Новоженов В.А. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

132

кислородного ядра. При достижении температуры 800 млн К (это

возможно для звезд с массой выше шести солнечных масс) в

ядре начинается горение углерода и кислорода с образованием

неона, магния, кремния, серы. Этот процесс идет с перерывами

на дополнительное сжатие, сопровождающееся все большим

разогревом ядра звезды. В конце концов, когда в результате

горения элементов с атомными, близкими к атомному номеру

кремния, образуется звездное ядро, состоящее

преимущественно из железа и никеля. После этого

термоядерные реакции прекращаются. Силы притяжения

становятся много выше сил отталкивания. Ядро звезды

практически мгновенно сжимается (происходит коллапс) и

превращается в нейтронную звезду или черную дыру.

Во время коллапса массивное ядро сжимается до

размеров порядка 10 км. При этом выделяется колоссальное

количество гравитационной энергии и возникает мощная

ударная волна, напр авленная наружу. Эта волна резко

повышает температуру и плотность внешних слоев звезды. В

результате оболочка звезды взрывается как колоссальная

термоядерная бомба. Этот процесс называется вспышкой

сверхновой. Блеск звезды резко возрастает, светимость

становится почти в 10 млрд раз больше светимости Солнца.

Таких катаклизмов в нашей галактике происходит

множество. Так в 1054 году в летописях был зарегистрован

случай появлен ия очень яркой звезды, которую было видно

даже днем. Когда астрономы сопоставили данные летописей с

современными астрономическими данными, они пришли к

выводу, это была вспышка сверхновой. На месте звезды

образовалась Крабовидная туманность.

Массивная звезда взрывается и на ее месте образуется

массивное ядро, которое в конце концов превращается в

нейтронную звезду. Это объект звездной массы, в котором

вследствие колоссальных давлений электроны и протоны

соединяются с образованием нейтронов. Радиус такой звезды

порядка 10 км. Это гигантская «капля» представляет как бы ядро

элемента, которого нет в периодической системе и

обладающего свойствами сверхтекучей жидкости. Значение

плотности в центре нейтронной звезды достигает 10

г/см

Нейтронная звезда устойчива.

133

Звезды сверхгиганты, при взрыве которых образуются

нейтронные звезды с массой больше трех солнечных масс,

продолжают сжиматься после взрыва в состояние с бесконечной

плотностью –«черную дыру».

Таким образом, можно сделать вывод, что водород и

гелий образовались в результате Большого взрыва, а остальные

элементы образовались в звездах, в результате ядерных

реакций. Рассмотрим распространенность элементов в космосе.

Распространенность элементов в космосе

Распространенность элементов в космосе изучает

космохимия.

Изучение распространенности элементов в космосе –

довольно сложная задача, так как вещество в космическом

пространстве находится в различном состоянии (звезды,

планеты, пылевые облака, межзвездное пространство и т. д.).

Иногда состояние вещества трудно представить. Напр имер,

сложно говорить о состоянии вещества и элементов в

нейтронных звездах, белых карликах, черных дырах при

колоссальных температурах и давлениях. Тем не менее науке

достаточно много известно о том, какие элементы и в каких

количествах есть в космосе. В межзвездном пространстве

встречаются ионы и атомы различных элементов, а также

группы атомов, радикалы и даже молекулы, например молекулы

формальдегида, воды, HCN, CH

CN, CO, SiO

, CoS и др.

Особенно много в межзвездном пространстве ионов кальция.

Кроме него, в космосе рассеяны атомы водорода, калия,

углерода, ионы натрия, кислорода, титана и другие частицы.

Первое место по распространенности во Вселенной

принадлежит водороду.

Химический состав звезд

Химический состав звезд зависит от многих факторов, в том

числе и от температуры. По мере повышения температуры

состав частиц, существующих в атмосфере звезды, упрощается.

Так, спектральный анализ звезд с температурой 10000-50000° С

показывает в их атмосферах линии ионизированных водорода и

134

гелия и ионы металлов. В атмосферах звезд с температурой

5000° С обнаруживаются уже радикалы, а в атмосферах звезд с

температурой 3800° С – даже молекулы оксидов. Химический

состав некоторых звезд с температурами 20 000-30 000° С

приведен в табл. 1.1. Видно, что, например, в звезде γ-Пегаса на

8700 атомов водорода приходится 1290 атомов гелия, 0,9 атома

азота и т. д.

