ПРОИСХОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ВСЕЛЕННОЙ

В последние десятилетия достаточно детально разработана научная концепция происхождения нашей Вселенной. Теория рождения Вселенной, так же как и другие космологические проблемы, разрабатывается на основе последних достижений физики, проверяется точнейшими астрономическими наблюдениями. Теоретической основой концепции рождения Вселенной послужили работы русского ученого А. Фридмана, установившего возможность существования модели расширяющейся Вселенной. Это предсказание экспериментально было подтверждено в 20-е годы ХХ века американским астрономом Э.Хабблом, занимавшегося изучением далеких галактик и установившего, что галактики удаляются друг от друга, а вся Вселенная расширяется.

В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Вселенной или «Большого взрыва», предложенная американским физиком Д. Гамовым в конце 40-х годов ХХ века. Когда говорят о расширяющейся Вселенной, обычно проводят такую аналогию. Представим галактики в виде отдельных меток на поверхности резинового шара. Если этот шар раздувается, то расстояния между галактиками увеличиваются. Такая двумерная модель с использованием системы координат Лагранжа очень удобна для компьютерных вычислений. Скорость удаления галактик хорошо изучена, значит, определен темп расширения Вселенной. Если он известен, то можно рассчитать, когда примерно началось расширение.

Ретроспективные расчеты, в основе которых лежит модель расширяющейся Вселенной, оценивают время эволюции Вселенной приблизительно в 15 млрд. лет. Теоретические расчеты показывают, что 15 млрд. лет назад Вселенная находилась в состоянии с очень большой плотностью и энергией (сингулярном состоянии). Космическая материя в этот момент была сконцентрирована в необычайно малом объеме 10^-33 см³ (близко к радиусу электрона) с гигантской плотностью 10⁹³ г/см³ при температуре 10³¹ К. Материя была почти однородной, существовали лишь очень маленькие (по амплитуде) флуктуации в этом однородном распределении вещества по пространству. Вселенная в сингулярном состоянии представляла собой микрообъект с очень высокой температурой. Поэтому эту модель называют «горячей».

Предполагается, что от первоначального сингулярного состояния Вселенная спонтанно перешла к расширению в результате «Большого Взрыва», заполнившего все пространство. Первые мгновения жизни Вселенной моделируются гипотезой инфляционной Вселенной. В основе этой гипотезы лежит предположение о том, что наряду с силами гравитационного притяжения существовали гигантские силы космического отталкивания, которые смогли разорвать начальное состояние материи и вызвать расширение, продолжающееся по сей день. Первые догадки о том, что могло послужить причиной начала расширения Вселенной, были высказаны в середине 60-х годов Э.Глиннером. Он предположил, что в начале расширения материя находилась в состоянии физического вакуума.

Физический вакуум ─ это наинизшее энергетическое состояние всех полей, форма материи, лишенная вещества и излучения. Возбужденное состояние такого вакуума способно создать огромное отрицательное давление, гигантскую силу космического отталкивания. Вакуумная материя создает гравитационное отталкивание вместо гравитационного притяжения. Именно гравитационное отталкивание и послужило причиной первотолчка, который вызвал безудержное и стремительное раздувание Вселенной с гигантскими начальными скоростями расширения материи. Раздувание Вселенной осуществлялось по экспоненте. За каждые10^-32 с диаметр Вселенной увеличивался в 10⁵⁰ раз. Подобное чрезвычайно быстрое, или экспоненциально быстрое, расширение получило название инфляции.

Как уже упоминалось, первоначальные размеры Вселенной составляли 10^{-33 см при плотности 1093} г/см³. Таким образом, полная масса материи, которая тогда существовала, составляла 10^-5 ─ 10 ^-6 г. При расширении Вселенной объем ее становился все больше, а плотность фактически не менялась. Из-за этого масса Вселенной все время возрастала. С новой массой рождалось новое гравитационное тяготение этой массы. Положительная энергия материи компенсировалась рождающейся отрицательной энергией гравитации, поэтому в сумме закон сохранения энергии соблюдался. Вакуумная материя неустойчива. Инфлантон, как называют вакуумную материю, через 10^-36 с распался квантовым образом и превратился в горячую плазму - обычную материю. Это и был квантовый процесс рождения нашей горячей Вселенной. За ничтожный промежуток времени от 10^-43с (начало инфляции) до 10^-36с (конец инфляции) Вселенная раздулась в невероятное число раз: 10^1000000000 раз. Таким образом, перед началом расширения горячей Вселенной был процесс инфляции, который определил очень многое из того, что существует сегодня во Вселенной.

