МОДУЛЬ 6. МЕГАМИР И ЕГО СВОЙСТВА

1. Общие представления о Вселенной. Космос (от греч. Hosmos-мир) – термин, возникший в древнегреческой философии для обозначения мира как структурно организованного и упорядоченного целого. Сей час под космосом понимают все находящееся за пределами атмосферы Земли. Иначе космос называют Вселенной – местом вселения человека.

Вселенная– окружающий нас мир, бесконечный в пространстве, во времени и по многообразию форм заполняющего его вещества и его превращений. Вселенная – это мегамир. Вселенную в целом изучает астрономия. Астрономия – наука о движении, строении, возникновении, развитии небесных тел, их систем и Вселенной в целом. Основной метод получения астрономических знаний – наблюдение. Современная астрономия включает в себя несколько научных дисциплин – астрофизику, астрохимию, радиоастрономию, космологию, космогонию. Космология– область науки, в которой изучаются Вселенная как единое целое и космические системы как ее части. Космогония – раздел астрономии, изучающий происхождение космических объектов и систем. Отличие космологии от космогонии заключается в различии подхода к изучаемым объектам: космология изучает закономерности всей Вселенной, а космогония рассматривает конкретные космические тела и системы.

Мир един, гармоничен и одновременно имеет многоуровневую организацию. Вселенная представляет собой упорядоченную систему отдельных взаимосвязанных элементов различного порядка, к которым относят небесные тела (звезды, планеты, спутники, астероиды, кометы), планетные системы звезд, звездные скопления, галактики.

Звезды – гигантские раскаленные самосветящиеся небесные тела.

Планеты – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг звезды.

Спутники – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг планет.

Солнечная система(или планетная система) – совокупность небесных тел, их спутников, астероидов, комет, обращающихся вокруг Солнца под действием силы его тяготения. В Солнечную систему входят 9 планет, их спутники, свыше 100 тысяч астероидов, множество комет.

Астероиды (или малые планеты) – небольшие холодные небесные тела, входящие в состав Солнечной системы. Имеют диаметр от 800 км до 1 км и менее, обращаются вокруг Солнца по тем же законам, по которым движутся и большие планеты.

Кометы – небесные тела, входящие в состав Солнечной системы. Имеют вид туманных пятнышек с ярким сгустком в центре – ядром. Ядра комет имеют маленькие размеры – несколько километров. У ярких комет при приближении к Солнцу появляется хвост в виде светящейся полосы, длина которой может достигать десятков миллионов километров.

Галактика– гигантская звездная система, насчитывающая более 100 млрд звезд, обращающихся вокруг ее центра. Внутри галактики отмечают звездные скопления.

Звездные скопления– группы звезд, разделенные между собой меньшим расстоянием, чем обычные межзвездные расстояния.

Галактики образуют метагалактику. Метагалактика– грандиозная совокупность отдельных галактик и скоплений галактик. В современной трактовке понятия «метагалактика» и «Вселенная» чаще отождествляют.

При изучении объектов Вселенной имеют дело со сверхбольшими расстояниями. Для удобства при измерении таких сверхбольших расстояний в космологии используют специальные единицы:

· Астрономическая единица (а. е. ) соответствует расстоянию от Земли до Солнца – 150 млн км. Эта единица применяется для определения космических расстояний в пределах Солнечной системы.

· Световой год – расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300000 км/с, проходит за один год, - это примерно 10¹³км; 1 а. е. равна 8,3 световой минуты. В световых годах определяют расстояние до звезд и других космических объектов, находящихся за пределами Солнечной системы.

· Парсек (пк) – расстояние, равное 3,3 световых года. Используют для измерения расстояний внутри звездных систем и между ними. 1 Кпк (килопарсек) = 10³пк, 1 Мпк (мегапарсек) = 10⁶ пк.

Первые астрономические знания были получены мыслителями Древнего Востока –Египта, Вавилонии, Индии, Китая. Астрономы древнего мира научились предсказывать наступление затмений, следили за движением планет. Эти астрономические знания, накопленные еще в VII – VI вв. до н. э. , заимствовали древние греки.

В VI веке до н. э. ученый и философ Древней Греции Аристотель фактически выдвинул идею геоцентрического строения Вселенной. Аристотель считал, что Земля и все небесные тела шарообразны, что Земля является неподвижным центром Вселенной, вокруг которой вращаются все небесные тела. Вселенная, по мнению Аристотеля, имеет конечные размеры, ее как бы замыкает сфера звезд. После Аристотеля в III веке до н. э. греческий астроном Аристарх Самосский выдвинул идею, что Земля вращается вокруг Солнца, что расстояние от Земли до Солнца равно 600 диаметров Земли. К сожалению, современники не поняли его и идею его не приняли. Во II веке до н. э. окончательно сформировалась геоцентрическая система мира. Александрийский астроном Птолемей обобщил существовавшие до него представления и предложил свою модель Вселенной. Согласно Птолемею, вокруг шарообразной и неподвижной Земли движутся Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн и небо неподвижных звезд. Каждая из планет, по мнению Птолемея, имеет центром своего движения не Землю, а некую точку. Эта точка в свою очередь, движется по окружности, в центре которой находится Земля.

Гелиоцентрическая система мира связана с именем польского ученого Николая Коперника (XV век). Он возродил гипотезу Аристарха Самосского о строении мира: Земля уступила место центра Солнцу и оказалась третьей по счету среди вращающихся по круговым орбитам планет. При этом ученый считал, что звезды неподвижны, Вселенная ограничена сферой неподвижных звезд.