В спектрах звезд первых 4 классов (самых горячих)

преобладают линии водорода и гелия, но по мере понижения

температуры появляются линии других элементов и даже линии

соединений. Это еще простые соединения: оксиды циркония,

титана, а также радикалы СН, ОН, NH, CH

, C

, С

, СаН и др.

Наружные слои звезд состоят главным образом из водорода. В

среднем на 10 000 атомов водорода приходится около 1000

атомов гелия, 5 атомов кислорода и менее 1 атома других

элементов. Существуют звезды с повышенным содержанием

того или иного элемента: кремния, железа, марганца, углерода и

др. Звезды с аномальным составом довольно разнообразны. В

молодых звездах типа красных гигантов присутствует

повышенное количество тяжелых элементов. Так, в одной из

подобных звезд содержится в 26 раз больше молибдена, чем в

Солнце.

Таблица 3.1

Химический состав некоторых звезд класса В

Относительное количество атомов в

звезде

Элемент

τ Скорпиона ξ Персея ν Пегаса

Водород 8350 8300 8700

Гелий 1450 1700 1290

Углерод 2,0 1,5 3,3

Азот 3,11,7 0,9

Кислород 11,0 9,0 3,7

Фтор - - 0.023

Неон 4,3 3,4 4,05

Магний 0,46 0,49 0,76

Алюминий 0,032 0,05 0,005

Кремний 0,75 0,77 0,094

135

Фосфор - - 0,0028

Сера - 0,25 0,55

Хлор - - 0,0014

Аргон -0,07

Химический состав звезды отражает влияние двух факторов:

природы межзвездной среды и тех ядерных реакций, которые

развиваются в звезде в течение ее жизни. Начальный состав

звезды близок к составу межзвездной материи (газопылевого

облака), из которой возникла звезда. А состав газопылевых

облаков не одинаков, что и могло привести к отличию в составе

элементов, содержащихся в звезде.

Спектральный анализ показывает, что наличие многих

элементов в составе звезд может быть обусловлено только

ядерными реакциями, протекающими в них (барий, цирконий,

технеций). Существуют звезды, в которых водород превратился

в гелий. Их атмосфера состоит из гелия. В таких гелиевых

звездах обнаружены углерод, неон, титан, азот, кислород,

кремний, магний. Известны гелиевые звезды, практически не

содержащие водорода, который выгорел в результате ядерных

реакций.

Очень интересными являются углеродные звезды. Это

относительно холодные звезды (гиганты и сверхгиганты), их

поверхностные температуры лежат в пределах 2500-6000° С.

При температуре ниже 3500° С при равном количестве

кислорода и углерода в атмосфере большая часть этих

элементов связана в монооксид углерода СО. Из других

углеродных соединений в атмосферах таких звезд присутствуют

радикалы CN и СН.

Исследование распространенности элементов в космосе

показало, что с увеличением атомной массы элемента

уменьшается его распространенность. Кроме того, элементы с

четными порядковыми номерами встречаются чаще, чем с

нечетными. Распространенность элементов в космосе

приведена на рис. 3.1.

136

Логарифм относительного

содержания

(на 10

атомов Н)

Рис. 3.1. Распространенность элементов в космосе

Распространенность элементов в Солнечной системе

Исследование химического состава Солнца производится

методами спектрального анализа. Это очень сложная работа,

так как при условиях, существующих на Солнце, атомы

элементов сильно ионизованы (так, атом железа теряет до 9

электронов).

Атмосфера Солнца находится в постоянном движении.

Температуры фотосферы, хромосферы, солнечной короны

резко различаются. Тем не менее, химический состав Солнца

установлен достаточно полно. На Солнце обнаружено 72

элемента. Содержание 60 элементов определено достаточно

надежно, но для элементов с атомной массой выше 57 данные

менее точны.

137

Больше всего на Солнце водорода – почти 75% массы. Гелия

содержится около 24%, лишь 1-2% приходится на все остальные

элементы. Хотя 1% от солнечной массы – это не так уж и мало.

Масса Солнца равна 1,99

г. Сотая доля этой массы

составляет 1,99

г, или 1,99

т, что составляет величину, в

3350 раз превышающую массу Земли. Довольно много на

Солнце кислорода, углерода, азота, натрия, железа, никеля,

мало лития. Бор и фтор обнаруж ены в соединении с водородом.

Радия, урана, висмута, рения ничтожно мало, а радиоактивных

элементов, получаемых в условиях Земли искусственно

(прометия, астата), а также галогенов, кроме фтора, не

обнаружено. В атмосфере Солнца на один атом кислорода

приходится:

водорода 560 атомов;

алюминия 0,0040 атома;

углерода 0,37 атома;

кремния 0,037 атома;

азота 0,76 атома;

серы 0,016 атома;

магния 0,062 атома;

калия 0,00029 атома;

натрия 0,0035 атома;

кальция 0,0031 атома.