Стационарное описание Вселенной без учета квантово-гравитационных эффектов возможно лишь при значениях времени t>t_p , где t_p=10^-43c – планковское время. Для описания процессов, происходивших в период от 0 до 10^-43с, требуется еще не созданная квантовая теория тяготения.

По современным представлениям, инфляционному периоду предшествовал период квантового существования Вселенной. В этот период эволюции Вселенной пространство и время не могли рассматриваться как непрерывные. Пространство и время распадались на отдельные кванты, и все это находилось в состоянии «кипящего вакуума», причем плотность вакуума была чрезвычайно большой – 10⁹³ г/см³. В этот период «самого начала» пространство (его размерность и топология) менялось причудливейшим образом, квантовым образом. Из-за квантовых флуктуаций в различные моменты времени случайным образом происходит превращение «кипящего вакуума» в отдельные пузыри раздувающихся вселенных. Каждая из них подобна нашей Вселенной, однако разные вселенные могут иметь разные физические свойства и развиваться по-разному. Таким образом, наша Вселенная – один из пузырьков вечной Сверхвселенной.

К моменту времени 10^-36 с инфляционная фаза завершается, исчезает отталкивание, Вселенная переходит во власть обычных законов гравитационного притяжения. Благодаря первоначальному импульсу, полученному в период инфляции, расширение Вселенной продолжается, но неуклонно замедляется. По окончании фазы инфляции огромные запасы энергии, сосредоточенные в исходном физическом вакууме, высвободились в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до температуры 10²⁷ К. С этого момента начинается эволюция горячей Вселенной (Рис. 3.18).

Благодаря энергии возникает вещество и антивещество. Затем Вселенная начинает остывать и испытывать последовательные переходы, в результате которых сформировались все ее элементы, наблюдаемые сегодня.

Рис. 3.18. Эволюция Вселенной

Теория горячей Вселенной подтверждается существованием изотропного фонового реликтового излучения с тепловым спектром, соответствующим температуре 2,7 К. Реликтовое излучение, несущее информацию о первых мгновениях расширения Вселенной, было предсказано Гамовым в 1953 г. Ретроспективные расчеты показывают, что в начале расширения Вселенная находилась в состоянии с исключительно высокими плотностями материи и энергии излучения. По законам термодинамики при высоких плотностях и температурах вещество и излучение должны находиться в равновесии. После процессов нуклеосинтеза излучение должно остаться, продолжить движение вместе с веществом в расширяющейся Вселенной и сохраниться до нашего времени, только температура его должна понизиться за это время из-за расширения. В 1965 г. А. Пензиас и Р. Вильсон открыли реликтовое излучение. В дальнейшем были обнаружены небольшие вариации интенсивности реликтового излучения. Ученые считают, что в этих вариациях заключена информация о процессах рождения Вселенной и о том, что происходило сразу после рождения.

В 2003 г. NASA обнародовало детальную карту распределения в окружающем нас пространстве интенсивности реликтового излучения, полученную с помощью спутника Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (зонд для исследования микроволновой анизотропии) (Рис. 3.19). Результаты подтверждают инфляционную модель Вселенной и дают информацию о времени появления первой генерации звезд. По этим данным возраст нашей Вселенной приблизительно 13,7 млрд лет, а самые первые звезды во Вселенной сформировались спустя всего лишь 200 млн лет после Большого взрыва. Результаты свидетельствуют в пользу модели чрезвычайно протяженной «бесконечной» и «плоской» Вселенной, которая состоит из 4% обычного (барионного) вещества, 23% темной материи и 73% темной энергии.