Идею бесконечности Вселеннойразвил Джордано Бруно (XVI век). По Бруно Солнце – звезда, таких звезд бесконечно много, вокруг звезд вращаются планеты, подобно Земле, которая вращается вокруг Солнца. Бруно высказал догадки, что и Солнце, и звезды вращаются вокруг своих осей, а в Солнечной системе, кроме известных планет, существуют и другие, пока еще не открытые.

С изобретением телескопа Галилео Галилей в первой половине XVII века сделал выдающееся открытия, которые подтвердили учение Коперника и догадки Бруно. Галилей пришел к выводу, что вращение присуще не только Земле, но и другим небесным телам. Одновременно с Галилеем выдающиеся открытия в астрономии сделал Иоганн Кеплер, который сформулировал законы движения тел в Солнечной системе.

Задачей современной астрономии является не только объяснение данных астрономических наблюдений, но и изучение эволюции Вселенной. Эти вопросы рассматривает космология. При изучении Вселенной невозможно провести эмпирическую проверку результатов исследования, поэтому выводы космологии называют не законами, а моделями происхождения и развития Вселенной. Модель – это схема определенного фрагмента природной или социальной реальности, возможный вариант его объяснения. В процессе развития науки старая модель заменяется новой моделью. В основе современной космологии лежит эволюционный подход к вопросам возникновения и развития Вселенной, в соответствии с которым разработана модель расширяющейся Вселенной.

Ключевой предпосылкой создания модели эволюционирующей расширяющейся Вселенной послужила общая теория относительности А. Эйнштейна. Объектом теории относительности выступают физические события. Физические события характеризуют понятия пространства, времени, материи, движения, которые в теории относительности рассматриваются в единстве. Исходя из единства пространства, материи и времени следует, что с исчезновением метрии, пространство и время тоже исчезнут. Следовательно, до возникновения Вселенной не было ни пространства, ни времени. Эйнштейн вывел фундаментальные уравнения, которые связывают распределение материи с геометрическими свойствами пространства, с ходом времени и на их основе разработал статистическую модель Вселенной. Согласно этой модели, Вселенная обладает следующими свойствами:

1. однородностью, то есть имеет одинаковые свойства вовсех точках;

2. изотропностью, то есть имеет одинаковые свойства по всем направлениям;

3. третье свойство вытекает из закона Хаббла: «чем дальше галактики отстоят друг от друга, тем с большей скоростью они удаляются друг от друга», то есть Вселенная нестационарна – она находится в состоянии постоянного расширения; агентом ускорения расширения является темная энергия;

4. В XX веке дополняется еще одно свойство Вселенной – она горячая.

В настоящее время существует предположение, что Вселенная возникла из «сингулярной точки» - начальное состояние Вселенной – путем Большого взрыва данной исходной космической материи. В дополнение и развитие концепции Большого взрыва возникла теория инфляции, которая говорит, что Вселенная возникла из вакуума.

Убедительными аргументами, подтверждающими обоснованность космологической модели расширяющейся Вселенной, являются установленные факты. К числу таких фактов относятся следующие:

1. расширение Вселенной в соответствии с законом Хаббла;

2. однородность светящейся материи на расстояниях порядка 100 Мкп;

3. существование реликтового фона излучения с тепловым спектром, соответствующим температуре 2,7 К.

Реликтовое излучение – излучение, сохранившееся с начальных моментов эволюции, оно равномерно заполняет всю Вселенную и имеет температуру 2,7 К.

Возраст Вселенной, согласно современной космологической концепции ее происхождения и развития, исчисляется с начала расширения и оценивается в 13-15 млрд лет.

Современная астрономия открывает новые космические объекты. К их числу относятся квазары, нейтронные звезды, черные дыры.

Квазары – мощные источники космического радиоизлучения, которые являются самыми яркими и далекими из известных сейчас небесных объектов.

Нейтронные звезды– предполагаемые звезды, состоящие из нейтронов, образующиеся в результате вспышек сверхновых звезд.

Черные дыры – объекты, в которые превращаются звезды на заключительной стадии своего существования.

2. Галактики. Вселенная образована огромным количеством галактик. Галактика (от греч. Galaktikos – молочный, млечный) – звездная система, образованная звездами различных типов, звездными скоплениями, газовыми и пылевыми туманностями. Состав галактики зависит от ее возраста и условий развития. Среднее расстояние между галактиками 2 млн световых лет, а скорость движения – около 1000 км/с. Согласно расчетам, для прохождения расстояния до ближайшей к нам галактики требуется около 1 млрд лет. Галактики образуют метагалактику – Вселенную, размеры которой оцениваются в 15-20 млрд световых лет, а возраст – в 13-15 млрд лет. Галактики имеют свой центр (ядро), они различаются по форме, в соответствии с которой их классифицируют как спиральные, шаровые, эллиптические, неправильные. Вследствие удаленности галактик свет от их звезд имеет вид светящегося туманного вещества, поэтому галактики получили название туманностей. Ближайшая к нам большая галактика Туманность Андромеды. Это спиральная галактика, которая находится от нас на расстоянии около 2 млн световых лет. Туманность Андромеды имеет спутники – более мелкие галактики. Еще одна галактика находится в созвездии Треугольника. По размерам она меньше Туманности Андромеды и не имеет спутников.

Галактики образуют группы галактик. Таких групп во Вселенной множество. Так, в созвездии Девы имеется сотни галактик, образующие группы. В состав одной из групп, которая называется Местное скопление, входят спиральные галактики: Туманность Андромеды, галактика в созвездии Треугольника и наша Галактика.

