Солнечная система. Эволюция и строение Солнца

 

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ведение

Земля — спутник Солнца в мировом пространстве, вечно кружащийся вокруг этого источника тепла и света, делающего возможной жизнь на Земле. Самыми яркими из постоянно наблюдаемых нами небесных объектов кроме Солнца и Луны являются соседние с нами планеты. Они принадлежат к числу тех девяти миров (включая Землю), которые обращаются вокруг Солнца (а его радиус 700 тыс. км, т.е. в 100 раз больше радиуса Земли) на расстояниях, достигающих нескольких миллиардов километров. Группа планет вместе с Солнцем составляет Солнечную систему. Планеты хотя и кажутся похожими на звезды, в действительности гораздо меньше последних и темнее. Они видны только потому, что отражают солнечный свет, который кажется очень яркими, поскольку планеты гораздо ближе к Земле, чем звезды.

Кроме планет, в солнечную «семью» входят спутники планет (в том числе и наш спутник — Луна), астероиды, кометы, метеорные тела, солнечный ветер. Планеты расположены в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля (один спутник — Луна), Марс (два спутника — Фобос и Деймос), Юпитер (15 спутников), Сатурн (16 спутников), Уран (5 спутников), Нептун (2 спутника) и Плутон (один спутник). Земля к Солнцу в сорок раз ближе, чем Плутон, и в два с половиной раза дальше, чем Меркурий.

 

 

 

 

 

1. Происхождение Солнечной системы

Вот уже два века проблема происхождения Солнечной системы волнует выдающихся мыслителей нашей планеты. Этой проблемой занимались, начиная от философа Канта и математика Лапласа, плеяда астрономов и физиков XIX и XX столетий. И все же мы до сих пор довольно далеки от решения этой проблемы. Но за последние три десятилетия прояснился вопрос о путях эволюции звезд. И хотя детали рождения звезды из газово-пылевой туманности еще далеко не ясны, мы теперь четко представляем, что с ней происходит на протяжении миллиардов лет дальнейшей эволюции. Переходя к изложению различных космогонических гипотез, сменявших одна другую на протяжении двух последних столетий, начнем с гипотезы великого немецкого философа Канта и теории, которую спустя несколько десятилетий независимо предложил французский математик Лаплас. Предпосылки к созданию этих теорий выдержали испытание временем. Точки зрения Канта и Лапласа в ряде важных вопросов резко отличались. Кант исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сперва возникло центральное массивное тело - будущее Солнце, а потом планеты, в то время как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей с высокой скоростью вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил от него последовательно отделялись кольца. Потом они конденсировались, образуя планеты. Таким образом, согласно гипотезе Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на различия, общей важной особенностью является представление, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. Поэтому и принято называть эту концепцию "гипотезой Канта-Лапласа".