Рис. 3.19. Распределение интенсивности

реликтового излучения

Теория Большого взрыва весьма правдоподобно объясняет другие свойства структуры Вселенной, открытые за последние 15-20 лет с помощью современных методов оптической, рентгеновской, радио- и инфракрасной астрономии. Это следующие свойства:

- расширение Вселенной по закону Хаббла;

- асимметрия между веществом и антивеществом, выраженная

в преобладании вещества в нашей Вселенной;

- однородность и изотропность в распределении светящейся материи в масштабе расстояний порядка 100 Мегапарсек;

- существование галактик и галактических скоплений.

Период между 10^-43с и 10^-34с получил название периода Великого объединения. При Т> 10²⁸ К во Вселенной имелось большое количество X и Y – бозонов, массивных частиц, осуществляющих единое сильное и электрослабое взаимодействие. В это время число частиц и античастиц было, вероятно, одинаковым. Вселенная в этот период состояла в основном из кварков. С участием X и Y – бозонов кварки могут превращаться в лептоны (электроны, позитроны, мю-мезоны, нейтрино), обладающие слабым и электромагнитным взаимодействием, и обратно. При Т< 10²⁷ К Х и Y бозоны и их античастицы стали распадаться. В результате распада образовалось больше частиц, чем античастиц. Это привело к тому, что при Т» 10²³ К возник избыток барионов над антибарионами. По мере остывания Вселенной вещество и антивещество аннигилировали с образованием гамма-излучения. В результате антивещество практически полностью исчезло, остался избыток вещества, из которого сформировались все небесные тела. В результате расширения Вселенной g-излучение , возникшее при аннигиляции, остыло, образовав реликтовое фоновое излучение, которое составляет значительную часть энергии Вселенной.

Структура нашей Вселенной, когда вещество преобладает над антивеществом, связана со временем жизни протона, которое равно 10³¹ лет» 10³⁸ с.

Через 0,01 с после Большого взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 млрд К. При этой температуре вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц с преобладанием электронов, позитронов, нейтрино, фотонов. Плотность вещества была огромной – в 4 млрд раз больше плотности воды. В конце первых трех минут после взрыва температура Вселенной снизилась до 1 млрд градусов. При этой температуре начали образовываться ядра атомов тяжелого водорода и гелия.

Только по истечении нескольких сотен тысяч лет начали образовываться атомы, главным образом водорода и гелия, образующие водородно-гелиевую плазму. Из этой плазмы в процессе эволюции возникло все многообразие наблюдаемой нами в настоящее время Вселенной.

Каков механизм процесса эволюции Вселенной, сопровождающийся ее непрерывным усложнением? В качестве фактора эволюции Вселенной наука выделяет ее гравитационную неустойчивость, теория которой была создана в ХХ веке Дж. Х. Джинсом. Сущность неустойчивости состоит в том, что по причине всемирного тяготения материя не может быть распределена с постоянной плотностью в сколь угодно большом объеме. Первоначально почти однородная плазма должна была распасться на огромные сгустки, из которых в дальнейшем образовались скопления галактик. Последние по той же причине разбились на протогалактики, из которых естественным путем возникли протозвезды. Образование звезд из диффузной межзвездной материи продолжается и в настоящее время. Вокруг звезд происходило формирование планетных систем. Возможно, кроме гравитационной неустойчивости, действуют и другие фундаментальные причины, приводящие к эволюции материи во Вселенной.

В промежутке между 10¹⁰ с и 10²⁰ с расположен оазис жизни, в котором мы сейчас находимся.

Как будет дальше развиваться Вселенная? Теоретическое моделирование будущего Вселенной существенно различно в закрытых и открытых ее моделях.

«Закрытые» модели предполагают, что через 30 млрд лет Вселенная начнет сжиматься и через 50 млрд лет вернется в первоначальное сингулярное состояние. Полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет 100 млрд лет.

Будущее Вселенной в «открытых» моделях представляет собой по сути различные сценарии тепловой смерти Вселенной. В соответствии с этими сценариями через 10¹⁴ лет многие звезды остынут, через 10¹⁵ лет планеты начнут отрываться от своих звезд, а звезды покидать свои галактики. Через 10¹⁹ лет большая часть звезд покинут свои галактики и постепенно превратятся в черные карлики. Центральные области галактик коллапсируются, образуя черные дыры.