Химический анализ планет, окружающих Солнце, еще

более труден, так как планеты светят только отраженным

солнечным светом, и о их составе приходится судить по

спектрам отражения. Эт и спектры сложны для расшифровки и

часто не дают однозначных ответов. Расширили возможности

изучения состава планет, их атмосфер межпланетные

космические станции.

Таблица 3.2

Плотности планет Солнечной системы

Планета

ρ,

г/см

Планета

ρ,

г/см

Планета

ρ,

г/см

Меркурий 5,62 Луна 3,35 Нептун 2,43

Венера 5,15 Юпитер 1,35 Плутон -

Земля 5,517 Сатурн 0,71

Марс 4,00 Уран 1,60

138

Сначала высказывались мнения о том, что все планеты

Солнечной системы имеют одинаковый состав, но уже

сравнение плотностей показало, что состав различается (см.

табл. 3.2).

Меркурий, Венера, Земля, Марс, Луна – твердые тела. Они

образованы силикатными, алюмосиликатными, карбонатными и

другими минералами, составляющими их по верхностные слои.

Внутри этих планет находится ядро, образованное более

тяжелыми породам и, содержащими элементы с большой

атомной массой. Меркурий содержит ферромагнитное ядро и

обладает сильным магнитным полем. Общее количество

металлического железа, по некоторым данным, в Меркурии

составляет около 58%. Венера и Марс, как и Земля, имеют

железные ядра, окруженные минеральной, п реимущественно

силикатной, оболочкой. На Венере много карбонатов,

термическое разложение которых привело к накоплению

диоксида углерода в атмосфере этой планеты. По данным

советских космических станций "Венера-4" – "Венера-7",

атмосфера Венеры на 97% состоит из диоксида углерода,

содержит около 2% азота, 1% водяного пара и не более 0,1%

кислорода. Температура на поверхности планеты около 500° С ,

а давление около 100 атм.

Планета Марс имеет атмосферу значительно более

разреженную, чем земная. Атмосферное давление на Марсе

составляет всего 0,08 земного. Основными составными частями

его атмосферы являются азот и диоксид углерода. Кислорода и

водяных паров приблизительно в 1000 раз меньше, чем в

земной атмосфере. Вполне возможно, что химический состав

соединений, образующих поверхность Марса, похож на земно й.

Это находит подтверждение в многочисленных экспериментах

по моделированию марсианских условий. Это же подтверждают

снимки, сделанные с достаточно близкого расстояния с

космических станций "Марс" и "Маринер".

Гигантские планеты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун

образованы менее плотными веществами. Основу их

составляют водород, гелий, метан, аммиак и другие газы.

Cуществование твердого ядра у этих планет нельзя считать

доказанным. Спектральные исследования Юпитера, Сатурна,

139

Урана и Нептуна показали наличие в их атмосферах метана. В

атмосферах Юпитера и Сатурна обнаружен также аммиак,

который, возможно, есть на Уране и Нептуне, но уже в твердом

состоянии. Исследование показало также наличие водорода

(около 60%), гелия (36%), неона (около 3%). Кроме того, в

атмосфере содержатся сложные молекулы: циановодород,

диоксид азота в форме N

, вода, сероводород,

высокомолекулярные молекулы (пирен, коронен, хризен и др.).

Тем не менее, несмотря на многие годы исследований,

химический состав планет-гигантов изучен недостаточно.

Происхождение планет

Солнечная система – это прежде всего звезда Солнце и

девять планет, обращающихся вокруг него. В порядке

расстояний от светила они располагаются следующим образом:

Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран,

Нептун и Плутон. Три последние планеты с Земли можно

наблюдать только в телескопы. Остальные видны как более или

менее яркие кружки и известны людям со времен глубокой

древности.

Современные названия планет связаны с именами богов

древнеримской мифологии. Пр и этом имена, данные планетам,

не случайны: в какой-то степени они характеризуют их основные

качества. Так, Меркурий (посланец богов) отличается яркостью и

быстрым перемещением по небу; Венера (богиня красоты и

любви) – яркостью и красотой; Марс (бог войны) – кроваво-

красным оттенком; Юпитер (верховный бог) – величавым и

спокойным блеском; Сатурн (бог времени и судьбы) – свинцово-

мертвенным сиянием и крайне медленным перемещением

среди звезд. Меткость названий в известной степени

свидетельствует о большой наблюдательности древних

астрономов. Но, разумеется, какие-либо физические

характеристики планет в то время были совершенно

неизвестны, и рассуждения о планетах основывались лишь на

фантазии и религиозных представлениях.

