Солнечная система и ее строение

 

Солнечная система вращается вокруг центра Галактики со скоростью 200–220 км/с, совершая один оборот за 180–200 млн. лет. За все время существования Земля облетела вокруг центра Галактики не больше 20 раз. На Земле 200 млн. лет – продолжительность тектонического цикла. Это очень важный этап в жизни Земли, характеризующийся определенной последовательностью тектонических событий. Цикл начинается погружением земной коры, накоплением мощных толщ осадков, подводным вулканизмом. Далее усиливается тектоническая деятельность, возникают горы, меняются очертания материков, что, в свою очередь, вызывает изменение климата.

Солнечная система состоит из центральной звезды – Солнца, восьми планет, более 60 спутников, более 40 000 астероидов и около 1000 000 комет. Радиус солнечной системы до орбиты Плутона составляет 5,9 млрд. км.До 2006 года вСолнечную систему включали девять планет (Меркурий; Венера; Земля и Луна; Марс; Юпитер; Сатурн; Уран; Нептун, Плутон), однако согласно принятой Международным астрономическим союзом (МАС) резолюции, в которой были определены требования к планетам Солнечной системы, Плутон был исключен из их состава и переведен в разряд карликовых планет. Солнце совершает оборот вокруг своей оси за 25 земных суток. Вся Солнечная система обращается вокруг центра Галактики.

Солнце – центральная звезда Солнечной системы. Это ближайшая к Земле звезда. Диаметр Солнца составляет 1,39 млн. км, масса – 1,989 х 10³⁰ кг. По спектральной классификации звезд Солнце является «желтым карликом» (класс G 2), возраст Солнца оценивается в 5–4,6 млрд. лет. Солнце вращается вокруг своей оси против часовой стрелки, в том же направлении движутся планеты вокруг Солнца. Основное вещество, образующее Солнце, – водород (71% массы светила), на гелий приходится 27 %, на углерод, азот, кислород, металлы – 2 %.

Совокупность физических изменений, происходящих на Солнце, называют солнечной активностью. Одним из ее проявлений является возникновение солнечных пятен – областей сильных магнитных полей.

Другими формами проявления солнечной активности являются протуберанцы и хромосферные вспышки. Протуберанцы представляют собой облака горячего газа с турбулентным движением масс, которые могут подниматься до высот в миллионы километров. Хромосферные вспышки –наиболее мощное проявление солнечной активности.

В результате процессов, совершающихся на Солнце, в мировое пространство направляется рентгеновское, ультрафиолетовое, световое, инфракрасное радиоволновое излучение, выбрасываются потоки электрически заряженных частиц. В периоды максимума солнечной активности велика роль корпускулярного потока сверхвысокой энергии. С таким энергетическим источником связано проявление на Земле многих явлений: магнитных бурь, полярных сияний. Поступающая солнечная радиация обеспечивает возможность жизни на планете.

Солнце излучает два основных потока энергии – электромагнитное (солнечная радиация) и корпускулярное (солнечный ветер) излучение. Тепловое поле поверхности планет Солнечной системы создается солнечной радиацией. Электромагнитное излучение распространяется со скоростью света и за 8,4 мин достигает поверхности Земли. В спектре излучения выделяют невидимую ультрафиолетовую радиацию (около 7 %), видимую световую радиацию (47 %), невидимую инфракрасную радиацию (46 %). Доля самых коротких волн и радиоволн составляет менее 1 % излучения. Корпускулярное излучение – поток заряженных частиц (электронов и протонов), идущий от Солнца. Скорость его 1500–3000 км/с, он достигает магнитосферы за несколько суток. Магнитное поле Земли задерживает корпускулярное излучение, и заряженные частицы начинают двигаться по магнитным силовым линиям.

Наблюдениями установлено, что солнечная активность подвержена циклическим изменениям. Период изменений составляет в среднем 11 лет. Существует также 90-летняя периодичность солнечной активности.В пик солнечной активности возрастает поток заряженных частиц. Подходя к магнитосфере, поток увеличивает ее напряженность, на Земле начинаются магнитные бури. В это время активизируются тектонические движения, начинаются извержения вулканов. В атмосфере возрастает количество атмосферных вихрей – циклонов, усиливаются грозы. Наиболее ярким и впечатляющим проявлением бомбардировки атмосферы солнечными частицами являются полярные сияния. Это свечение верхних слоев атмосферы, вызванное ионизацией газов.

