Дмитриева В.Ф., Михайлов М.А., Икренникова Ю.Б. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

процесс «выгорания» дейтерия и превращения его в гелий. После «выгорания»

дейтерия во внешних слоях ядра звезды начинается медленный процесс ее

гравитационного сжатия. Температура звезды практически остается

неизменной, а ее радиус уменьшается. Процесс длится около 9 млн. лет. Далее

происходит горение изотопов лития, бериллия, бора, температура достигает

порядка 14 · 10

К и начинаются реакции превращения водорода в гелий.

Перестройка звезды продолжается примерно 40 млн. лет и только потом она

выходит на главную последовательность.

В 1942 году М. Шенберг и С. Чандрасекар (США) показали, что на главной

последовательности звезда находится до тех пор, пока в центре звезды не

образуется гелиевое ядро с массой примерно 10-20% от общей массы звезды.

Для Солнца время пребывания на главной последовательности составляет

около десяти миллиардов лет, а для звезды с массой в десять раз больше – 10

млн. лет.

Дальнейшая эволюция звезды существенно зависит от ее массы. Так если

масса звезды составляет 1 – 1,5 массы Солнца, то при достижении предела

Шенберга-Чандрасекара (времени пребывания на главной последовательности)

ядро звезды за время меньше миллиона лет сжимается, а оболочка звезды

расширяется. Звезда превращается в красного гиганта. Затем на протяжении

нескольких десятков тысяч лет оболочка ядра (планетарная туманность) плавно

расширяется. На месте звезды (ядра) остается белый карлик. Белые карлики

имеют массу приблизительно равную массе Солнца, а размеры, равные

примерно размерам Земли.

Если масса звезды составляет 1,5 - 10 масс Солнца, то конечным этапом ее

эволюции будет превращение в нейтронную звезду. Вещество звезды состоит в

основном из нейтронов. Остальные элементарные частицы представляют собой

просто примеси в пренебрежимо малых количествах. Радиусы нейтронных

звезд составляют порядка 10 км., а плотность вещества звезды достигает

миллиарда тонн в кубическом сантиметре.

В том случае, если масса звезды существенно превышает массу Солнца

(больше чем в 10 раз), ее завершающем этапом эволюции будет превращение в

черную дыру. В этом случае при сжатии звезды (с сохранением ее массы)

радиус звезды уменьшается, а сила тяготения быстро увеличивается. Из ОТО А.

Эйнштейна следует, что сила гравитационного притяжения становится

бесконечно большой еще до того, как радиус звезды уменьшится до нуля

(гравитационный радиус). Границей черной дыры является сфера с

гравитационным радиусом (горизонт). Для того чтобы преодолеть силу

гравитационного притяжения и оторваться от черной дыры, надо развить

скорость, превосходящую скорость света. Поэтому черная дыра ничего не

выпускает наружу, при этом втягивает в себя окружающее вещество,

увеличивая свои размеры. В настоящее время ведется активный поиск черных

дыр во Вселенной. Видимо наиболее продуктивным является поиск черных дыр

в двойных звездных системах по обнаружению рентгеновского излучения,

которое должно возникать при падении газа из атмосферы звезды на

поверхность черной дыры.

6. Состав и строение Солнечной системы

Солнечная система представляет собой группу небесных тел,

объединенных в единую систему благодаря гравитационному взаимодействию,

с центральным телом – Солнце. Кроме Солнца в состав Солнечной системы

входят: девять больших планет, спутники планет, астероиды – малые планеты,

кометы, метеориты и др.

Солнце представляет собой плазменный шар. Диаметр его составляет 1

392 000 км., что в 109 раз превосходит диаметр Земли. Средняя плотность

Солнца 1,4 · 10

кг/м

. Температура на поверхности Солнца порядка 6000

градусов, а в его центральной части достигает 15 млн. градусов. Масса Солнца

в 333 тыс. раз больше массы Земли. Наблюдения за поверхностью Солнца

показывают, что оно вращается вокруг своей оси и полный оборот делает за

25,4 земных суток. Среднее расстояние от Земли до Солнца – 149,5 млн. км.

(одна астрономическая единица). Солнце вместе с Землей и всей Солнечной

системой движется в мировом пространстве в направлении к созвездию Лиры

со скоростью 20 км/с.

Планеты (от греч. planetos – блуждающие) небесные тела, обращающиеся

вокруг звезды (Солнца). Они, в отличие от звезд, не излучают света, а светят

отраженным солнечным светом. Форма планет близка к шарообразной.

Восемь планет Солнечной системы подразделяются на две группы: 1) земная

группа планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и 2) юпитерная группа планет

– планеты гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Плохо изученная девятая

планета Плутон не относится ни к одной из групп.

