Текст книги "Концепции современного естествознания"
Автор книги: авторов Коллектив
сообщить о нарушении
Текущая страница: 12 (всего у книги 26 страниц)
6.4. Солнечная система
В настоящее время проблема происхождения Солнечной системы остается открытой.
Гипотезы ее возникновения следующие:
♦ Планеты Солнечной системы 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
Небулярная гипотеза Канта—Лапласа. Согласно естественнонаучным взглядам философа И. Канта, орбитальное движение планет возникло «после нецентрального удара частиц как механизма возникновения первичной туманности» (ошибочное предположение, 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 г.).
П. Лаплас – французский ученый-физик, 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.
Приливная, или планетозимальная, гипотеза. В XX в. американские астрофизики Т. Чемберлен и Ф. Мультон рассмотрели идею встречи Солнца со звездой, вызвавшей приливной выброс солнечного вещества (1906 г.), из которого и образовались планеты.
С. Аррениус – американский астрофизик, допустил и прямое столкновение Солнца со звездой (1913 г.). Предполагается, что в результате появилось некое волокно, распавшееся при вращении на части – основу планет.
Еще один американский астрофизик – Дж. Джинс – предположил (1916 г.), что какая-то звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала «приливные выступы», принявшие форму газовых струй, из которых и возникли планеты.
Гипотеза захвата Солнцем межзвездного газа. Ее предположил шведский астрофизик X. Альфен (1942 г.). Атомы газа ионизировались при падении на Солнце и стали двигаться по орбитам в его магнитном поле, поступая в определенные участки экваториальной плоскости.
Академик-астрофизик В. Г. Фесенков (1944 г.) 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 (40-е г. XX в.) рассчитали независимо друг от друга фигуры равновесия вращающейся жидкой несжимаемой массы.
Согласно взглядам О. Струве – английского астрофизика (40-е гг. XX в.), 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.
Кометная гипотеза происхождения планет Солнечной системы. Эту популярную ныне гипотезу предложил А. А. Маркушевич (1992 г.). 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. Возникал состав, свойственный составу комет. Частицы сталкивались между собой, 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 позволявшую рассеиваться теплоте в космическом пространстве. Так планеты приобрели 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. Общая масса планет составляет 448 масс Земли, а спутников – 0,12 массы Земли. Суммарная масса планет и спутников составляет лишь 1/750 часть массы Солнца. Планеты Солнечной системы достаточно сильно отличаются друг от друга.
Ближайшие к Солнцу планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс – называются твердыми планетами, поскольку имеют плотность, в 4–5 раз превышающую плотность воды, и твердую поверхность. Плутон представляет собой несформировавшуюся твердую планету, по своим характеристикам напоминающую планеты первой группы. Кроме того, у Плутона есть спутник Xарон, лишь в два раза меньший Плутона. Наконец, существуют предположения о большой десятой темной планете.
Каждую из планет можно охарактеризовать по девяти основным параметрам. Это расстояние от Солнца, период обращения вокруг Солнца, период обращения вокруг своей оси, средняя плотность (г/см3), диаметр экватора в километрах, относительная масса (масса Земли принимается за единицу), температура поверхности, число спутников, преобладание газа в атмосфере.
Ближайшей к Солнцу планетой является Меркурий. Он состоит из большого железного ядра, расплавленной каменистой мантии и твердой коры. По внешнему виду Меркурий напоминает Луну. Его поверхность испещрена кратерами и огромными уступами (высотой до 3 км), сформировавшимися в результате остывания и сжатия поверхности планеты. Сила тяжести на Меркурии в два раза меньше земной, поэтому атмосфера практически отсутствует. На планете царят безмолвие и экстремальные температуры – до 350 °C на освещенной Солнцем стороне планеты и до -170 °C на ночной стороне.
Венера по размерам, массе и плотности сходна с Землей. Однако она имеет очень плотную атмосферу, пропускающую солнечное излучение и не выпускающую его обратно. Поэтому на Венере действует парниковый эффект, который сейчас отмечается и на Земле. В результате этого эффекта температура поверхности Венеры составляет 400500 °C. Поверхность Венеры сияет так ярко, что Венера занимает третье место по яркости (после Солнца и Луны) среди всех видимых с Земли объектов.
Ближайшее к Земле небесное тело – ее спутник Луна. Луна имеет небольшое ядро из железа и серы, окруженное полурасплавленной астеносферой. Над астеносферой расположена литосфера (твердая каменная оболочка), и над ней – кора из минералов, богатых кальцием и алюминием. Поверхность Луны изрыта кратерами, имеет огромные равнины (моря) и горы.
