Особенности солнечной системы и планеты земля

Особенности солнечной  системы и планеты земля

В Солнечную систему входит Солнце, 9 больших планет вместе с их 34 спутниками, более 100 тысяч малых планет (астероидов) , порядка 10 в 11 степени комет, а также бесчисленное количество мелких, так называемых метеорных тел (поперечником от 100 метров до ничтожно малых пылинок) . Центральное положение в Солнечной системе занимает Солнце. Его масса приблизительно в 750 раз превосходит массу всех остальных тел, входящих в систему. Гравитационное притяжение солнца является главной силой, определяющей движение всех обращающихся вокруг него тел Солнечной системы. Среднее расстояние от Солнца до самой далекой от него планеты - Плутон 39,5 а. е., т.е. 6 миллиардов километров, что очень мало по сравнению с расстояниями до ближайших звёзд. Только некоторые кометы удаляются от Солнца на 100 тысяч а. е. и подвергаются воздействию притяжения звезд. Двигаясь в Галактике, Солнечная система время от времени пролетает сквозь межзвездные газопылевые облака. Вследствие крайней разреженности вещества этих облаков погружение Солнечной системы в облако может проявиться только при небольшом поглощении и рассеянии солнечных лучей.

Проявления этого эффекта в  прошлой истории Земли пока не установлены. Все большие планеты - Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон обращаются вокруг солнца в одном направлении (в направлении осевого вращения самого Солнца) , по почти круговым орбитам, мало наклоненным друг к другу (и к солнечному экватору) . Плоскость земной орбиты - эклиптика принимается за основную плоскость при отсчёте наклонений орбит планет и других тел, обращающихся вокруг Солнца. Расстояния от планет до Солнца образуют закономерную последовательность - промежутки между соседними орбитами возрастают с удалением от Солнца. Эти закономерности движения планет в сочетании с делением их на две группы по физическим свойствам указывают на то, что Солнечная система не является случайным собранием космических тел, а возникла в едином процессе (см. главу 1) . Благодаря почти круговой форме планетных орбит и большим промежуткам между ними исключена возможность тесных сближений между планетами, при которых они могли бы существенно изменять своё движение в результате взаимных притяжений. Это обеспечивает длительное существование планетной системы. Планеты вращаются так же вокруг своей оси, причём почти у всех планет, кроме Венеры и Урана, вращение происходит в том же направлении, что и их обращение вокруг Солнца. Чрезвычайно медленное вращение Венеры происходит в обратном направлении, а Уран вращается как бы лежа на боку. Большинство спутников обращаются вокруг своих планет в том же направлении, в котором происходит осевое вращение планеты. Орбиты таких спутников обычно круговые и лежат вблизи плоскости экватора планеты, образуя уменьшенное подобие планетной системы.

Таковы, например, система спутников  Урана и система галилеевских спутников Юпитера. Обратными движениями обладают спутники, расположенные далеко от планеты. Сатурн, Юпитер и Уран кроме отдельных спутников заметных размеров имеют множество мелких спутников, как бы сливающихся в сплошные кольца. Эти спутники движутся по орбитам, настолько близко расположенным к планете, что её приливная сила не позволяет им объединиться в единое тело. Подавляющее большинство орбит ныне известных малых планет располагается в промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Все малые планеты обращаются вокруг Солнца в том же направлении, что и большие планеты, но их орбиты, как правило, вытянуты и наклонены к плоскости эклиптики. Кометы движутся в основном по орбитам, близким к параболическим. Некоторые кометы обладают вытянутыми орбитами сравнительно небольших размеров - в десятки и сотни а. е. У этих комет, называемых периодическими, преобладают прямые движения, т.е. движения в направлении обращения планет. Будучи вращающейся системой тел, Солнечная система обладает моментом количества движения (МКД) . Главная часть его связана с орбитальным движение планет вокруг Солнца, причём массивные Юпитер и Сатурн дают около 90%. Осевое вращение Солнца заключает в себе лишь 2% общего МКД всей Солнечной системы, хотя масса самого Солнца составляет более 99,8% общей массы. Такое распределение МКД между Солнцем и планетами связано с медленным вращением Солнца и огромными размерами планетной системы - её поперечник в несколько тысяч раз больше поперечника Солнца. МКД планеты приобрели в процессе своего образования: он перешел к ним из того вещества, из которого они образовались .