Планеты расположены от Солнца в такой последовательности: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун (Плутон – утратил статус планеты и с 2006 года переведен в разряд карликовых планет). Все планеты имеют общие свойства и особенности. К общим можно отнести следующие свойства:

– все планеты имеют шарообразную форму;

– все планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении против часовой стрелки для наблюдателя, смотрящего со стороны Северного полюса Мира. Это направление называется прямым. В таком же направлении движутся почти все спутники и астероиды;

– осевое вращение большинства планет происходит в том же направлении – против часовой стрелки. Исключение составляют Венера и Уран, они вращаются по часовой стрелке;

– орбиты большинства планет близки по форме к окружности, эксцентриситет (отношение расстояния между центром и фокусом эллипса к длине большой полуоси) их мал, поэтому планеты не подходят близко друг к другу, их гравитационное воздействие мало (только у Меркурия и Плутона орбиты сильно вытянуты);

– орбиты всех планет находятся примерно в одной плоскости эклиптики. Причем каждая следующая планета – примерно в два раза дальше от Солнца, чем предыдущая.

Планеты условно делятся на две большие группы: планеты земной группы и планеты-гиганты. К первой группе относятся Меркурий, Венера, Земля, Марс. Вторую группу образуют Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Плутон по размерам и свойствам ближе к ледяным спутникам планет-гигантов.

Планеты земной группы отличает близкое расположение к Солнцу, небольшие размеры (радиус Меркурия равен 2440 км, Венеры – 6052, Земли – 6371, Марса – 3390 км), высокая плотность вещества (Меркурий – 5,42 г/см³, Венера – 5,25 г/см³, Земля – 5,5 г/см³, Марс – 3,95 г/см³); основными их составляющими являются силикаты (соединения кремния) и железо, следовательно, планеты земной группы твердые тела. Планеты медленно вращаются вокруг своей оси (у Меркурия период вращения равен 58,7 земных суток, у Венеры – 243, у Марса – немного больше суток). Из-за медленного вращения полярное сжатие у планет небольшое, т.е. они имеют близкую к шару форму. Планеты земной группы обладают значительной скоростью орбитального движения (Меркурий – 48 км/с, Венера – 35 км/с, Марс – 24 км/с). Планеты имеют всего три спутника: у Земли – Луна, у Марса – Фобос и Деймос.

Планета Земля – третья от Солнца планета Солнечной системы и самая крупная планета земной группы. Вместе с Луной Земля образует систему – двойную планету.

Земля образовалась около 5 млрд. лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газо-пылевого вещества, содержащего все известные в природе химические элементы. Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества, которой способствовал постепенный разогрев земных недр, в основном за счет теплоты, выделявшейся при распаде радиоактивных элементов (урана, тория, калия и др.). Результатом этой дифференциации явилось разделение Земли на концентрически расположенные слои – геосферы, различающиеся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное мантией. Из наиболее легких и легкоплавких компонентов вещества, выделившихся из мантии в процессах выплавления,возникла расположенная над мантией земная кора.

Вокруг Солнца Земля вращается по эллиптической орбите, в одном из фокусов которой расположено Солнце. Средний радиус орбиты 149,6 млн. км, в перигелии он уменьшается до 147,117 млн. км, а в афелии увеличивается до 152,083 млн. км. Скорость орбитального движения составляет 29,765 км/с, период обращения – 365,26 средних солнечных суток. Планета вращается вокруг оси, наклоненной к плоскости орбиты под углом 66º33^/22^//, делая оборот за 23 ч. 56 мин. 4 сек.

Планеты-гиганты расположены на большом расстоянии от Солнца, имеют большие размеры (радиус Юпитера равен 69 911 км, Сатурна – 58 232 км, Урана – 25 362 км, Нептуна – 24 624 км), однако плотность планет небольшая (Юпитер – 1,3 г/см³, Сатурн – 0,69 г/см³, Уран – 1,29 г/см³, Нептун – 1,64 г/см³). Наиболее распространенными на них химическими элементами являются водород и гелий, следовательно, планеты-гиганты представляют собой газовые шары. Все планеты-гиганты с большой скоростью вращаются вокруг своей оси, период осевого вращения планет колеблется от 10 ч – у Юпитера, до 17 ч – у Урана. Благодаря быстрому вращению планеты имеют большое полярное сжатие (у Сатурна – 1/10). Скорость орбитального вращения у планет небольшая (полный оборот вокруг Солнца Юпитер совершает за 11,86 года, а Нептун за 165 лет).

В Солнечной системе 99,9 % массы заключено в Солнце, поэтому основная сила, управляющая движением тел в Солнечной системе – это притяжение Солнца. Так как планеты двигаются вокруг Солнца в одной плоскости практически по круговым орбитам, их взаимное притяжение невелико, но и оно вызывает отклонения в движении планет. Вероятно, большее взаимодействие планет происходит тогда, когда они подходят близко друг к другу. Известно явление, называемое «парадом планет», когда на одной линии выстраивается большинство планет (2002 год – на одну линию «встали» пять планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн).