Планеты Солнечной системы (газовые). Вторая четверка планет (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) – газообразные, большие, с плотностью 0,7–1,7 г/см3 (то есть чуть меньше или чуть больше плотности воды). Юпитер является крупнейшей планетой Солнечной системы. Вместе со своими 16 спутниками он составляет Солнечную систему в миниатюре. Масса Юпитера в три раза превосходит массу всех остальных планет Солнечной системы.
В центре Юпитера находится небольшое каменное ядро. Его окружает вначале слой металлического водорода, по свойствам напоминающего жидкий металл, затем слой жидкого водорода. Плотная атмосфера Юпитера состоит из водорода, гелия, метана и аммиака и по толщине в 8-10 раз превосходит земную атмосферу. Если попытаться высадиться на Юпитер, то космический аппарат будет долго тонуть в атмосфере, однако посадки так и не произойдет. Из 16 спутников Юпитера наиболее известны четыре, открытые еще Галилеем. Это Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Ио по размерам чуть больше Луны. Мощные приливные силы Юпитера разогревают ядро Ио, и на этом спутнике идет активная вулканическая деятельность.
Сатурн известен своими кольцами. В начале 1980-х гг. с помощью космического зонда «Вояджер» было выяснено, что кольца Сатурна состоят из огромного количества кусков льда различного размера – от пылинок до глыб. Помимо колец у Сатурна есть 17 спутников, из которых Титан имеет самую плотную атмосферу. У Сатурна самая низкая плотность среди планет Солнечной системы. Его небольшое ядро из льда и камня окружено слоями металлического и жидкого водорода. В атмосфере Сатурна бушуют ветры, скорость которых достигает 1800 км/ч. Уран, Нептун и Плутон удалены настолько, что достоверной информации об их составе не удавалось получить до 1986 г. В 1986 г. космический зонд «Вояджер-2» передал фотографии Урана и Нептуна, по которым были установлены состав атмосферы и наличие вихрей, а также обнаружены спутники этих планет.
Кометы, астероиды, метеорное вещество. Помимо 9 крупных спутников (планет) Солнце имеет множество мелких спутников, называемых астероидами. Большинство из них находится в поясе астероидов, между орбитами Марса и Юпитера. Есть также группа астероидов (Троянцы и Греки), движущаяся вдоль орбиты Юпитера, и другие группы. Всего в астрономических каталогах зафиксировано более 6000 малых планет.
Помимо астероидов, движущихся по орбитам, подобным орбитам планет, Солнечную систему пересекают кометы. Орбиты комет одним краем приближены к Солнцу, другим удалены от него, иногда на очень значительные расстояния. Например, удаленный край орбиты кометы Энке с периодом обращения 3,3 года не достигает орбиты Юпитера. Орбита кометы Галлея с периодом обращения 76 лет не достигает орбиты Плутона. Орбита кометы Когоутека с периодом обращения 75 000 лет выходит далеко за пределы орбиты Плутона.
По современным гипотезам, кометы представляют собой огромные глыбы из льда и камня, которые испаряются при подходе к Солнцу и образуют газовый и пылевой хвосты, направленные от Солнца. Со временем кометы рассыпаются, оставляя 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. Землю ежесекундно бомбардируют тысячи метеоритов – обломков космических тел. Однако большинство из них сгорает в атмосфере, не достигая поверхности Земли. Крупные метеориты могут взрываться, оставляя кратеры на земной поверхности.
Вопросы для самопроверки
1. Что изучают астрономия, космология, космогония?
2. Какие единицы измерения расстояний используются в астрономии?
3. В чем сущность космологической модели расширяющейся Вселенной?
4. Как, предположительно, произошел Большой Взрыв Вселенной?
5. Каково среднее расстояние между галактиками?
6. Что такое квазары?
7. Как классифицируются галактики? Каково строение нашей Галактики?
8. Каков химический состав звезди каким образом он определяется?
9. Как характеризуется интенсивность блеска звезд?
10. На какие виды классифицируются звезды?
11. Каково строение Солнца?
12. Какие процессы являются источником солнечной энергии?
13. Охарактеризуйте гипотезы возникновения Солнечной системы.
14. Дайте общую характеристику планетам Солнечной системы.