Планеты делятся на две группы, отличающиеся по массе, химическому  составу (это проявляется в различиях  их плотности) , скорости вращения и количеству спутников. Четыре планеты, ближайшие к Солнцу, планеты Земной группы, невелики, состоят из плотного каменистого вещества и металлов. Планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун - гораздо массивнее, состоят в основном из лёгких веществ и поэтому, несмотря на огромное давление в их недрах, имеют малую плотность. У Юпитера и Сатурна главную долю их массы составляют водород и гелий. В них содержится так же до 20% каменистых веществ и легких соединений кислорода, углерода и азота, способных при низких температурах концентрироваться в льды. Недра планет и некоторых спутников находятся в раскалённом состоянии. У планет земной группы и спутников вследствие малой теплопроводности наружных слоёв внутреннее тепло очень медленно просачивается наружу и не оказывает заметного влияния на температуру поверхности.

У планет-гигантов конвекция в их недрах приводит к заметному потоку тепла из недр, превосходящему поток, получаемый им от Солнца. Венера, Земля  и Марс обладают атмосферами, состоящими из газов, выделившихся из их недр. У  планет-гигантов атмосферы представляют собой непосредственное продолжение  их недр: эти планеты не имеют  твердой или жидкой поверхности. При погружении внутрь атмосферные  газы постепенно переходят в конденсированное состояние. Девятую планету - Плутон, по-видимому, нельзя отнести ни к  одной из двух групп. По химическому  составу он близок к группе планет-гигантов, а по размерам к земной группе. Ядра комет по своему химическому составу  родственны планетам-гигантам: они  состоят из водяного льда и льдов  различных газов с примесью каменистых веществ. Почти все малые планеты  по своему современному составу относятся  к каменистым планетам земной группы. Сравнительно недавно открытый Хирон, движущийся в основном между орбитами Сатурна и Урана, вероятно, подобен ледяным ядрам комет и небольшим спутникам далёких от Солнца планет. Обломки малых планет, образующиеся при их столкновении друг с другом, иногда выпадают на Землю в виде метеоритов. У малых планет, именно вследствие их малых размеров, недра подогревались значительно меньше, чем у планет земной группы, и поэтому их вещество зачастую претерпело лишь небольшие изменения со времени их образования. Измерения возраста метеоритов (по содержанию радиоактивных элементов и продуктов их распада) показали, что они, а следовательно вся Солнечная система существует около 5 миллиардов лет. Этот возраст Солнечной системы находится в согласии с измерениями древнейших земных и лунных образцов.

Планета Земля

Земля как одна из планет Солнечной  системы на первый взгляд ничем не примечательна. Это не самая большая, но и не самая малая из планет. Она не ближе других к солнцу, но и не обитает на периферии планетной  системы. И всё же Земля обладает одной уникальной особенностью - на ней есть жизнь. Однако при взгляде  на Землю из космоса это не заметно. Хорошо видны облака, плавающие в  атмосфере. Сквозь просветы в них  различимы материки. Большая же часть  Земли покрыта океанами.

Появление жизни, живого вещества - биосферы - на нашей планете явилось следствием её эволюции. В свою очередь биосфера оказала значительное влияние на весь дальнейший ход природных процессов. Так, не будь жизни на Земле, химический состав её атмосферы был бы совершенно иным.

Несомненно, всестороннее изучение Земли  имеет громадное значение для  человечества, но знания о ней служат также своеобразной отправной точкой при изучении остальных планет земной группы.