Однако эта теория сталкивается с трудностью. Наша Солнечная система, состоящая из девяти планет разных размеров и масс, обладает особенностью: необычное распределение момента количества движения между центральным телом Солнцем и планетами. Момент количества движения есть одна из важнейших характеристик всякой изолированной от внешнего мира механической системы. Именно как такую систему можно рассмотреть Солнце и окружающие его планеты. Момент количества движения можно определить как "запас вращения" системы. Это вращение складывается из орбитального движения планет и вращения вокруг осей Солнца и планет. Львиная доля момента количества движения Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет-гигантов Юпитера и Сатурна. С точки зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно. В эпоху, когда от первоначальной, быстро вращающейся туманности отделилось кольцо, слои туманности, из которых потом сконденсировалось Солнце, имели (на единицу массы) примерно такой же момент, как вещество отделившегося кольца (так как угловые скорости кольца и оставшихся частей были примерно одинаковы) , так как масса последнего была значительно меньше основной туманности ("протосолнца" ) , то полный момент количества движения кольца должен быть много меньше, чем у "протосолнца". В гипотезе Лапласа отсутствует какой-либо механизм передачи момента от "протосолнца" к кольцу. Поэтому в течение всей дальнейшей эволюции момент количества движения "протосолнца", а затем и Солнца должен быть много больше, чем у колец и образовавшихся из них планет. Но этот вывод противоречит с фактическим распределением количества движения между Солнцем и планетами. Для гипотезы Лапласа эта трудность оказалась непреодолимой. Остановимся на гипотезе Джинса, получившей распространение в первой трети текущего столетия. Она полностью противоположна гипотезе Канта-Лапласа. Если последняя рисует образование планетарных систем как единственный закономерный процесс эволюции от простого к сложному, то в гипотезе Джинса образование таких систем есть дело случая. Исходная материя, из которой потом образовались планеты, была выброшена Солнцем (которое к тому времени было уже достаточно "старым" и похожим на нынешнее) при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды. Это прохождение был настолько близким, что его можно рассматривать практически как столкновение. Благодаря приливным силам со стороны налетевшей на Солнце звезды, из поверхностных слоев Солнца выброшена струя газа. Эта струя останется в сфере притяжения Солнца и после того, как звезда уйдет от Солнца. Потом струя сконденсируется и даст начало планетам. Если бы гипотеза Джинса была правильной, число планетарных систем, образовавшихся за десять миллиардов лет ее эволюции, можно было пересчитать по пальцам. Но планетарных систем фактически много, следовательно, эта гипотеза несостоятельна. И ниоткуда не следует, что выброшенная из Солнца струя горячего газа может сконденсироваться в планеты. Таким образом, космологическая гипотеза Джинса оказалась несостоятельной. Выдающийся советский ученый О. Ю. Шмидт в 1944 году предложил свою теорию происхождения Солнечной системы: наша планета образовалась из вещества, захваченного из газово-пылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти "современный" вид. При этом никаких трудностей с вращением момента планет не возникало, так как первоначально момент вещества облака может быть сколь угодно большим. Начиная с 1961 года эту гипотезу развивал английский космогонист Литтлтон, который внес в нее существенные улучшения. По обеим гипотезам "почти современное" Солнце сталкивается с более или менее "рыхлым" космическим объектом, захватывая части его вещества. Тем самым образование планет связывается с процессом звездообразования.

 

2.Строение Солнечной системы

Солнечная система представляет собой большую семью, состоящую из Солнца, планет и их спутников, комет, астероидов, большого количества пыли, газа и мелких частиц. Если посмотреть на Солнечную систему как бы издалека, то можно увидеть, как около центральной звезды желтого цвета спектрального класса G2 обращаются 9 планет. Солнце - это звезда, огромный газовый шар, в центре которого идут ядерные реакции. Основная доля массы Солнечной системы сосредоточена в Солнце - 99,8%. Именно поэтому Солнце удерживает гравитацией все объекты Солнечной системы, размеры которой не менее шестидесяти миллиардов километров. Размеры орбит планет трудно представить на одном рисунке: настолько различны расстояния и размеры. Поэтому обычно сравнивают средние размеры и расстояния от Солнца планет земной группы, а потом - планет-гигантов. Совсем рядом с Солнцем обращаются четыре маленьких планеты, состоящие, в основном, из горных пород и металлов - Меркурий, Венера, Земля и Марс. Эти планеты называются планетами земной группы. Между планетами земной группы и планетами-гигантами расположен пояс астероидов. Чуть дальше расположены четыре больших планеты, состоящие, в основном, из водорода и гелия. У планет-гигантов нет твердой поверхности, зато они имеют исключительно мощную атмосферу. Юпитер - самая большая из них. Далее следуют Сатурн, Уран и Нептун. Все планеты-гиганты имеют большое количество спутников, а также кольца. Изумительное по красоте кольцо имеет Сатурн. Самой последней планетой Солнечной системы является Плутон, который по своим физическим свойствам ближе к спутникам планет-гигантов. За орбитой Плутона открыт так называемый пояс Койпера, второй пояс астероидов. Кометы проводят за орбитой Нептуна большую часть времени, так как в более дальней точке своей траектории их движение более медленное, чем около Солнца.