Дальнейшая эволюция Вселенной зависит от времени жизни протона. Если обнаружится, что протон нестабилен и через 10³² лет

распадается на g-кванты и нейтрино, то Вселенная будет представлять собой совокупность нейтрино, квантов света и черных дыр. Самые массивные черные дыры испарятся через 10⁹⁶ лет и через 100¹⁰⁰ лет во Вселенной останется электронно-позитронная плазма ничтожной плотности – «лептонная пустыня» при Т£ 10^-10 К.

Если протон стабилен, то через 10⁶⁵ лет любое вещество даже при абсолютном нуле обратится в жидкость. Все оставшиеся черные карлики станут жидкими каплями. Через 10¹⁵⁰⁰ лет любое вещество станет радиоактивным, все жидкие капли станут железными. Через огромное число лет железные капли превратятся в черные дыры. Эти черные дыры за 10⁶⁷ лет испарятся, превратив Вселенную в поток сверхдлинноволновых квантов и электронно-позитронную плазму. Такое состояние представляет собой окончательную «смерть» Вселенной.

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

Особый практический и теоретический интерес для жителей Земли имеет вопрос о возникновении и развитии Солнечной системы и космических объектов типа планет. Отличительной чертой планетоподобных несветящихся тел является величина их массы. Все различия между звездами и планетами являются следствием различия их масс. Поскольку вследствие громадных космических расстояний планетные системы других звезд не наблюдаемы, проблема происхождения планет рассматривается на модели происхождения планет Солнечной системы.

Первые теории происхождения Солнечной системы и планет были разработаны немецким философом И.Кантом и французским математиком П.Лапласом. И.Кант в своей книге «Всеобщая естественная история и теория неба» (1755 г.) развил гипотезу, согласно которой мировое пространство в том месте, где сейчас существует Солнечная система, было заполнено рассеянной материей. Под действием сил притяжения и отталкивания материя со временем переходила в более разнообразные формы. Элементы, имеющие большую плотность, притягивали к себе менее плотные, вследствие чего образовались отдельные сгустки материи. Прямолинейное движение частиц к центру тяготения под действием сил отталкивания заменялось кругообразным. Из-за столкновения частиц вокруг отдельных сгустков и формировались планеты.

Другая гипотеза о происхождении планет была изложена в книге П.Лапласа «Изложение системы мира» (1795 г.). По Лапласу, на ранней стадии своего развития Солнце представляло собой огромную, медленно вращающуюся туманность. Под действием гравитационных сил протосолнце сжималось, принимало сплюснутую форму. Как только на экваторе центробежная сила инерции превышала силу тяжести, от протосолнца отделялось гигантское кольцо, которое в дальнейшем охлаждалось и разрывалось на отдельные сгустки. Из них и формировались планеты. Такой отрыв колец от протосолнца, по Лапласу, происходил несколько раз. Гипотеза Лапласа не могла объяснить перераспределение момента количества движения между Солнцем и планетами. Она не могла объяснить, почему Солнце теперь вращается вокруг своей оси относительно медленно, хотя во время сжатия скорость его вращения должна была увеличиваться, что приводило к отрыву от него вещества за счет центробежных сил инерции.

В 20-е годы ХХ века английский физик и астроном Д.Джинс предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразовалась в планеты. Однако, учитывая громадные расстояния между звездами, такое столкновение кажется мало вероятным. В теории Джинса не учитывалось, что Солнечная система является упорядоченной системой. Все планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Большинство спутников планет вращается в том же направлении и в большинстве случаев в экваториальной плоскости своей планеты. Солнце, планеты и их спутники вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: каждая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая.

В 30-е годы ХХ века Г.Ресселом было высказано предположение, что в прошлом Солнце было двойной звездой. Один из компонентов был разорван встречной звездой и образовал облако, из которого позже сформировались планеты. В дальнейшем Ф.Хойл видоизменил эту гипотезу. Он выдвинул предположение, что один из компонентов вспыхнул, как сверхновая, сбросил газовую оболочку. Звезды разошлись, а из газовой оболочки образовалась планетная система.