Астероиды (от греч. astereideis – звездоподобные) – малые планеты Солнечной системы. Они образуют тонкое кольцо между орбитами Марса и Юпитера (предположительно образовались после разрушения планеты Фаэтон или за счет сгустков первичного газопылевого облака). Их среднее расстояние от Солнца 2,8 – 3,6 а.е. Первый астероид был назван Церера (1801 год), к 1880 году астероидов было известно уже около 200, сейчас орбиты вычислены для более 40 000 астероидов. Самый большой астероид Церера имеет диаметр 1000 км, диаметр Паллады – 608, Весты – 540, Гигии – 450 км. Практически все астероиды имеют неправильную форму, только самые крупные приближаются к шару.

Кометы (от греч. kometes – хвостатые) небольшие несветящиеся тела Солнечной системы, которые становятся видимыми только при подходе к Солнцу. Движутся по сильно вытянутым эллипсам. Число комет измеряется миллионами. С приближением к Солнцу у них резко обособляется «голова» и «хвост». Головная часть состоит изо льда и частиц пыли. В разреженной газопылевой среде хвоста обнаружены ионы натрия и углерода. Одна из самых известных комет – комета Галлея, каждые 76 лет она появляется в зоне видимости Земли.

Метеоры – мельчайшие твердые тела массой несколько граммов, вторгшиеся в атмосферу планеты. Мелкие частицы вещества, двигаясь со скоростью 11–12 км/с, из-за трения в атмосфере разогреваются до 1000º С, что вызывает их свечение на протяжении нескольких секунд. Они сгорают в атмосфере, не долетая до поверхности. Метеоры делятся на единичные и метеорные потоки. Наиболее известны метеорные потоки: Персеиды (падают в августе), Дракониды (октябрь), Леониды (ноябрь). Если Земля пересекает орбиту метеорного потока, частицы «налетают на планету», начинается «звездный дождь». Упавшие на поверхность планеты небесные тела называются метеоритами. Наибольший метеорный кратер на Земле имеет диаметр 1265 м и расположен в Аризоне около каньона Диабло. Наиболее распространенными элементами метеоритов являются кислород, железо, кремний, магний, никель и др.

Межпланетное вещество в пределах Солнечной системы представлено не только массивными телами, но и в виде пыли и газа, состоящего из атомов водорода. Значительная часть вещества во Вселенной находится в особой форме, которую называют плазмой. Космическая плазма чрезвычайно разрежена. Пылевые скопления (облака) обнаруживаются при прохождении искусственных спутников Земли. Протяженность таких облаков 3–5 млн. км.Постоянным источником пыли в межпланетном пространстве являются астероиды.

Солнечно-земные связи – ответные реакции ГО на изменения солнечной активности. К солнечно-земным связям необходимо отнести:

– динамический фактор, т.е. совокупность явлений, обусловленных движением Земли вокруг Солнца по орбите и вековыми изменениями параметров движения (прежде всего положения земной оси в пространстве);

– энергетический фактор, связанный с поступлением солнечной радиации. На уровне земной поверхности изменчивость энергетического фактора определяется известными обстоятельствами – суточным ритмом, сменой времени года и состоянием атмосферы и земной поверхности;

– вещественный поток α- и β-частиц, т.е. протонов и электронов «солнечного ветра», который участвует в материальном балансе верхней части атмосферы (экзосферы и ионосферы).

 

 

Форм и размеры Земли (Планетарные факторы развития ГО)

ПервыепредставленияоформеиразмерахЗемлипоявилисьв ДревнейГреции.Пифагор(VIв.дон.э.)иегоученикипровозгласилиЗемлюшаром,считая,чтоэтосамаяидеальнаяфигура. ШарообразнуюформуЗемлиАристотель(IVв.дон.э.)доказываллуннымизатмениями,изменениемзвездногонебапридвижениипомеридиануирасширениемгоризонтаприподъеме. Эратосфен(II Iв.дон.э.)впервыепроизвелизмерениедлины меридиана.Онзаметил,чтовденьлетнегосолнцестояниявСиене(Асуан)Солнцеосвещаетдносамыхглубокихколодцев,следовательно,стоитвзените.ВАлександрииСолнцевэтовремя отстоитотзенитанаугол7 °12',чтосоставляет 1/50 частьокружности.ИзмериврасстояниемеждуСиенойиАлександриейиумноживнапятьдесят,ЭратосфенвычислилдлинумеридианаЗемли,а, следовательно,ирадиусЗемли.Полученныеимразмерырасходятсясрезультатамисовременныхвычисленийменеечем на25км.