Наша Галактика– это звездная система, в которую входят все звезды, видимые в созвездиях, и все звезды Млечного пути, а также газовые и пылевые туманности.

Пылевые туманности – облака в межзвездном пространстве, образованные очень мелкой космической пылью. Космическая пыль препятствует прохождению света от звезд, поглощая его. В большей степени поглощается сине-зеленая часть спектра, поэтому звезды видятся нам как желтоватые или красноватые. Космическая пыль возникает вследствие сгущения межзвездного газа.

Межзвездный газ состоит из водорода (его больше всего), гелия (его чуть-чуть меньше), азота и других газов (незначительное количество). Межзвездный газ может образовывать в отдельных местах газовые туманности. В местах скопления газа может содержаться значительное количество космической пыли – это газово-пылевые туманности. Газовые туманности имеют чаще неправильную форму. Туманности правильной, округлой формы называют планетарными. Планетарные туманности образуются из газов, выделяемых звездой, которая находится в центре данной туманности.

Спутниками нашей Галактики являются две туманности, наблюдаемые в южном полушарии неба и представляющие собой галактики неправильной формы. Это Большое и Малое Магеллановы Облака. Расстояние до них оценивается в 120 тыс. световых лет.

Наша Галактика называется Млечный путь. Она имеет диаметр около 100 тыс. св. лет и включает в себя более 100 млрд звезд, в том числе и Солнце. Полная масса Галактики равна 150 млрд солнечных масс. Среднюю линию Млечного пути называют галактическим экватором. Плоскость галактического экватора – это плоскость симметрии нашей звездной системы. 95% массы Галактики сосредоточены в основном в районе этой плоскости. То есть большая часть звезд нашей Галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. Наша Солнечная система находится очень близко к галактической плоскости, в которой звезды расположены наиболее тесно. Установлено, что наша Галактика имеет спиральное строение. Из ее ядра выходят две спиральные ветви, которые закручиваются вокруг ядра. Солнце находится между этими ветвями, а самые горячие и яркие звезды группируются в звездных облаках, которые непосредственно образуют спиральные ветви. Ядро Галактики является источником мощного излучения. Вокруг него вращаются с разной скоростью звезды. Скорость движения Солнечной системы вокруг ядра Галактики составляет 250 км/с. На один оборот ей требуется примерно 200 млн лет. Расстояние от Солнца до центра Галактики – около 30 тыс. св. лет, а до ее края – несколько меньше.

3. Звезды. Звезды – самосветящиеся небесные тела, состоящие из раскаленных газов. Солнце – ближайшая к нам звезда. Расстояние от Земли до Солнца – 8,3 световой минуты. Состав звезд, а также их температуру исследуют с помощью спектрального анализа. Спектральный анализ – астрофизический метод, изучающий химический состав светил с помощью исследования их спектров. Изучение их спектров позволило сделать вывод о том, что звезды состоят из атомов тех же элементов, что и все тела на Земле. В составе звезд преобладают водород (около 50% по массе) и гелий (около 40%). Атомы остальных химических элементов встречаются почти в таком же соотношении, как и на Земле. Вещество звезд представляет собой раскаленный газ. Согласно современным представлениям, звезды светят вследствие того, что в их недрах происходят ядерные реакции: водород превращается в гелий, в результате чего освобождается атомная энергия. В результате постоянных превращений химический состав звезд меняется, что может служить указанием на направления звездной эволюции.

Изучение звезд было вызвано потребностями материальной жизни человека – необходимостью ориентирования при путешествиях, создания календаря, определения точного времени. Еще в глубокой древности звездное небо было поделено на созвездия.

Созвездия – участки, на которые разделяют звездное небо по фигурам, образуемым яркими звездами. Всего насчитывается 88 созвездий. Принадлежность звезды к одному созвездию – это видимая, или перспективная, близость. На самом деле звезды, причисляемые к одному созвездию, находятся на самых различных расстояниях от нас.

Наблюдаемые на небе звезды характеризуются различным блеском, интенсивность которого определяется звездной величиной. Звездная величина – принятая в астрономии единица измерения видимого блеска звезд и других небесных тел. Чем слабее светится звезда, тем больше число, обозначающее ее звездную величину. Самые яркие назвали звездами первой величины, а самые слабые звездами шестой величины. Звезд первой величины на небе всего 20. Звезд второй величины, таких, как главные звезды Большой Медведицы, - около 70. Всего видимых звезд 6000. Учитывая, что над горизонтом видна только половина неба, одновременно можно наблюдать около 3000 звезд.

Звездная величина не имеет прямого отношения к действительной интенсивности испускаемого звездой излучения. Истинная сила света звезды характеризуется светимостью. Светимость определяется как отношение силы света звезды к силе света Солнца.

Метод определения расстояния до звезд заключается в измерении видимых смещений этих звезд, вызываемых обращением Земли вокруг Солнца. По смещению, величина которого обратно пропорциональна расстоянию, вычисляют само расстояние.

Наблюдаемые с Земли звезды имеют разный цвет: голубоватый, белый, желтый, оранжевый и красный. Цвет звезд соответствует температуре их поверхности. Голубоватые звезды самые горячие – температура на их поверхности составляет десятки тысяч градусов, белые звезды имеют температуру порядка 10³ К, желтые (наше Солнце) – около 6000 К, а красные – 3000 К и ниже.

Различают несколько видов звезд: это гиганты и карлики, одиночные, двойные и кратные, переменные и новые.

