылок, американский физик Г. Гамов создает модель горячей Вселенной, которая получила также название теория Большого взрыва. Согласно этой теории, наша Вселенная возникла в результате гигантского взрыва примерно 20 млрд лет назад. В результате этого взрыва в конечном итоге возникли галактики, звёзды, планеты и другие космические объекты, которые сейчас продолжают разлетаться от эпицентра взрыва, удаляясь друг от друга.

Согласно теории Большого взрыва, Вселенная возникла из сингулярности - особого состояния материи с удивительными свойствами. Примерно 20 млрд лет назад, в момент, предшествовавший Большому взрыву, размеры нашей Вселенной составляли несколько десятков сантиметров, плотность вещества была приблизительно 1093 г/см³, а температура превышала 1013 К. Современная физика пока ещё не разработала теорий, способных описать подобные состояния вещества. Что касается причин взрыва, то для науки это также пока загадка. Через 0,01 с после взрыва температура Вселенной упала до 1011 К. При такой температуре атомы и молекулы вещества существовать не могут - Вселенную наполняли одни лишь элементарные частицы. Через 3 мин температура Вселенной понизилась до 109 К. В этот момент созрели условия для образования вещества - возникли ядра атомов водорода и гелия. После этого момента наступил довольно длительный период (примерно 700000 лет), в течение которого Вселенная расширялась без особых изменений до тех пор, пока ядра атомов водорода и гелия не соединились со свободными электронами и не образовали нормальные нейтральные атомы газов водорода и гелия. Именно в эту эпоху формируется наблюдаемое нами реликтовое излучение.

После возникновения водорода и гелия наступает так называемая «звездная эпоха». В действие вступает сила тяготения, отныне преобладающая над всеми другими типами физического взаимодействия. Частицы газа, наполняющие Вселенную, начинают притягиваться друг к другу, и постепенно возникают галактики, звезды и планеты. Примерно через 15 млрд лет после Большого взрыва формируется межзвездное облако, которое дало начало Солнечной системе. В результате его сжатия в течение 400 млн лет возникают планеты, в том числе и Земля. Через 17 млрд лет после Большого взрыва на Земле появляются первые микроорганизмы, и начинается этап биологической эволюции, который приводит, наконец, к возникновению человека (Homo s apiens).

    Галактики. Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную форму (сферические, спиралевидные, эллиптические, сплюснутые и т.д.). Наша Галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиралевидных ветвей. Ее размеры – 100 световых лет. Большая часть звезд нашей Галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии 30 тыс. световых лет от центра Галактики расположено Солнце.

    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.

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?

6.Как устроена Галактика? метагалактика? На какие основные типы подразделяются галактики по внешнему виду? Какую форму имеет наша Галактика?

7.Каковы особенности образования планеты Земля? Объясните строение Земли. Каковы особенности естественного отбора химических элементов и их соединений в ходе химической эволюции Земли?