Фигура Земли – понятие модельное, некоторая идеализация, с помощью которой стремятся описать форму планеты. В зависимости от цели описания пользуются различными моделями формы планеты – различными фигурами.

1. С фера. Это наиболее общая модель формы нашей планеты. Сфера не имеет выраженной единственной оси симметрии – все ее оси равноправны, их бесчисленное множество, как и экваторов.

Шарообразность планеты соответствует равновесию, устано­вившемуся под действием силы тяжести, при условии, если бы Земля не вращалась вокруг своей оси и имела бы однородный вещественный состав. В результате вращения Земли возникла центробежная сила, под влиянием которой появилось сжатие в направлении оси вращения. Земля приняла форму сфероида или эллипсоида вращения. Сжатие Земли было обнаружено по разности качания маятника на разных широтах и теоретически обосновано законом всемирного тяготения И. Ньютона.Однако Земля, как уже отмечалось, имеет одну ось вращения и экваториальную плоскость – плоскость симметрии (а также плоскости симметрии меридианов). Это несоответствие сферической модели Земли ее реальной форме ощутимо проявляется при изучении горизонтальной структуры ГО, характеризующейся выраженной поясностью и известной симметрией относительно экватора (с элементами диссимметрии).

2. Э ллипсоид вращения. На основании многочисленных геодезических измерений были предложены разные значения параметров земного эллипсоида. Для задания системы координат и обработки геодезических измерений с 1946 г. принят эллипсоид Красовского, названный в честь выдающегося советского ученого. Тип симметрии эллипсоида вращения отвечает указанным выше особенностям формы Земли (выраженная ось, экваториальная плоскость симметрии, меридиональные плоскости). Эта модель используется в высшей геодезии для расчета координат, построения картографических сеток и других вычислений.

Средний экваториальный радиус – 6378,160 км;

Средний полярный радиус – 6356,777 км;

Полярное сжатие – 21,383 км.

3. Трехосный кардиоидальный эллипсоид вращения. Северный полярный радиус больше южного на 30–100 м.На основании изучения движения искусственных спутников Земли была установлена полярная асимметрия земного эллипсоида. Оказалось, что Земля имеет сердцевидную форму, причем северный полюс ее приподнят, по сравнению с южным, примерно на 30 м. Такую форму Земли предложено называть кардиоидом. Причину полярной асимметрии следует искать в действии гравитационного поля Галактики.

4. Из-за неравномерности распределения массы и неоднородности вещественного состава Земли ее фигура отклоняется от правильной формы сфероида. На это отклонение влияет также действие гравитационного поля Галактики. Истинная геометрическая фигура Земли была названа геоидом. Геоид определяется как фигура, поверхность которой совпадает с уровенной по­верхностью Мирового океана. В каждой точке геоида направле­ние силы тяжести перпендикулярно к его поверхности. Геоид – уровенная поверхность, совпадающая со средним уровнем мирового океана (МО) и являющаяся геометрическим местом точек пространства, имеющих одинаковый потенциал тяжести. Теоретически поверхность геоида в каждой точке перпендикулярна к направлению силы тяжести (т.е. линии отвеса) и отождествляется со средним положением спокойной водной поверхности в океанах и открытых морях, мысленно продолженной также и под материками. Поверхность геоида всюду выпуклая (что отвечает выпуклости океанической поверхности).

Несмотря на всю сложность своей поверхности, геоид мало отличается от сфероида. Отклонения, за отдельными исключениями, составляют не более +- 100 м, т.е. поверхность геоида редко выступает над поверхностью сфероида более чем на 100 м и редко погружается под поверхность сфероида более чем на такую же величину. Средняя же величина отступления геоида от наиболее удачно подобранного земного эллипсоида не превышает ± 50 м. Работы по вычислению размеров Земли, выполненные под руководством Ф.Н. Красовского (1940–1946), показали, что геоид близок к трехосному эллипсоиду вращения. У Земли один экваториальный радиус больше другого на 213 м.

Сфероидальность Земли является главной причиной географической зональности. Уточнение фигуры Земли позволило объяснить причины нарушения географической зональности в северном и южном полушариях. Как было выяснено, неоднородное строение земной' коры привело к неравномерному распределению материков и океанов. Указанная полярная асимметрия явилась причиной океаничности южного полушария (здесь площадь океана со­ставляет 81 %, суши – 19 %).

Другое следствие полярной асимметрии – асимметрия расположения географических зон. В качестве примера можно привести зоны тундры и тайги, распространенные в северном полушарии, но отсутствующие в южном. В полярной области южногополушария расположен материк Антарктида, покрытый мощ­ным ледником.Размерами Земли определяются параметры географической, оболочки, пространственное соотношение суши и океана.