Сравнивая между собой две группы планет, можно сказать, что планеты

земной группы характеризуются меньшей массой, меньшими размерами,

большой плотностью и сравнительно малой скоростью обращения вокруг

Солнца. Ни одна из планет земной группы не имеет развитой системы

спутников в отличие от планет группы Юпитера. Спутником Земли является

Луна; Фобос и Деймос – спутники Марса. Земля является единственной

планетой земной группы, обладающей сильным собственным магнитным

полем. Три планеты земной группы (Венера, Земля, Марс) обладают

атмосферой. У Марса она сохранилась в очень разреженном состоянии, а у

Меркурия полностью отсутствует. Только Земля обладает мощной

гидросферой, которая сформировалась одновременно с Землей. Следует

заметить, что планета Венера имеет обратное вращение, т.е. ее вращение

противоположно направлению вращения Солнца вокруг своей оси.

Из особенностей планет юпитерной группы следует отметить их

сравнительно большие размеры, малую плотность, хорошо развитую систему

спутников. Так у Юпитера имеется 14 спутников, у Сатурна – 10. Плоские

светящиеся кольца вокруг Сатурна состоят из множества мелких частиц.

Особенностью планеты Уран является характер его вращения: он движется как

бы «лежа на боку», плоскость его экватора перпендикулярна к плоскости

орбиты.

Малые планеты Солнечной системы – астероиды, отличаются от больших

планет своими малыми размерами и неправильной формой. Самый крупный из

астероидов – Церера – в поперечнике имеет 768 км. Большинство астероидов

находятся в области между орбитами Марса и Юпитера, образуя пояс

астероидов. Имеются предположения о том, что между Марсом и Юпитером

существовала еще одна планета Солнечной системы (Фаэтон). Астероиды,

согласно этой гипотезе, являются остатками Фаэтона, взорвавшегося сотни

миллионов лет назад. Кометы – небесные тела с малой массой, движущиеся

вокруг Солнца по сильно вытянутым эллиптическим орбитам. В комете

выделяют твердое ядро, его разряженное окружение и хвост, состоящий из

газов и пыли. Ядро кометы представляет собой глыбу льда с мельчайшими

металлическими частицами. При приближении к Солнцу под действием

солнечного тепла происходит разложение ядра с образованием его окружения и

хвоста кометы, который направлен в сторону противоположную Солнцу.

Метеориты – небесные тела, имеющие размеры 5 – 10 км. При попадании в

атмосферу Земли они разогреваются и проявляются в виде метеоров.

7 Строение и движение Земли

Радиус Земли составляет 6,38 · 10

м., ее масса 5,98 · 10

кг, плотность 5,5

· 10

кг/м

. Скорость обращения Земли вокруг Солнца примерно 30 км/с.

Земля третья от Солнца планета Солнечной системы. Она имеет форму

близкую к шарообразной (форму геоида). Под действием центробежной силы,

возникающей вследствие вращения Земли вокруг ее оси, Земля оказывается

сплюснутой у полюсов.

Земля состоит из литосферы (земная кора), протяженность вглубь которой

10 – 80 км., мантии и ядра. Самые верхние оболочки Земли – гидросфера и

атмосфера.

Земная кора в основном слагается из восьми химических элементов:

кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий.

Ядро занимает центральную область земного шара и имеет радиус около

3470 км. Ядро разделяется на две части: внутреннюю и внешнюю. Внутреннее

ядро находится в твердом состоянии, внешнее ядро – в жидкой фазе. Ядро

состоит из железа с примесью легких элементов или его оксидов в

металлическом состоянии.

Ядро окружено мантией, состоящей из тяжелых минералов, богатых

магнием и железом. Мантия является подвижной сферой Земли с

сосредоточением в ней расплавленного вещества. С мантией и ее

подвижностью связаны земной магнетизм, движение литосферных плит,

извержения вулканов и др.

Атмосфера Земли в основном состоит из азота (78 %), кислорода (21 %) и

других газов. Она разделяется на тропосферу (до 9 – 15 км.), стратосферу (до 55

км.), ионосферу, которая состоит из ионизированных под действием Солнца

частиц.

Гидросфера – водная оболочка, включающая в себя моря и океаны,

подземные воды, ледники и постоянные снега, поверхностные воды суши

(реки, озера, болота, искусственные водоемы). Некоторое количество воды

содержится в атмосфере и в живых организмах.

Земля вращается вокруг одного из своих диаметров – земной оси, которая

пересекается с ее поверхностью в двух диаметрально противоположных точках

– северном и южном географических полюсах. Один оборот вокруг своей оси

Земля совершает за 23 ч 56 мин 4 с; этот промежуток времени называется

звездными сутками.