Звезды-гиганты – огромные звезды, в миллионы раз больше Солнца по объему. Например, Антарес в созвездии Скорпиона. Плотность звезд –гигантов очень мала – в сотни раз меньше, чем плотность воды.

Звезды-карлики имеют относительно небольшие размеры и делятся на красные и белые карлики. Плотность этих звезд велика – в 30 раз больше плотности воды.

Двойные звезды – системы, состоящие из двух звезд, каждая из которых обращается вокруг их общего центра тяжести. Например, звезда Сириус. Среди двойных звезд различают так называемые спектрально-двойные звезды – тесные пары звезд, которые нельзя увидеть раздельно при помощи современных оптических средств. Их двойственность обнаруживается по периодическим смещениям линий в спектрах.

Кратные звезды – системы, состоящие из трех, четырех и более звезд. Пример: звезда ά-Центавра является тройной звездой.

Переменные звезды – звезды, блеск которых со временем меняется. Изменение блеска может быть в двух случаях: во-первых, при затмении другой звездой; во-вторых, при сжатии или расширении. Поэтому их делят на 1) затменные переменные звезды, и 2) цефеиды – пульсирующие звезды.

Новые звезды – звезды, излучение которых внезапно увеличивается в тысячи раз, а затем медленно уменьшается. Существует и так называемые сверхновые звезды, которые имеют вспышку в сотни раз интенсивнее, чем Солнце.

Нейтронные звезды – предполагаемые звезды, состоящие из нейтронов. Нейтронные звезды получаются после вспышки сверхновой звезды, когда остаточная ее масса сильно сжимается. Происходит это крайне редко.

Пульсары – это невидимые космические объекты, которые являются точечными источники радиоизлучения, испускающие импульсы с очень коротким периодом.

Солнце по всем признакам является рядовой звездой. Полагают, что возраст Солнца – 4-5 млрд лет. Ближайшие к Солнцу звезды – Сириус и ά-Центавра. Скорость движения Солнца вокруг оси Галактики – 250 км/с. Расстояние от Земли до Солнца 8,3 световой минуты или 149,6 млн км. Диаметр Солнца оценивается в 1,4 млн км. Масса Солнца в 333 тыс. раз больше массы Земли, а его объем больше земного в 1млн 304 тыс. раз. Средняя плотность Солнца в выше плотности воды в 1,4 раза, но распределена она неравномерно: внутри Солнца она чрезвычайно высока, а снаружи – крайне низкая. Солнце состоит из нескольких слоев – внутренних и внешних. К внутренним слоям относятся ядро, область лучистого переноса энергии и конвективная зона. Внешние слои образует атмосфера.

Ядро находится в центре Солнца. Его радиус составляет 1/3 солнечного радиуса. В ядре сосредоточена большая часть вещества Солнца. Вещество ядра ионизировано, то есть представляет собой плазму. В ядре происходят ядерные реакции, в результате которых из атомов водорода образуются атомы гелия и выделяется большое количество энергии. Солнце будет светить до тех пор, пока весь водород не превратиться в гелий.

Область лучистого переноса энергии следует за ядром. Полагают, что ее толщина примерно равна радиусу ядра. Здесь в результате поглощения, дробления и переизлучения квантов, энергия переносится наружу.

Выше находится конвективная зона толщиной примерно 200 тыс. км. Температура в конвективной зоне значительно ниже. Конвективная зона не может полностью передать огромное количество энергии, поэтому систематически ядерное вещество прорывается в наружные слои таким образом, что конвекция на Солнце напоминает кипение воды. Эта зона переходит во внешние слои Солнца – атмосферу. Солнечная атмосфера также состоит из нескольких слоев: фотосферы, хромосферы и короны.

Фотосфера – самый глубокий и тонкий слой атмосферы. Здесь возникает подавляющее количество световых и тепловых лучей, посылаемых в пространство. Толщина фотосферы 200-300 км, ее температура оценивается в 6000 К.

За фотосферой следует хромосфера – слой раскаленных газов толщиной 10-20 тыс. км. Поскольку в верхних слоях солнечной атмосферы световая энергия в значительной степени переходит в тепловую, температура хромосферы значительно выше температуры фотосферы и оценивается в десятки тысяч кельвинов.

Корона – внешняя часть атмосферы Солнца. Температура ее составляет более 1 млн К. Корона прозрачнее, чем хромосфера. Яркость короны в миллионы раз меньше яркости фотосферы. Солнечная корона имеет огромные размеры – более 200 радиусов Солнца – и достигает орбиты Марса. Таким образом, Земля оказывается погруженной в солнечную корону. Поэтому на Землю постоянно воздействует так называемый солнечный ветер – поток заряженных частиц, испускаемых Солнцем. При соприкосновении с атмосферой Земли он отклоняется ее верхними слоями – ионосферой. Доходящее до нас радиоизлучение Солнца возникает не в фотосфере, а в его короне. Периодически, с циклом в 11 лет, в солнечной атмосфере появляются активные области, число которых регулярно меняется. О возникновении активной области свидетельствуют солнечные пятна, наблюдаемые в фотосфере. Температура пятна примерно на 1000 К ниже температуры окружающей фотосферы. В активной области часто наблюдаются вспышки, яркость которых высока. В результате вспышек образуются направленные потоки очень быстрых заряженных частиц и космических лучей. Достигая Земли, этот поток вызывает заметные неправильные изменения магнитного поля Земли – магнитные бури.

4. Солнечная система. В настоящее время проблема происхождения Солнечной системы остается открытой. Гипотезы ее возникновения следующие:

· Планеты Солнечной сформировались путем объединения твердых, холодных тел и частиц, входящих в состав туманности, которая когда-то окружала Солнце.