2. Внутреннее строение Земли

Не просто "заглянуть" в недра  Земли. Даже самые глубокие скважины на суше едва преодолевают 10 - километровый рубеж, а под водой удаётся, пройдя осадочный чехол, проникнуть в базальтовый  фундамент не более чем на 1.5 км. Однако нашёлся другой способ. Как  в медицине рентгеновские лучи позволяют  увидеть внутренние органы человека, так при исследовании недр планеты  на помощь приходят сейсмические волны. Скорость сейсмических волн зависит  от плотности и упругих свойств  горных пород, через которые они  проходят. Более того, они отражаются от границ между пластами пород разного  типа и преломляются на этих границах.

По записям колебаний земной поверхности при землятресениях - сейсмограммам - было установлено, что недра Земли состоят из трёх основных частей: коры, оболочки (мантии) и ядра.

Кора отделяется от оболочки отчётливой границей, на которой скачкообразно  возрастают скорости сейсмических волн, что вызвано резким повышением плотности  вещества. Эта граница носит название раздел Мохоровичича (иначе - поверхность Мохо или раздел М) по фамилии сербского сейсмолога, открывшего её в 1909 г.

Толщина коры непостоянна, она изменяется от нескольких километров в океанических областях до нескольких десятков километров в горных районах материков. В  самых грубых моделях Земли кору представляют в виде однородного  слоя толщиной порядка 35 километров. Ниже, до глубины примерно 2900 км, расположена  мантия. Она, как и земная кора, имеет  сложное строение.

Ещё в XIX столетии стало ясно, что  у Земли должно быть плотное ядро. Действительно, плотность наружных пород земной коры составляет около 2800 кг/м3для гранитов и примерно 3000 кг/м3 для базальтов, а средняя плотность нашей планеты - 5500 кг/м3. В то же время существуют железные метеориты со средней плотностью 7850 кг/м3 и возможна ещё более значительная концентрация железа. Это послужило основанием для гипотезы о железном ядре Земли. А в начале XX в. были получены первые сейсмологические свидетельства его существования.

Граница между ядром и мантией  наиболее отчётливая. Она сильно отражает продольные (Р) и поперечные (S) сейсмические волны и преломляет Р-волны. Ниже этой границы скорость Р-волны резко падает, а плотность вещества возрастает: от 5600 кг/м3 до 10000 кг/м3. S-волны ядро вообще не пропускает. Это означает, что вещество там находится в жидком состоянии.

Есть и другие свидетельства  в пользу гипотезы о жидком железном ядре планеты. Так, открытое в 1905г. изменение  магнитного поля Земли в пространстве и по интенсивности привело к  заключению, что оно зарождается  в глубинах планеты. Там сравнительно быстрые движения могут происходить, не вызывая катастрофических последствий. Наиболее вероятный источник такого поля - жидкое железо (т.е. проводящее токи) ядро, где возникают движения, действующие  по механизму самовозбуждающегося  динамо. В нём должны существовать токовые петли, грубо напоминающие витки провода в электромагните, которые и генерируют различные  составляющие геомагнитного поля.

В 30-е гг. сейсмологи установили, что  у Земли есть и внутреннее, твёрдое  ядро. Современное значение глубины  границы между внутренним и внешним  ядрами примерно 5150 км.

Граница наружной зоны Земли - расположена  на глубине порядка 70 км. Литосфера  включает в себя как земную кору, так и часть верхней мантии. Этот жёсткий слой объединяется в  единое целое его механическими  свойствами. Литосфера расколота  примерно на десять больших плит, на границах которых случается подавляющее  число землетрясений.

Под литосферой на глубинах от 70 до 250 км существует слой повышенной текучести - так называемая астеносфера Земли. Жёсткие литосферные плиты плавают в "астеносферном океане".

В астеносфере температура мантийного вещества приближается к температуре  его плавления. Чем глубже, тем  выше давление и температура. В ядре Земли давление превышает 3600 кбар, а температура - 6000 С0.