О.Ю.Шмидт выдвинул теорию, что планеты сформировались из холодного газопылевого облака, которое было захвачено Солнцем при его обращении вокруг центра Галактики. На основе этих предположений ему удалось объяснить распределение планет по расстояниям от Солнца, характер вращения и другие особенности строения Солнечной системы.

Современная концепция происхождения планет Солнечной системы учитывает не только гравитационные и центробежные силы, но и электромагнитные. Эта концепция была выдвинута шведским физиком и астрофизиком Х.Альфвеном и английским астрофизиком Ф.Хойлом. По их мнению, именно электромагнитные силы сыграли решающую роль при зарождении Солнечной системы. Первоначальное газовое облако, из которого образовалась Солнечная система, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитных сил. После того как из огромного газового облака посредством концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Гравитационные силы стали притягивать остатки газа к Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий газ на различных расстояниях – как раз там, где находятся планеты. Гравитационные и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение падающего газа, в результате чего сначала образовались зародыши планет – планетезимали, а затем и планеты. Когда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах, что привело к созданию системы спутников планет.

Рис. 3.20. Схема Солнечной системы

Показано положение объектов Солнечной системы по состоянию на 20.07.2002 г. Тонкие синие линии – орбиты планет (от Меркурия до Юпитера). Зеленые точки – астероиды, известные как малые планеты. Красными точками показаны астероиды, для которых существует вероятность (малая) столкновения с Землей. Синими квадратами обозначены кометы. Темно-синие точки – астероиды.

Теории происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер, однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех существующих гипотезах имеются противоречия и неясные места.

Планеты вместе с Солнцем составляют Солнечную систему. Кроме планет в Солнечную систему входят спутники планет, астероиды, кометы, метеорные тела, солнечный ветер.

Планеты располагаются в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Земля к Солнцу в 40 раз ближе, чем Плутон, и в два с половиной раза дальше, чем Меркурий (Рис. 3.21).

С 1962 года планеты исследуются с помощью космических аппаратов, Изучены атмосферы Венеры и Марса, облачный покров Венеры, Юпитера, Сатурна, вся поверхность Луны, получены изображения спутников Марса, Юпитера, Сатурна, колец Сатурна и Юпитера. Спускаемые космические аппараты исследовали физические и химические свойства пород, слагающих поверхности Марса, Венеры, Луны.

Рис. 3.21. Характеристики планет

Солнце

Солнце представляет собой огромный плазменный шар с очень высокой температурой. Состоит на 71% из водорода, на 26% из гелия и небольшого количества других элементов. Диаметр Солнца составляет 1392 тыс. км (в 116 раз больше диаметра Земли). Масса Солнца – 1,989∙10³⁰ кг (в 332946 раз больше массы Земли). Средняя плотность вещества Солнца 1,41 г/см³ , плотность в ядре – около 100 г/см³. Плотность в наружных слоях Солнца в сотни раз меньше плотности воздуха у поверхности Земли. Давление в недрах Солнца 3,4∙10¹⁶ Па – в сотни миллиардов раз больше атмосферного у поверхности Земли. Температура в ядре Солнца – 14 миллионов градусов, температура на поверхности - 5700° С.

Рис. 3.22. Аналемма Солнца

Аналемма – это фигура в виде «восьмерки», которая получается, если отмечать положение Солнца на небе каждый день в одно и то же время.

Мощность излучения солнца 3,86∙10²³ кВт, ежесекундно масса Солнца уменьшается на 4,3 млн. тонн за счет излучения. Ускорение свободного падения на поверхности Солнца – 27,9 g. Частицы плазмы на Солнце движутся со скоростями в сотни и тысячи километров в секунду.

Солнце вращается вокруг своей оси, делая один оборот за 25 суток (по экватору). Один оборот вокруг центра Галактики Солнце делает за 225 млн. лет. Возраст Солнца 4,5 – 5 млрд. лет.

Солнце состоит из нескольких слоев (Рис. 3.23). В центре расположено ядро, температура которого 14 млн. градусов.