· Спутники планет образовались из роя частиц, окружавших планеты.

Орбиты всех планет являются почти круговыми и лежат в одной плоскости, совпадающей с экваториальной плоскостью Солнца. Общая масса всех планет Солнечной системы составляет всего 2% от массы Солнца.

Теории происхождения Солнечной системы.

1. Небулярная гипотеза Канта – Лапласа. Согласно естественнонаучным взглядам философа И. Канта, орбитальное движение планет возникло «после нецентрального удара частиц как механизма возникновения первичной туманности» (ошибочное утверждение, так как движение могло начаться только при косом ударе туманностей). Он считал причинами, противодействующими стремлению к «равновесию», химические процессы внутри Земли, которые зависят от космических сил и проявляются в виде землетрясений и вулканической деятельности (1755 год). П. Лаплас, разделяя взгляды Канта в этот же период, исходил из предположения о 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.

2. Приливная, или планетозимальная, гипотеза. В XX веке американские астрофизики Т. Чемберлен и Ф. Мультон рассмотрели идею встречи Солнца со звездой, вызвавшей приливной выброс солнечного вещества, из которого и образовались планеты (1906 год). С. Аррениус допустил и прямое столкновение Солнца со звездой (1913 год). Предполагается, что в результате появилось некое волокно, распавшееся при вращении на части – основу планет. Дж. Джинс предположил в 1916 году, что какая-то звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала «приливные выступы», принявшие форму газовых струй, из которых и возникли планеты.

3. Гипотеза захвата Солнцем межзвездного газа. В 1942 году Х. Альфен предположил, что атомы ионизировались при падении на Солнце и стали двигаться по орбитам в его магнитном поле, поступая в определенные участки экваториальной плоскости. В 1944 году В. Г. Фесенков предположил, что образование планет связано с переходом от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому. Астроном и математик Дж. Дарвин и математик А. М. Ляпунов рассчитали независимо друг от друга фигуры равновесия вращающейся жидкой несжимаемой массы. Согласно взглядам 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.

4. Кометная гипотеза происхождения планет Солнечной системы. Эту популярную гипотезу предложил в 1992 году А. А. Маркушевич. Сводится она к следующему. В газопылевой туманности, имеющей вид дискообразного вращающегося облака и состоящей из мелких пылевидных железосиликатных частиц и газов – воды и водорода, при понижении температуры газы намерзали на пылинки, увеличивая их размер. В результате возникал состав, свойственный составу комет. Частицы сталкивались друг с другом, большие по объему концентрировались в центре туманности, а меньшие оттеснялись на периферию, дав начало планетам. Шло укрепление и разрастание образующихся тел – астероидов, комет, планет. При образовании планет происходила аккреция (стяжение кометной массы), выделялась теплота, которая разогревала центр сгустка до расплавленного состояния и расслаивала водородную оболочку и железосиликатное ядро, которое позже расслоилось на железоникелевое ядро и силикатную оболочку, не позволяющую рассеиваться теплоте в космическом пространстве. Так планеты приобретали почти сферическую форму.

По своим физическим характеристикам планеты Солнечной системы делятся на две группы: планеты земной группы и газовые (или планеты-гиганты).

► Планеты Солнечной системы (земная группа). Крупнейшими после Солнца объектами Солнечной системы являются планеты и их спутники. Планеты Солнечной системы достаточно сильно отличаются друг от друга. Ближайшие к Солнцу планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс – называются твердыми планетами. Плутон представляет собой несформировавшуюся твердую планету. Каждую из планет можно охарактеризовать по девяти основным параметрам: расстояния от Солнца, периоду обращения вокруг Солнца, периоду обращения вокруг своей оси, средней плотности, диметру экватора в км, относительной массе, температуре поверхности, числе спутников, преобладанию газа в атмосфере.

Меркурий является ближайшей к Солнцу планетой. Он состоит из железного ядра, расплавленной каменистой мантии и твердой коры. Атмосфера отсутствует. Поверхность испещрена кратерами. На ночной стороне Меркурия температура составляет -170⁰С, а на освещенной достигает 350⁰С.

Венера по размерам, массе и плотности похожа на Землю, но имеет очень плотную атмосферу, которая пропускает солнечное излучение сквозь себя, но не выпускает ее обратно. Поэтому на Венере действует парниковый эффект. Температура на поверхности составляет 400-500⁰ С.

Луна – спутник Земли - имеет небольшое ядро из железа и серы, окруженное полурасплавленной астеносферой. Над астеносферой расположена литосфера, над ней – кора из минералов, богатых кальцием и алюминием.

►Планеты Солнечной системы (газовые). Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун -газообразные планеты. У Юпитера 16 спутников. Наиболее известные из них: Ио, Европа, Ганимед, Каллисто. Юпитер имеет очень плотную атмосферу, состоящую из водорода, гелия, метана и аммиака. Сатурн известен своими кольцами, которые состоят из большого количества кусков льда различного размера. Ядро Сатурна состоит из льда и камня и окружено слоями жидкого и металлического водорода. В атмосфере Сатурна бушуют ветры со скоростью до 1800 км/ч.

► Кометы, астероиды, метеорное вещество. Между орбитами Марса и Юпитера имеется большое количество астероидов – малых планет. Кроме этого астероиды движутся вдоль орбиты Юпитера. Всего зафиксировано 6000 малых планет.