Современные научные представления о Солне чной

системе имеют своим началом теорию, разработанную великим

140

польским ученым Николаем Коперником (1473–1543). В

результате многолетних наблюдений и раздумий Коперник

пришел к выводу, что центр нашей планетной семьи – Солнце, а

Земля представляет собой одну из планет. Открытие польского

ученого положило конец более чем тысячелетнему господству

геоцентрической системы, разработанной древнегреческим

философом и ученым Аристотелем (IV в. до н.э.) и дополненной

во II в. до н.э. Клавдием Птолемеем. Геоцентрическая система

утверждала, что наблюдаемые движения небесных светил

объясняются их обращением вокруг центра Вселенной –

неподвижной Земли. Система Аристотеля–Птолемея очень

хорошо согласовывалась с христианскими представлениями о

мире, божеств енном творении и особом положении человека во

Вселенной. Поэтому церковники всячески защищали эту

ошибочную теорию. Утверждение новой гелиоцентрической

системы положило начало освобождению естествознания от

гнета богословия.

Законы движения планет вокруг Солнца открыл немецкий

ученый Иоганн Кеплер (1571–1630). Кеплер установил, что

планеты перемещаются вокруг нашего дневного светила по

несколько вытянутым окружностям – эллипсам, и чем ближе

планета к Солнцу, тем больше ее скорость. Но законы Кеплера,

рисуя картину движения планет, ничего еще не говорили о тех

силах, которые этими движениями управляют. Решение данной

проблемы пришло позже – в результате открытия английским

ученым Исааком Ньютоном (1642–1727) закона всемирного

тяготения. Именно сила тяготения удерживает планеты около

Солнца, не дает им улететь в космическое пространство и

заставляет обращаться по замкнутым орбитам.

Солнце служит центром притяжения не только для девяти

больших планет, но и для десятков (а возможно, и сотен) тысяч

различных космических тел: планетных спутников, астероидов,

комет, а также метеоритов, частиц газопылевой материи,

рассеянных атомов различных химических элементов, потоков

атомных частиц и т. д.

Солнечной системе присущи определенные

закономерности:

- орбиты планет лежат почти в одной плоскости,

совпадающей с плоскостью экватора Солнца;

141

- планеты вращаются вокруг Солнца в том же

направлении, в каком Солнце вращается вокруг своей

оси, вращение собственных спутников планет

происходит в том же направлении. Исключение

составляет Венера, вращающаяся по часовой стрелке,

Уран, который вращается «лежа на бок у» - угол между

плоскостью экватора Урана и плоскостью его орбиты

составляет 82

. В обратную сторону вращается Тритон

– спутник Нептуна, маленькая Феба вокруг Сатурна и

несколько маленьких спутников Юпитера.

- солнечная система обладает устойчивостью, несмотря

на взаимное гравитационное возмущение;

- практически все вещество солнечной системы (99,9%)

сосредоточено в Солнце. По чти половина оставшейся

доли сосредоточена в Юпитере;

- планеты четко делятся на две группы: железокаменные,

состоящие в основном из тяжелых элементов (железо,

никель, кремний, кислород и др.) и водородно-гелиевые.

К первым относятся Меркурий, Венера, Земля, Марс,

расположенные сравнительно недалеко от Солнца (в

пределах 1,5 астрономических единицы) ко вторым –

Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, расположенные

достаточно далеко от Солнца (от 3 до 30

астрономических единиц). Эти группы планет резко

отличаются по плотности (табл. 3.2)

Солнечная система, таким образом, – весьма сложное

образование, ряд закономерностей которого ст ал доступен для

изучения лишь в последние десятилетия. Огромную роль в их

исследовании приобретает сейчас космонавтика – наиболее

мощное и перспективное средство познания Вселенной.

Планетная космогония имеет свои специфические труд-

ности. В ней крайне ограничена возможность эксперимента –

лабораторным исследованиям доступны пока лишь метеориты и

образцы лунных пород. 0граничены также возможности

сравнительного метода исследования, так как строение и

закономерности других планетных систем пока остаются

неизвестными. Все наши представления о происхождении

Солнечной системы мы должны основывать на

закономерностях, присущих лишь ей одной. Так, важной

закономерностью является то, что все планеты движутся вокруг