Один оборот вокруг Солнца Земля совершает за 365 дней 6 ч 9 мин 9 с.

Этот период носит название звездного года. Орбита Земли представляет собой

эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. На протяжении года

расстояние от Солнца до Земли периодически меняется (147,1 млн. км. в

начале января и 152,1 млн. км. в начале июля). Ближайшая к Солнцу точка

земной орбиты называется перигелием, а самая далекая – афелием. Ось

вращения Земли образует с плоскостью земной орбиты угол в 23

К этим двум видам движения следует добавить еще три. Первое:

обращение Земли вокруг общего центра с Луной центра масс. Масса Луны

сравнима с массой Земли и Земля с Луной практически образуют двойную

систему. Один оборот система Земля – Луна вокруг общего центра масс

совершает за 27 суток и 8 часов. Второе: движение вместе с Солнечной

системой вокруг центра Галактики. Один оборот, который делает Земля вместе

с Солнечной системой вокруг центра Галактики, называется галактическим

годом. Он равен 280 млн. лет. Третье: разбегание галактик во Вселенной.

То обстоятельство, что ось Земли наклонена к плоскости орбиты и при

обращении Земли вокруг Солнца попеременно больше обращены к Солнцу то

Южное, то Северное полушария, приводит к смене времен года. Смена дня и

ночи является следствием вращения Земли вокруг собственной оси. Обращение

Земли и Луны вокруг общего центра масс и суточное вращение Земли вокруг

собственной оси приводят к периодическим подъемам уровня моря и

сменяющих их понижениям – приливам и отливам.

8 Проблемы происхождения и эволюции Солнечной системы и Земли

Существует несколько различных гипотез о происхождении Солнечной

системы и планеты Земля. Пожалуй здесь следует начать с гипотезы

французского естествоиспытателя Жоржа Бюффона (1707 – 1788). В своей

книге «Естественная история» он высказал идею, что Земля и другие планеты

образовались из осколков, оторвавшихся от Солнца при его катастрофическом

столкновении с кометой. Гипотеза Бюффона не подтверждалась ни фактами, ни

расчетами и была чисто умозрительной. Так Бюффон, например, не имел каких

– либо представлений о массах комет, которые очень малы.

Более подробно и шире проблема образования и развития Солнечной

системы была рассмотрена в работе Иммануила Канта «Общая естественная

история и теория неба» (1755) и в работе Пьера Лапласа «Изложение системы

мира» (1796).

Согласно гипотезе Канта вначале мир находился в самом примитивном

состоянии; все было равномерно заполнено неподвижными и твердыми

частицами. Частицы первичного хаоса неподвижны, но уже в первые мгновения

под действием сил тяготения у него появляется стремление к формированию.

Более массивные частицы притягивают менее массивные, вследствие чего

образуются отдельные сгустки материи. Вследствие столкновения частиц

происходит постепенное образование звездных и планетных систем.

Недостатком гипотезы Канта можно считать то, что введенные им силы

отталкивания (взаимное расталкивание молекул при их соударениях) не могли

породить кругового движения. Для появления такого кругового движения в

первоначальной туманности уже должно было существовать вращение.

В своей работе «Изложение системы мира» П.Лаплас перечисляет пять

основных особенностей Солнечной системы, которые должна объяснить

теория. К ним относятся:

1) планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении и

приблизительно в одной плоскости;

2) спутники движутся вокруг своих планет в том же направлении, что и

планеты вокруг Солнца;

3) вращение всех планет и Солнца вокруг своих осей происходит в ту же

сторону, и плоскости их экваторов имеют слабый наклон к плоскостям их

орбит;

4) эксцентриситеты орбит планет и спутников очень малы;

5) орбиты комет, наоборот, имеют большие эксцентриситеты и любые

углы наклона к плоскости эклиптики.

Согласно гипотезе Лапласа, раньше на месте Солнечной системы была

сильно разогретая туманность, которая медленно вращалась вокруг оси,

проходящей через ее центр. Вследствие охлаждения туманность сжималась, а

ее угловая скорость вращения увеличивалась. Центробежная сила,

действующая на частицы, имела наибольшее значение в экваториальной

плоскости. Когда центробежная сила превышала силу тяготения, то вещество

отрывалось от туманности, продолжая вращаться в том же направлении и

образуя кольца вещества. Затем каждое из колец распадается, образуя сгустки

вещества, которые впоследствии образуют планеты.