Помимо астероидов Солнечную систему пересекают кометы. Орбиты комет одним краем приближены к Солнцу, а другим удалены от него. Кометы представляют собой глыбы льда и камня. Со временем кометы испаряются и оставляют после себя облака пыли. Ежегодно в августе Земля проходит через полосу пыли, оставшуюся от кометы Свифта-Тутля, и в эти периоды можно наблюдать метеоритные дожди, называемые Персеидами.

МОДУЛЬ 7. ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ

1. Форма и размеры Земли. Земля является объектом изучения многих наук. Выделяют отраслевые науки о Земле, которые изучают отдельные части структуры Земли, и системные науки, которые синтезируют всю совокупность знаний о Земле для решения теоретических и прикладных проблем. К отраслевым наукам относят геологию, гидрологию, климатологию, геофизику, геохимию, геоморфологию, почвоведение и биогеографию. К системным наукам относят географию.

Очень важным открытием для развития человеческой мысли явился результат наблюдения древнегреческого философа Аристотеля (IV век до н. э. ), который заметил, что тень от Земли на Луне, наблюдаемая во время лунных затмений, всегда имеет округлую форму. Но Земля не идеальный шар, она сплюснута у полюсов и расширена по экватору. Такое геометрическое тело называется сфероидом, или эллипсоидом вращения. В. И. Вернадский назвал такую форму геоид, что значит «землеподобный». Геоид – это фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести.

Полярный радиус Земли составляет 6357 км, а экваториальный – 6378 км, то есть он больше полярного на 21 км.

Земная ось – это воображаемая прямая, проходящая через центр Земли. Две точки, через которые проходит ось Земли, называются полюсами: Северным и Южным соответственно. На одинаковом расстоянии от полюсов проходит линия – экватор. К северу от экватора – Северное полушарие, к югу – Южное. Длина Экватора составляет более 40076 км, длина главного меридиана – 40009 км.

2. Космические ритмы. Жизнь природы и человека подчинена космическим ритмам. В основе смены дня и ночи, лета и зимы, хороших и плохих лет лежат космические процессы, связанные с движением космических тел относительно друг друга. Так, смена дня и ночи обусловлена вращением Земли вокруг своей оси, месячный и недельный ритмы обусловлены обращением Луны вокруг Земли, чередование сезонов года связано с обращением Земли вокруг Солнца (приближением и удалением от Солнца), чередование хороших и плохих лет – с солнечной активностью.

С солнечной активностью связывают три ритма: 11-летний, 22-23-летний и 80-90-летний. Обращение Земли вместе со всей Солнечной системой вокруг центра Галактики за 220-250 млн лет определяет геологическую ритмику, то есть смену геологических эпох.

Ритм смены дня и ночи осуществляется за счет поворота Земли вокруг своей оси, причем она поворачивается к Солнцу то одной стороной, то другой. Если на стороне, освещенной Солнцем – день, то на противоположной стороне – ночь. Земля совершает полный оборот вокруг своей оси с запада на восток за 24 часа, то есть за сутки. В разных точках на разных меридианах (разной долготе) в один и тот же момент часы показывают разное время суток. На одном и том же меридиане (то есть на одной и той же долготе), в каждой его точке (от Северного полюса до Южного) время суток одно и то же. Это время называют местным. Пользоваться местным временем неудобно, поэтому астрономы разработали систему поясного времени. Поверхность Земли разделили на 24 часовых пояса, каждый из которых включает в себя 15⁰ долготы (Земля за 1 час поворачивается на 15⁰). Время каждого последующего часового пояса отличается от последующего на 1 час. Нумерация поясов от 0 до 23 ведется с запада на восток от Гринвичского меридиана. Москва находится во 2 часовом поясе.

Скорость движения планет вокруг Солнца зависит от положения их орбит. Чем дальше находится планета, тем дольше длится ее год. Например, год на Юпитере продолжается 12 земных лет, на Сатурне – почти 30, на Плутоне 248 земных лет. Земля - третья по счету планета в Солнечной системе. Она совершает один оборот вокруг Солнца за 365 дней 6 часов 9 минут и 9 секунд. Для удобства считают, что в году 365 дней, а через каждые 4 года, когда из шести часов «накопятся» 24 часа, в году бывает 366 дней. Этот год называют високосным, а один день прибавляют к февралю.

Смена времен года осуществляется благодаря обращению Земли вокруг Солнца. Путь Земли вокруг Солнца – земная орбита – имеет форму эллипса. Среднее расстояние от Земли до Солнца 149,6 млн км. Ось вращения Земли наклонена к плоскости земной орбиты под углом 66,50. Благодаря этому наклону существуют пояса освещенности. Летом Северное полушарие как бы повернуто к Солнцу, а зимой – наоборот.

23 сентября и 21 марта – дни осеннего и весеннего равноденствия, когда Солнце одинаково освещает оба полушария Земли. В этот день и в Северном и в Южном полушарии день равен ночи.

22 декабря – день зимнего солнцестояния: самый короткий день и самая длинная ночь в Северном полушарии. Земля обращена к Солнцу своим Южным полушарием. Там лето. У нас зима. 22 декабря, вдень зимнего солнцестояния, Солнце находится в полдень в зените для мест, лежащих в Южном тропике.

22 июня – день летнего солнцестояния, когда самый длинный день и самая короткая ночь в Северном полушарии. В этот день Солнце в зените наблюдают жители мест, расположенных в Северном тропике. В Южном полушарии в это время зима, в Северном – лето.

Тропики – географические параллели 23⁰27^/ широты, на которых один раз в год, в один из дней солнцестояния, полуденное солнце бывает в зените.