Глава 7
ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ
7.1. Форма и размеры Земли
Земля является объектом изучения многих наук: от геологии и тектоники до философии и культуры. В совокупности этих наук выделяются отраслевые науки, изучающие отдельные части вертикальной и горизонтальной структуры Земли, и системные науки, синтезирующие всю совокупность знаний о Земле для решения теоретических или прикладных проблем.
Среди отраслевых наук особое развитие получили геология (наука о литосфере), гидрология (наука о гидросфере), климатология (наука об атмосфере), геофизика (наука, изучающая Землю как физическое тело), геохимия (наука, изучающая естественные химические процессы, протекающие в пределах Земли), геоморфология (наука, изучающая рельеф Земли), почвоведение (наука, изучающая почвы на поверхности Земли), биогеография (наука, изучающая распределение живого вещества на поверхности Земли).
К системным наукам относится география, синтезирующая знания отраслевых наук применительно к поверхности Земли. При этом физическая география изучает естественные природные комплексы, формирующиеся на поверхности Земли в результате взаимодействия биотических и абиотических факторов, а социально-экономическая география изучает социально-экономические комплексы, формирующиеся на поверхности Земли в результате освоения человеком ее территорий.
В IV в. до н. э. древнегреческий ученый Аристотель заметил, что тень от Земли на Луне, наблюдаемая во время лунных затмений, всегда имеет одинаковую круглую форму. Он предположил, что Земля, как Луна и Солнце, является шарообразным телом. Это наблюдение было очень важным для развития человеческой мысли.
Но Земля – не идеальный шар, она сплюснута у полюсов и расширена к экватору. Такое геометрическое тело называется сфероидом, или эллипсоидом вращения. Однако истинная форма Земли сложнее из-за неоднородного строения недр. Известный ученый В. И. Вернадский назвал такую форму геоид(«землеподобный»). Геоид – это фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести. Поверхность геоида совпадает с уровнем Мирового океана и сообщающихся с ним морей при некотором среднем уровне воды, отсутствии течений, волн, приливов и др.
В настоящее время с помощью космических методов исследования ученые с достаточной степенью точности могут составить модель поверхности Земли, которую по форме иногда сравнивают с обкусанным яблоком, подчеркивая при этом неоднородность ее поверхности.
Полярный радиус Земли составляет 6357 км, а экваториальный – 6378 км, то есть больше полярного на 21 км (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Форма и размеры Земли
► Земная ось – это воображаемая прямая, проходящая через центр Земли. Две точки, через которые проходит ось Земли, называются полюсами. Их два – Северный и Южный.
На одинаковом расстоянии от полюсов проходит воображаемая линия – экватор. К северу от экватора – Северное полушарие, к югу – Южное. Длина экватора составляет немногим более 40 000 км.
7.2. 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 вида ритмов: 11-летний ритм, 22-23-летний ритм, 80-90-летний ритм. Обращение Земли вместе со всей Солнечной системой вокруг центра Галактики за 220–250 млн лет определяет геологическую ритмику, то есть смену геологических эпох.
Поскольку существуют еще гравитационные связи между планетами, движение комет и многие другие взаимодействия, количество космических ритмов может быть весьма значительным. Ясно, что все они так или иначе оказывают воздействие на неживую природу, живую природу и человека.
Наиболее очевидным ритмом является смена дня и ночи. Животный и растительный миры обязаны приспосабливаться к этому ритму для успешной жизнедеятельности.
Люди, наблюдая за Солнцем, заметили, что через определенное время повторяется восходи заход Солнца.
► Промежуток времени между двумя восходами (или заходами) называется сутками.
Солнце постоянно освещает Землю, однако во время своего движения Земля поворачивается к Солнцу то одной стороной, то другой. На освещенной Солнцем стороне бывает день, на противоположной – в это время ночь.
Земля совершает полный оборот вокруг своей оси с запада на восток за 24 часа, то есть за сутки. В разных местах земного шара, расположенных на разных меридианах, то есть имеющих разную долготу, в один и тот же момент часы показывают разное время суток. Но на одном и том же меридиане в каждой его точке от Северного полюса до Южного время суток оказывается одним и тем же. Это время называется местным.
Но пользоваться местным временем неудобно, это мешает при осуществлении связей между разными странами и между частями нашей огромной по протяженности с запада на восток страны. Поэтому астрономы разработали и предложили ввести систему поясного времени. Для удобства отсчета времени решением Международного конгресса поверхность Земли разделили меридианами на 24 часовых пояса, каждый из них включает в себя 15° долготы (Земля за 1 час поворачивается на 15°). Время каждого часового пояса отличается от последующего на 1 час. Нумерация поясов от 0 до 23 ведется с запада на восток от Гринвичского меридиана. Во всех пунктах, находящихся в пределах одного пояса, в данный момент считается одно и то же время. Москва находится во 2-м часовом поясе.