Гипотеза Лапласа позволила объяснить ряд закономерностей в Солнечной

системе, но имела и целый ряд принципиальных недостатков, которые не

позволили войти ей в ряд допустимых гипотез. Так, еще при жизни Лапласа,

было установлено, что Венера вращается в обратную сторону, спутник Марса

Фобос делает один оборот вокруг планеты втрое быстрее, чем сама планета

вокруг своей оси, Уран вращается в обратную сторону «лежа на боку» и др. Но

самое главное состояло в том, что гипотеза Лапласа не могла объяснить

распределение момента импульса в Солнечной системе, т.е. ответить на вопрос:

«Почему планеты, масса которых около 0,15 % массы Солнца, имеют 98 %

момента импульса?», или другими словами: «Почему Солнце вращается

слишком медленно?».

В 1900 году вышла статья двух американских ученых: астронома Фореста

Рея Мультона (1872 – 1952) и геолога Томаса Кроудера Чемберлина (1843 –

1928), где были отмечены недостатки гипотезы Лапласа, в частности,

несоответствие в распределении момента импульса. В 1905 году ими была

предложена новая гипотеза, в основе которой лежит предположение о том, что

момент импульса планет был принесен извне, например, из-за сближения

Солнца с какой – либо другой звездой. Недостатком этой гипотезы явилось то,

что она не позволила объяснить происхождение спутников планет, ориентацию

их орбит в пространстве и ряд других особенностей Солнечной системы. В

дальнейшем эта гипотеза была несколько переработана английским астрономом

и геофизиком Хэролдом Джеффрисом (род. в 1891), американским

астрофизиком Генри Норрисом Ресселом (1877 – 1957) и др. Так, Рессел писал:

«…перед встречей Солнце было двойной звездой и имело спутника

значительно меньше себя, который вращался вокруг него на расстоянии,

сравнимом с расстоянием до больших планет. Столкновение с проходящей

звездой (или, может быть, тесное сближение) разбило этот спутник на осколки,

которые развились в теперешние планеты».

В отличие от гипотез И. Канта и П. Лапласа эти гипотезы носили

катастрофический характер. Сами гипотезы Канта и Лапласа принадлежат к

числу небулярных гипотез, т.е. исходят из создания естественной, постепенно

развертывающейся во времени и пространстве картины образования Солнечной

системы. К числу современных небулярных гипотез происхождения Солнечной

системы принадлежит гипотеза советского математика, геофизика и астронома

Отто Юльевича Шмидта (1891 – 1956), согласно которой образование планет

Солнечной системы происходит из холодного газопылевого облака,

окружающего Солнце. В настоящее время разрабатываются небулярные

гипотезы происхождения планетной системы с учетом влияния магнитных

полей (это делалось еще в 1946 году шведскими астрономами Альвеном и

Аррениусом), конвективно-турбулентных движений вещества протопланетного

облака и др.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Сформулируйте закон Всемирного тяготения.

2. Охарактеризуйте взгляд Ньютона на пространство и время.

3. Что представляет собой Вселенная по Ньютону.

4. Охарактеризуйте взгляды Эйнштейна на пространство и время.

5. В чем заключается закон Хаббла.

6. Что происходит со Вселенной согласно модели расширяющейся

Вселенной.

7. Охарактеризуйте модель горячей Вселенной.

8. Как классифицируются галактики по внешнему виду.

9. Что входит в состав галактик?

10. Что такое звезды и какие характеристики звезд Вам известны?

11. Дайте понятие красному гиганту, нейтронной звезде.

12. Что такое черная дыра?

13. Какие планеты входят в состав планет земной группы?

14. Перечислите планеты гиганты.

15. Расскажите о строении Земли.

16. Что такое перигелий, афелий?

17. В каких движениях участвует планета Земля?

18. Какие гипотезы происхождения солнечной системы Вам известны?

ТЕСТ

7.1. Когда советским математиком А. Фридманом была предложена

стандартная модель расширяющейся Вселенной:

а) 20-е годы ХХ века

б) 30-е годы ХХ века

в) 40-е годы ХХ века

7.2. Явление «разбегания» галактик было обнаружено:

а) А. Эйнштейном

б) Э. Хабблом

в) А. Фридманом

7.3. Стандартная классификация галактик в 1925 г. была предложена:

а) Э. Хабблом

б) Я.Б. Зельдовичем

в) Э. Гершпрунгом

7.4. Какой величиной определяется эволюция звезды:

а) светимостью

б) размером

в) массой

Дмитриева Валентина Феофановна,

Михайлов Михаил Анатольевич, Икренникова Юлия Борисовна

Концепции современного естествознания

Учебно-практическое пособие

Подписано к печати:

Тираж:

Заказ №