Полярные круги – географические параллели 66⁰33^/ широты, на которых в один из дней солнечного солнцестояния наблюдается полярный день, а в другой – полярная ночь. Они являются границами зон полярных ночей и полярных дней.

Полярная ночьможет длиться в полярных поясах от 1 суток на широте Северного или Южного полярного кругов до 178 суток на Северном или Южном полюсах.

Полярный день на широте Полярного круга длится 1 сутки, а на полюсе – 189 суток.

На основе космической ритмики созданы различныекалендарные системы. Известны византийский и иудейский календари, ведущие отсчет от мифического сотворения мира (01. 09. 5508 г. до н. э. ), древнегреческий (начало отсчета – первые Олимпийские игры – 01. 07. 776 г. до н. э. ), христианский (от даты рождения Христа – 01. 01. 01 г. н. э. ), мусульманский (бегство Мухаммеда из Мекки – 16. 07. 622 г. н. э. ). Древнеегипетский календарь (солнечный) базировался на нескольких космических и природных ритмах. Главный цикл (продолжительностью 1460 лет) начинался с восхода звезды Сириус. Год состоял из 12 месяцев по 30 дней, 5 дней прибавлялось к последнему месяцу в конце каждого года. 12 месяцев распределялись по трем сезонам: сезону половодья, длившемуся с середины июля до середины ноября; сезону восходов (с середины ноября до середины марта); сезону засухи.

В настоящее время используется григорианский календарь. Это календарь, разработанный врачом и математиком Л. Лилио и введенный папой римским Григорием XIII в 1582 году. Средняя продолжительность года в этом календаре – 365,2425 суток, что дает ошибку в одни сутки за 3300 лет. С 5 октября 1582 года (с 15 октября по григорианскому календарю) расхождение между старым (юлианским) и новым стилем составило 10 суток, а с марта 1900 года – уже 13 суток. В России григорианский календарь введен 1 февраля 1918 года (14 февраля по григорианскому календарю).

Во многих мусульманских странах принят лунный календарь, который базируется на смене фаз Луны: новолуние, нарождающаяся Луна, неполная Луна, полнолуние, снова неполная Луна, убывающая Луна. Лунный месяц – период между двумя полнолуниями – составляет 29,5 суток. В календарном месяце лунного календаря чередуются 29 и 30 дней. 12 календарных месяцев составляют лунный год продолжительностью 354 суток, то есть короче солнечного на 11 суток.

3. Комплексные природные зоны. Наложение природных поясов друг на друга приводит к формированию комплексных природных зон, которые иначе называют климатическими зонами. В том случае, когда количество осадков превышает их испарение, формируется гумидная (влажная) зона. Когда количество осадков примерно равно испарению, формируется равновесная зона, и, наконец, в случае превышения испарения над осадками формируется аридная (сухая) зона. От экватора к полюсу они идут в следующем порядке:

1. Тропический пояс лежит между тропиками, по обе стороны от экватора, и занимает около 40% земной поверхности. В этом поясе Солнце по одному разу в год бывает в зените над каждым из тропиков. Тропический пояс делится на три зоны: жаркую влажную, жаркую равновесную и жаркую аридную.

2. Два умеренных пояса расположены между тропиками и полярными кругами. Солнце в них никогда не бывает в зените. Умеренные пояса занимают 52% земной поверхности и делятся на две зоны: умеренную равновесную и умеренную гумидную.

3. Два полярных пояса расположены к северу от Северного полярного круга и к югу от Южного полярного круга соответственно. Их площадь 8% земной поверхности. Эти пояса имеют одну зону: полярную.

4. Литосфера. Земля состоит из земной коры, мантии и ядра. Литосфера– это верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии. Литосфера составляет в среднем от 70 до 250 км.

Земная кора – верхняя часть литосферы – не везде имеет одинаковую толщину. Различают два основных типа земной коры: материковый и океанический. Слои земной коры состоят из горных пород и минералов.

Мантия Земли расположена под земной корой и имеет толщину 3000 км. Внутри мантии, на глубине 100-250 км под континентами и 50-100 км под океанами, находится слой повышенной пластичности вещества, который называют астеносферой. Предполагают, что мантия состоит из магния, железа и кремния и имеет очень высокую температуру – до 2000⁰ С.

Ядро Земли – пока загадка для науки. С определенной достоверностью можно говорить только о его радиусе – 3500 км и температуре – около 4000⁰ С.

История формирования современной литосферы представлена в таблице 1.

Таблица 1. Геохронологическая шкала

В основу теории литосферных плит положено положение о том, что вся литосфера разделена узкими активными зонами на отдельные жесткие плиты, плавающие в пластичной слое верхней мантии. Иначе говоря, литосфера состоит из жестких подвижных плит, перемещающихся по пластичной мантии. Границы между плитами могут быть трех типов: океанические хребты (вдоль которых на поверхность поднимается вещество мантии и формируется морское дно), желоба (вдоль которых краевые части плит разрушаются, опускаясь в мантию) и трансформные разломы (образующиеся в результате скольжения одной плиты вдоль другой). Границы литосферных плит – это подвижные участки земной коры, на которых находится большинство действующих вулканов. Вулканизм – совокупность процессов и явлений, вызванных внедрением магмы в земную кору и излиянием ее на поверхность. Цунами – это волны гигантских размеров, порожденные извержениями подводных вулканов, землетрясением или моретрясением.