Во многих странах мира осуществляется переход на декретное время (от лат. decretum – указ, постановление) – поясное время, переведенное вперед или назад на 1 час с целью наиболее рационального использования светлой части суток (летнее или зимнее время). В России поясное время отличается от декретного на 1 час. Поэтому Москва, находясь во 2-м часовом поясе, практически живет по времени 3-го часового пояса. Таким образом, когда в Москве 13 часов (московское время), то в Париже – 11 часов (среднеевропейское время), в Лондоне – 10 часов (Гринвичское время) (рис. 7.2).
Скорость движения планет вокруг Солнца зависит в первую очередь от положения их орбит. Чем дальше находится планета от Солнца, тем больше ее орбита, тем длиннее ее год. Например, год на Юпитере продолжается почти 12 земных лет, на Сатурне – почти 30. Самая далекая планета Солнечной системы Плутон делает один оборот вокруг Солнца за 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 четыре года, когда из шести часов «накопятся» 24 часа, в году бывает 366 дней. Этот год называется високосным, а один день прибавляется к февралю.
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 подуглом 66,5°.
Рис. 7.2. Часовые пояса Земли
Благодаря обращению Земли вокруг Солнца и постоянному наклону земной оси на нашей планете сменяются времена года и существуют пояса освещенности. Наблюдения показывают, что в нашу эпоху положение планеты в Солнечной системе практически не менялось и земной год– величина достаточно постоянная.
Смена времен года. На рис. 7.3 показано годовое движение Земли вокруг Солнца в разное время года. 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.
Рис. 7.3. Схема годового движения Земли вокруг Солнца
► Тропики (от греч. tropikos – круг поворота) – географические параллели 23°27 широты, на которых один раз в год, в один из дней солнцестояния, полуденное солнце бывает в зените.
22 декабря, в день зимнего солнцестояния, Солнце находится в полдень в зените для мест, лежащих в Южном тропике (тропик Козерога).
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 (тропик Рака). В Южном полушарии в это время зима, в Северном – лето.
► Полярные круги – географические параллели 66°33 широты, на которых в один из дней солнцестояния наблюдается полярный день, а в другой – полярная ночь. Они являются границами зон полярных ночей и полярных дней.
Полярная ночь может длиться в полярных поясах от 1 суток на широте Северного или Южного полярных кругов до 178 суток на Северном или Южном полюсах. Во время полярной ночи Солнце не появляется над горизонтом. В Северном полушарии на широте Северного полярного круга этот период начинается 22 декабря, а в более высоких широтах – раньше и длится дольше.
Полярный день – это период, когда Солнце не спускается за горизонт. Чем дальше от Полярного круга к полюсу, тем длиннее полярный день. На широте Полярного круга он длится 1 сутки, а на полюсе – 189 суток. В Северном полушарии на широте Северного полярного круга полярный день начинается 22 июня, а в более высоких широтах – раньше и длится дольше.
Аналогичное явление имеет место в Южном полушарии, но в другое полугодие.
Календарные системы. На основе космической ритмики созданы различные календарные 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. Так, главный цикл (продолжительностью 1460 лет) начинался с восхода звезды Сириус. Год состоял из 12 месяцев по 30 дней, 5 дней прибавлялись к последнему месяцу в конце каждого года. 12 месяцев распределялись по трем сезонам: сезону половодья (реки Нил), длившемуся с середины июля до середины ноября; сезону восходов (с середины ноября до середины марта); сезону засухи.
В настоящее время во всех цивилизованных странах используется григорианский календарь. Это солнечный календарь, разработанный врачом и математиком Л. Лилио и введенный папой римским Григорием XIII в 1582 г. 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 составляло 10 суток, а с марта 1900 г. – уже 13 суток. В России григорианский календарь введен 1 февраля 1918 г. (14 февраля по григорианскому календарю).
Во многих мусульманских странах принят лунный календарь, базирующийся на смене фаз Луны, – новолуние; нарождающаяся Луна (серп повернут рожками влево); неполная Луна; полнолуние; снова неполная Луна; убывающая Луна (серп повернут рожками вправо). Период между двумя новолуниями (29,5 суток) – лунный месяц. 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. Начало лунного года отодвигается на все более ранние даты солнечного календаря.