3. Тепловая энергия планеты

О высокой температуре земных недр учёные догадывались давно. Об этом свидетельствовали  и вулканические извержения, и  рост температуры при погружении в глубокие шахты. В среднем у  поверхности Земли её увеличение составляет 20 градусов на километр.

Тепловая энергия земных недр выделяется с поверхности планеты в виде теплового потока, который измеряется количеством тепла, выделяемого  с единицы площади за единицу  времени. Измерить тепловой поток Земли  с достаточной точностью удалось  только во второй половине XX века.

Континентальную земную кору можно  представить в виде 15 - километрового  слоя гранита, лежащего на слое базальта такой же толщины. Концентрация радиоактивных  изотопов, служащих источниками тепла, в гранитах и базальтах хорошо изучена. Это прежде всего радиоактивный калий, уран и торий. Подсчитано, что при их распаде выделяется примерно 130 Дж/(см год). В тоже время средний тепловой поток, который равен 130 - 170 Дж/(см год). Следовательно, он почти полностью определяется тепловыделением в гранитном и базальтовом слоях.

С океанической корой всё обстоит  иначе. Она значительно тоньше континентальной, и основу её составляет 5 - 6 -километровый базальтовый слой. Распад содержащихся в нём радиоактивных элементов  даёт всего около 10 Дж/(см год). Однако, когда специалисты измерили тепловой поток на океанах, он оказался примерно таким же, как и на материках.

Сегодня установлено, что основная часть тепла поступает в океаническую кору через литосферную плиту из мантии. Вещество мантии постоянно находится в движении. Неравенство температур различных слоёв в ней приводит к активному перемешиванию вещества: более холодное и, соответственно, более плотное тонет, более горячее всплывает. Это так называемая тепловая конвекция.

Большинство современных исследователей указывают на три возможных источника  энергии для поддержания тепловой конвекции в мантии. Во - первых, мантия всё ещё сохраняет большое количество тепла, накопленного в период формирования планеты. Его достаточно, чтобы поверхностный тепловой поток сохранялся на его теперешнем уровне в течение срока, в несколько раз превышающего нынешний возраст Земли. При этом планета должна остывать, но её остывание происходит очень медленно. Во - вторых, определённое количество тепла, по-видимому, поставляется в мантию из ядра. И, наконец, третий источник - это распад радиоактивных элементов (их содержание в мантии в настоящее время трудно оценить).

4. Тектоника плит

Ещё в 1912 г. немецкий исследователь  Альфред Вегенер выдвинул гипотезу дрейфа континентов. На эту идею его натолкнули поразительное соответствие очертаний береговых линий материков Африки и Южной Америки, а также явные следы глобального изменения климата в прошлом во многих регионах мира. Но гипотеза поначалу была отвергнута научным сообществом, так как не указывала причин дрейфа. В 30 - е гг. английский геолог Артур Холмс предложил объяснить движение континентов тепловой конвекцией. В 50 - гг., когда широко проводились исследования дна океана, гипотеза о крупны горизонтальных перемещениях в литосфере получила новые подтверждение. Значительную роль в этом сыграло изучение магнитных свойств пород, слагающих океаническое дно.

Ещё в начале XX в. было установлено, что намагниченность современных лав соответствует нынешнему магнитному полю Земли, а у древних лав она часто ориентирована под большими углами или вообще противоположна направлению современного поля. По сути дела эта картина отражает состояние магнитного поля в предшествующие геологические эпохи. В базальтовых лавах много железа, и они, затвердевая по мере охлаждения, намагничивались в соответствии с существовавшим в тот период геомагнитным полем.

Имелись также данные о перемене полярности: северный магнитный полюс  Земли становился южным, и наоборот. Зарегистрировано 16 инверсий магнитных  полюсов за последние несколько  миллионов лет. (Причины такой  переполюсировки до сих пор окончательно не выяснены, предположительно её вызвали процессы, происходившие в жидком ядре.). И, как оказалось, график этих инверсий свидетельствовал в пользу крупномасштабных перемещений материков.