К основным формам рельефа Земли относят материки, океаны, горы, и равнины. Материк – это крупнейший массив земной коры, который имеет трехслойное строение. Большая часть его поверхности выступает над уровнем Мирового океана. В современную геологическую эпоху существует 6 материков: Евразия, Африка, Северная Америка, Южная Америка, Австралия и Антарктида. Мировой океан – непрерывная водная оболочка Земли, окружающая материки и обладающая общностью солевого состава. Мировой океан делится материками на 4 океана: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый. К основным формам рельефа

5. Гидросфера. Гидросфера– водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность океанов, морей, континентальных водных бассейнов, подземных вод, ледников, снежных покровов. Полагают, что гидросфера Земли образовалась в раннем архее, то есть примерно 3800 млн лет назад. В этот период истории Земли на нашей планете установилась температура, при которой вода могла находиться в значительной мере в жидком агрегатном состоянии. Гидросфера Земли выполняет важные функции: она регулирует температуру планеты, обеспечивает круговорот веществ, является составной частью биосферы.

6. Атмосфера. Атмосфера – оболочка Земли, состоящая из воздуха. В состав воздуха входит ряд газов и взвешенные в них частицы твердых и жидких примесей (аэрозолей). Предполагают, что современная атмосфера имеет вторичное происхождение: она образовалась после завершения образования планеты около 4,5 млрд лет назад из газов, выделяемых твердыми оболочками Земли. В течение геологической истории Земли атмосфера под влиянием различных факторов претерпевала значительные изменения своего состава. В настоящее время атмосфера состоит из следующих слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы. Участки атмосферы, занимающие промежуточное положение между этими слоями, соответственно называют тропопаузой, стратопаузой и мезопаузой. Тропосфера – нижний слой атмосферы высотой от 8-10 км в полярных широтах до 16-18 км в тропиках. В ней сосредоточено около 80% всей массы атмосферы. Тропосфера характеризуется падением температуры и плотности воздуха с увеличением высоты. В тропосфере сосредоточено 10% озона. Стратосфера располагается на высотах в среднем от 10-15 км до 50-55 км от поверхности Земли. Стратосфера характеризуется повышением температуры с увеличением высоты за счет поглощения озоном (здесь его 90%) коротковолновой радиации Солнца – УФ-радиации. Мезосфера – слой атмосферы, расположенный на высотах 55-85 км. В мезосфере температура воздуха с увеличением высоты уменьшается. Термосфера простирается на высотах примерно от 85 км до 250 км от поверхности Земли и характеризуется быстрым повышением температуры воздуха за счет поглощения корпускулярной и рентгеновской радиации Солнца. Здесь тормозятся и сгорают метеориты. Таким образом, термосфера выполняет функцию защитного слоя Земли. Выше термосферы находится экзосфера, верхняя граница которой условна и отмечается высотой примерно 1000 км над поверхностью Земли. Из экзосферы атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство.

Поступающая на Землю солнечная радиация частично поглощается атмосферой (водяным паром и озоном), а частично отражается от поверхности Земли. Величина отражения зависит от отражающей способности конкретного участка земной поверхности – альбедо. Неодинаковый разогрев атмосферы приводит к перемещению воздушных масс, которое называется ветром. Состояние нижнего слоя атмосферы в данное время в данном месте называется погодой. Погодные условия зависят от угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность Земли. Характер погоды, ее сезонная динамика зависят от климата на данной местности. Климат – наиболее часто повторяющиеся для данной местности особенности погоды, сохраняющиеся на протяжении длительного времени. Ведущим условием установления определенного климата на данной территории является количество энергии, приходящейся на единицу площади. Оно зависит от суммарной солнечной радиации, падающей на земную поверхность, и от альбедо этой поверхности.

7. Географическая оболочка. В. В. Докучаев, открывший закон географической зональности, отмечал, что в природе гармонично взаимодействуют друг с другом шесть природных компонентов: земная кора литосферы, воздух атмосферы, вода гидросферы, растительный и животный мир биосферы, а также почва. Они постоянно обмениваются между собой веществом и энергией. Благодаря такому обмену природа способна самовосстанавливаться, самоочищаться и саморегулироваться. Если в природном комплексе меняется один какой-нибудь компонент, то все другие меняются тоже, стараясь восстановить свое равновесие. Географическая оболочка– это целостная и непрерывная оболочка Земли, среда деятельности человека, в пределах которой соприкасаются, взаимно проникают друг в друга и взаимодействуют нижние слои атмосферы, поверхностные толщи литосферы, вся гидросфера и биосфера. Между этими частями происходит непрерывный обмен веществом и энергией. Таким образом, географическая оболочка – это планетарный, охватывающий всю поверхность Земли, природный комплекс. Суммарная толщина географической оболочки – несколько десятков километров. Основным источником процессов, происходящих в географической оболочке, служит энергия Солнца.

Географическая оболочка делится на крупные зональные подразделения (географические или природные пояса) и мелкие зональные подразделения (ландшафты). Географические пояса и ландшафты – это природные географические комплексы, в которых все основные компоненты находятся в сложном взаимодействии и взаимообусловленности, образуя единую неразрывную систему.

В результате длительной эволюции географической оболочки под влиянием антропогенного воздействия возникла географическая среда. Географическая среда – это часть природы Земли, с которой человеческое общество непосредственно взаимодействует в своей жизни и производственной деятельности на данном этапе исторического развития. В последнее время наряду с понятием о географической среде в научный обиход вошло понятие об окружающей природной среде. Окружающая среда – необходимое условие жизни и деятельности общества. Она служит средой обитания, источником ресурсов, оказывает большое влияние на духовный мир людей.