Рис. 3.23. Строение Солнца

Радиус ядра около 140000 км. В ядре происходят ядерные реакции: превращение водорода в гелий с выделением огромного количества энергии. Энергия, генерируемая в ядре, через промежуточные слои передается наружу. На это требуется около 10 млн. лет. Ядро окружено радиоактивным слоем, в котором происходят процессы поглощения и отражения света. По мере удаления от центра фотоны за счет столкновения теряют свою энергию. Далее тепло к поверхности передается за счет конвекции. В конвективной зоне, окружающей радиоактивный слой, постоянно происходит процесс перемешивании: горячий газ распределяется по поверхности, охлаждается на ней, затем устремляется вновь к центру (Рис. 3.24).

За конвективной зоной следует фотосфера толщиной около 400 км. Здесь возникает излучение, посылаемое Солнцем в мировое пространство. Именно фотосфера видима с Земли. Эффективная температура фотосферы 5700 – 5780° С.

Рис. 3.24. Фотосфера и хромосфера

На фотосфере регулярно возникают темные образования, называемые солнечными пятнами (Рис. З.25, 3.26, 3.27). Темный цвет пятен объясняется тем, что они имеют более низкую температуру по сравнению с окружающей их фотосферой – примерно на 1000 – 1500 градусов ниже. Размеры пятен от 7000 до 50000 км. Средняя продолжительность жизни пятна от двух недель до нескольких месяцев. За это время меняются его размеры и форма, пятна перемещаются по поверхности Солнца. Пятна обычно возникают целыми группами.

Перед образованием пятен на небольших участках фотосферы появляются яркие области – факелы. Факелы и солнечные пятна свидетельствуют об активных процессах, протекающих на Солнце. Общее число активных областей на Солнце регулярно меняется. Средний цикл повторений составляет 11 лет. В 1908 г. Иоганн Галле установил, что пятна имеют мощные магнитные поля – до 0,25 Тл (магнитное поле

Земли составляет 0,0001 Тл.

Рис. 3.25. Солнечные пятна

За фотосферой следует хромосфера, толщина которой 10 – 20 тыс. км. Хромосфера представляет собой слой раскаленных газов с температурой в несколько десятков тысяч градусов. Над хромосферой расположена солнечная корона, состоящая из сильно разреженной высокоионизированной плазмы с температурой 1 – 2 млн. градусов. Хромосферу и корону можно наблюдать в период солнечных затмений.

Рис. 3.26. Солнечные пятна

Рис. 3.27. Солнечные пятна в ультрафиолете

Ярко светящийся газ, текущий вокруг солнечных пятен, имеет температуру более миллиона градусов Цельсия.

Над активными областями хромосферы и короны иногда наблюдаются вспышки и протуберанцы (Рис. 3.28, 3.29). Вспышки - направленный поток заряженных частиц, образующихся при внезапном сжатии вещества хромосферы вследствие резких изменений магнитных полей. Проходя через корону, этот поток увлекает за собой частицы плазмы и создает мощное излучение, состоящее из радиоволн, рентгеновских, ультрафиолетовых, видимых и космических лучей. Поток частиц, возникающих при вспышке на Солнце, достигает Земли примерно через сутки. Они оказывают воздействие на земную атмосферу, особенно на верхние слои, увеличивают ионизацию атмосферы Земли.

Рис. 3.28. Протуберанец

Проходя через солнечную корону (Рис. 3.29), корпускулярный поток вытягивает ее вещество в длинные лучи, называемые протуберанцами. Протуберанцы могут подниматься на расстояние, сравнимое с диаметром Солнца. Это происходит со скоростью до 300 км/с при температуре около 10000° С.

Солнце излучает «солнечный ветер» - непрерывное истечение плазмы, состоящей из электронов, протонов, ионизированных атомных ядер. Солнечный ветер излучается со скоростью в несколько сот километров в секунду, распространяется по всей Солнечной системе, доходит до Земли, где при взаимодействии с магнитным полем вызывает ряд явлений, в том числе полярные сияния (Рис. 3.30).

Рис. 3.29. Солнечная корона

Изображение получено в период полного солнечного затмения 29.03.2006 г. Отчетливо видны протуберанцы.

Рис. 3.30. Полярное сияние

Рис. 3.31. Солнечное затмение в Антарктиде

Снимок сделан в ноябре 2003 г. Видна солнечная корона.