Различие планет по физическим свойствам, вероятно, обусловлено тем, что планеты земной группы формировались из протопланетного облака рядом с Солнцем. Именно поэтому в них много более тяжелых элементов, металлов, например железа. Планеты-гиганты формировались на более далеких расстояниях от Солнца, поэтому, в основном, состоят из легких элементов. Все планеты, астероиды, кометы вращаются вокруг Солнца в одном направлении (против хода часовой стрелки, если смотреть с северного полюса мира). Орбиты планет практически круговые, их плоскости мало наклонены к плоскости орбиты Земли. Только две планеты - Меркурий и Плутон - имеют орбиты с большим наклоном к эклиптике.

Орбиты же комет вытянутые, имеют большой эксцентриситет. Большинство объектов Солнечной системы вращаются вокруг своей оси в одном направлении, которое называется прямым. Однако Венера вращается в обратном направлении, а Уран вращается, как говорят, «лежа на боку». Почти все спутники обращаются вокруг планеты в том же направлении, что и планеты вокруг Солнца. Исключение составляют спутники Юпитера, чьи названия заканчиваются на «е» - Карме, Синопе, Ананке, Пасифе, и спутник Нептуна Тритон. По-видимому, все они образовывались не вместе со своими планетами, а были захвачены ими позже. Дни и годы на каждой из планет различны по своей продолжительности. Все планеты вращаются вокруг Солнца с разными скоростями. Самая большая скорость у Меркурия, медленнее всего вокруг Солнца вращается планета Плутон со своим спутником Хароном. Самые длинные сутки на Венере, они продолжаются 243 земных суток. Планеты-гиганты вращаются вокруг своей оси очень быстро. Продолжительность суток на Юпитере всего 9,92 часа.

 

 

3. Солнце

Солнце- это обычная звезда, ее возраст около 5 миллиардов лет. На поверхности Солнца температура примерно равна 5500°С. Но в его центре она достигает 14 миллионов градусов. В солнечном ядре происходит превращение водорода в гелий с выделением огромного количества энергии. На поверхности Солнца имеются пятна, происходят яркие вспышки  и можно увидеть взрывы колоссальной силы. Мы живем в непосредственной близости от настоящей звезды, Солнца, которое находится  в центре нашей Солнечной системы. Оно дает Земле тепло и свет, поддерживающие жизнь на нашей планете. Для растений солнечный свет является  источником энергии, необходимой для роста. Ископаемое горючее, например уголь, представляет собой разновидность солнечной энергии, отложенной в запас, так как содержащийся углерод был когда-то накоплен растениями. Для астрономов Солнце – звезда особая, поскольку оно находится так близко – всего лишь в 150 млн.км. Однако чтобы преодолеть такое расстояние на автомобиле, потребовалось бы почти 200 лет, так что и до нашей домашней звезды путь весьма неблизкий. Космический аппарат , летящий по прямой, - и тот провел бы в путешествии до Солнца многие месяцы. Свет, перемещающийся в пространстве быстрее всего остального,  преодолевает путь от Солнца до Земли за восемь минут с небольшим. О Солнце мы знаем гораздо больше, чем о любой другой звезде – просто потому, что оно находится так близко. В некоторых больших обсерваториях имеются телескопы, специально предназначенные для изучения Солнца. Астрономы хотят знать, какие  процессы происходят на Солнце и каким образом оно воздействует на Землю. Это дает нам представление и о большинстве других обычных звезд. Некоторые ученые полагают, что любое изменение в выработке солнечной энергии неизбежно повлечет за собой изменение климата здесь, на Земле. Следовательно, солнечная астрономия важна как для изучения звезд, так и для предвидения того, каким образом Солнце будет влиять в будущем на среду нашего обитания.

3.1. Поверхность.