Рис. 3.32. Кольцеобразное солнечное затмение

Полное солнечное затмение – это особое геоцентрическое небесное явление, происходящее в момент, когда Луна проходит в точности перед солнечным диском. Во время полного солнечного затмения Луна почти полностью закрывает диск Солнца (Рис. 3.31, 3.32, 3.33). Солнце больше Луны в 400 раз, но оно и расположено от Земли дальше, чем Луна в 400 раз. Поэтому угловые размеры Солнца и Луны для жителей Земли одинаковы и равны половине градуса.

Рис. 3.33. Полное солнечное затмение

ПЛАНЕТЫ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

По физическим характеристикам планеты Солнечной системы делятся на две группы: планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). О Плутоне пока известно мало, но по-видимому он по своему строению ближе к планетам земной группы. Строение планет слоистое, они состоят из нескольких сферических оболочек, различающихся по химическому составу, фазовому состоянию, плотности и другим характеристикам.

Все планеты земной группы имеют твердые оболочки, в которых сосредоточена почти вся их масса. Венера, Земля и Марс обладают газовыми оболочками – атмосферами. Меркурий практически лишен атмосферы. Земля имеет жидкую оболочку – гидросферу. На Марсе имеется лед на полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). На Венере существует дефицит воды. Характеристики твердых оболочек планет относительно хорошо известны лишь для Земли. Модели внутреннего строения других планет строятся по аналогии с Землей.

Ядро Земли состоит скорее всего из железа, подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твердое). Жидкое ядро, вероятно, есть у Меркурия и Венеры. У Марса его, по-видимому, нет. Наиболее распространены в твердой оболочке Земли железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%), магний (12,7%). Таким образом, по химическому составу планеты земной группы резко отличаются от Солнца и не соответствуют средней распространенности элементов в космосе – мало водорода и гелия.

Планеты-гиганты обладают другим химическим составом. Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий в той же пропорции, что и Солнце. В недрах Урана и Нептуна, по-видимому, больше тяжелых элементов. Недра Юпитера находятся в жидком состоянии за исключением небольшого ядра, которое представляет собой результат металлизации жидкого водорода. Сатурн по своему строению похож на Юпитер. В недрах Урана и Нептуна доля каменистых материалов существенно больше.

Земля

Земля – третья от Солнца планета Солнечной системы (Рис. 3.34). Земля участвует в двух движениях: она вращается вокруг собственной оси и обращается вокруг Солнца по эллиптической (близкой к круговой) орбите. Солнце находится в одном из фокусов эллипса. Среднее расстояние от Земли до Солнца 149,6 млн. км (минимальное – 147,1 млн. км, максимальное – 152,1 млн. км). Фокус орбиты отстоит от центра на расстояние 2,5 млн.км. Средняя скорость движения Земли по орбите 29,79 км/с (107 тыс. км/час). Время оборота Земли вокруг Солнца – звездный год – 365 суток 6 часов 9 минут 10 секунд. Вследствие движения Земли вокруг Солнца происходит смена времен года.

Плоскость, в которой Земля обращается вокруг Солнца, называется плоскостью эклиптики. Плоскость эклиптики пересекает плоскость небесного экватора под углом 23°27'. На пересечении этих двух плоскостей находятся две точки равноденствия: 21 марта – точка весеннего равноденствия и 23 сентября – точка осеннего равноденствия. 21 марта Солнце пересекает небесный экватор и переходит из Южного полушария в Северное, в Северном полушарии начинается весна.

Рис. 3.34. Земля – вид из космоса

Ось вращения Земли проходит через центр Земли и Полярную звезду в созвездии Малая Медведица. Ось вращения Земли наклонена к плоскости эклиптики под углом 66° 33' 22". Планета вращается вокруг своей оси с запада на восток, т.е. против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса. Скорость вращения на экваторе достигает 1600 км/час. Сутки – время, за которое Земля совершает один оборот вокруг собственной оси. Различают солнечные и сидерические сутки. Солнечные сутки – промежуток времени вращения Земли, при котором за точку отсчета берется Солнце, - равны 24 часам. Сидерические (звездные) сутки – за точку отсчета берется любая звезда – равны 23 часам 56 минутам 4 секундам. Вследствие вращения Земли вокруг собственной оси происходит смена дня и ночи.

С течением времени ось вращения Земли не остается неизменной, она совершает медленное движение по конусу, ось которого перпендикулярна плоскости земной орбиты. Это движение называется прецессией. Причиной прецессии является влияние гравитационных сил со стороны Солнца и Луны. Период прецессии равен примерно 26000 лет. Из-за прецессии Северный полюс перемещается между звездами. Через 14000 лет он будет рядом со звездой Вега из созвездия Лиры.

Возраст Земли оценивается в 4,5 – 4,7 млрд. лет. Земля образовалась из рассеянного в протосолнечной системе газо-пылевого вещества и прошла длинный и сложный путь эволюции. Вначале из-за очень высокой температуры Земля пребывала в расплавленном состоянии. Этим объясняется тот факт, что вещества с высокой плотностью – железо, никель – находятся ближе к центру планеты, а более легкие элементы – остались на поверхности. Затем температура Земли понизилась, планета стала постепенно твердеть. Земля состоит из нескольких сферических оболочек, различающихся по своему химическому составу, фазовому состоянию, плотности и другим характеристикам (Рис. 3.35).

Ядро Земли состоит скорее всего из железа и делится на две части. Внутреннее ядро, радиус которого равен 1330 км, состоит из твердых элементов. Давление в центре планеты – 3,6∙10¹¹ Па, плотность – около 12,5 г/см³. Внешнее ядро находится в жидком состоянии, толщина его примерно 2200км. Температура в ядре колеблется около 6200°С. Далее расположена мантия, состоящая из твердых кремниевых пород, окислов кремния и магния. У нижней границы мантии давление достигает 1,3∙10¹¹Па, температура – 5000 К. Толщина мантии около 3000 км. Мантия состоит из двух частей - внутренней мантии с твердой структурой и внешней – более пластичной. Внешнюю часть толщиной около 100 км называют литосферой.

Рис. 3.35. Строение Земли

Верхний слой литосферы – земная кора – представляет собой каменистую структуру (граниты и базальты) переменной толщины: около 10 км под дном океанов и около 50 км на континентах. Из всей массы Земли кора составляет менее 1%, мантия – около 65%, ядро – 34%. Граница между корой и мантией называется разделом МОХОРОВИЧИЧА.

Литосфера состоит из десятка огромных плит, размеры которых достигают размеров целых континентов (Рис. 3.36). Плиты как бы плавают в расположенном под ними до глубины 250 км слое повышенной текучести, называемом астеносферой, под действием конвективных потоков, вызывающих движение ниже расположенных расплавленных масс.

Рис. 3.36. Литосферные плиты

Вблизи поверхности Земли возрастание температуры с глубиной составляет примерно 20° на каждый километр. На глубине около 100 км температура примерно 1800 К. На Земле в результате вулканической деятельности происходят выбросы лавы, пара и газов из внутренних частей мантии, На Земле около 800 действующих вулканов (3.37).

В твердой оболочке Земли наиболее распространенными элементами являются железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%), магний (12,7%).

Масса Земли – 5,976∙10²⁴ кг.

Средняя плотность – 5,517 г/см³.

Средняя температура поверхности + 22°С.

О шаровидности Земли первые предположения были сделаны в V в. до н.э. В IV в. до н.э. Аристотель обратил внимание на то, что тень от Земли, падающая на Луну во время лунного затмения, имеет круглую форму, что свидетельствовало о шаровидности Земли. Размеры земного шара первым установил Эратосфен Киренский в III в. до н.э. По его измерениям радиус Земли составлял 6278 км (по современным измерениям – 6371 км). На самом деле Земля далеко не шар. Она имеет неправильную форму. Земля сплюснута у полюсов, что является следствием вращения Земли вокруг оси. Экваториальный радиус Земли – 6378 км, полярный – 6356 км. Сжатие составляет 0, 0034.

Рис. 3.37. Извержение Этны

Было предложено несколько математических моделей Земли. Геоид – модель Земли, представляющая собой геометрическое тело, у которого поверхность совпадает с поверхностью среднего уровня воды в океане, находящейся в с