Солнце – огненный газовый шар, диаметр которого примерно в 109 раз превосходит диаметр Земли. Внутри Солнца могло бы поместиться более миллиона небесных тел размером с Землю. Жёлтый свет Солнца приходит к нам из слоя солнечной атмосферы, который имеет толщину 500 км и называется фотосферой. Под ним лежат внутренние области Солнца, а выше прозрачной части наружной атмосферы. Практически вся солнечная энергия, включая тепло и свет, падающие на Землю, приходит к нам от фотосферы, но первоначально производится в глубине Солнца. Температура фотосферы приблизительно 5500 С. Одним из способов вычисления этой температуры является оценка того, насколько горячим должно быть Солнце, чтобы излучать всю ту энергию, которую оно отдает фактически. Поверхность Солнца – пузырчатая. Эти пузыри или пена, называется солнечной зернистостью, и разглядеть ее можно только солнечным телескопом. Эта пузырчатость подобна той, что возникает на закипевшем молоке. Благодаря конвекции солнечной атмосфере, тепловая энергия из нижних слоев переносится в фотосферу, придавая ей пенистое строение. В 1960-х гг. астрономы обнаружили, что верхний слой атмосферы примерно один раз в 5 минут  поднимается и опускается. Так что Солнце как бы вибрирует, подобно звенящему колоколу. Изучая эти вибрации астрономы надеются узнать, что представляет собой внутренность солнечного шара.

3.2. Пятна на Солнце.

В поверхностном слое Солнца, где его энергия вырывается в виде света, астрономы наблюдают большое разнообразие солнечной активности. Пятна на Солнце являются очевидными ее признакам. Это более холодное и менее светлые области солнечного диска по сравнению с общей яркостью фотосферы. Самые большие пятна можно иногда увидеть в тот момент, когда Солнце опускается за горизонт, именно таким образом проводили свои наблюдения китайские астрономы 2 000 лет назад. Древние астрономы считали, что эти пятна являются эффектом нашей, земной атмосферы, но в XVIII веке Галилей опроверг эту идею. Он использовал свой телескоп для исследования солнечных пятен в 1660 г и сделал много важных открытий. Например, Галилей обнаружил , что пятна могут появляться и исчезать и что они меняются в размере. Проследив за перемещением пятен по солнечному диску, он доказал, что Солнце вращается. Он наблюдал так же изменение формы пятен при их приближении к  краям видимого диска. Солнечные пятна имеют более темную центральную часть, называемую тенью. Она окружена менее темной полутенью. Гигантские солнечные пятна – это те области, где мощные магнитные силы пробиваются из нутрии Солнца сквозь поверхностные слои. Большие пятна по величине превосходят Землю и могут сохраняться до двух месяцев.

3.4. Солнечная активность.

Солнце вращается не как твердое небесное тело. В отличие от Земли разные части Солнца вращаются с различными скоростями. Быстрее всего крутится экватор, делая один оборот за 25 дней. При удалении от экватора скорость снижается, и в полярных областях один оборот занимает уже 35 дней. Различные скорости вращения возможны только потому, что Солнце – это газовый шар. Одно из следствий состоит в закручивании магнитного поля Солнца, что увеличивает солнечную активность.

Пятна на Солнце – это лишь один пример солнечной активности. «Погодные явления» в солнечной атмосфере совершенно отличны от земных. Магнитные бури и взрывы, называемые вспышками, внезапно вздымаются над поверхностью Солнца. В некотором отношении они напоминают земные грозы, поскольку высвобождают электрическую энергию. Однако на Солнце энергия гигантских разрядов намного превосходит энергию земных молний. Солнечные бури оказывают влияние на Землю, поэтому астрономы держат Солнце под постоянным  наблюдением. Солнечные  вспышки взметают электрически заряженные частицы в космос, что удивительным образом воздействует на нашу атмосферу.

3.5. Полярное сияние.

Когда потоки электрически заряженных частиц, порожденных солнечными вспышками, достигают Земли, они создают в нашем небе изумительные «занавесы» мерцающего света, которые видны при полярных областях и называются полярными сияниями. Пляшущие всполохи полярных сияний очень красивы, однако мощные взрывы на Солнце таят в себе и некую опасность. В течение нескольких секунд они выбрасывают больше энергии, чем произвели все земные электростанции за все время своего существования. Сильнейшая магнитная буря, произошла 11 сентября 2005 года, когда 50-часовые возмущения магнитного поля привели к отключению связи во многих районах Северной Америки и резкому снижению точности спутниковой навигации. Потоки электрически заряженных частиц, летящих от Солнца, вывели из строя электростанции, разрушая их оборудование. Солнечные вспышки опасны и для космонавтов: не следует выходить в открытый космос, когда они происходят. Частицы, выбрасываемые вспышкой и несущие большую энергию, могут нанести вред организму человека.