Лекция 1. Земля и вселенная.
способностью использовать естественнонаучные и математические знания для ориентирования в современном информационном пространстве (ОК-3);
Подобно физике, химии, биологии и другим наукам, современная география представляет сложную систему обособившихся в разное время научных дисциплин. Природа, окружающая человеческое общество, испытывающая его воздействие, образует географическую среду. Географическая среда, благодаря техническому прогрессу, непрерывно расширяется и уже включает Ближний космос.
Современная география – триединая наука, объединяющая природу, население, хозяйство.
Каждая из наук: физическая, экономическая, социальная география, в свою очередь, представляет комплекс наук (рис. 1).
Рис. 1. Место землеведение в общегеографических науках
Природу земной поверхности можно изучать в общем и в целом (физическая география), по компонентам (частные науки – гидрология, климатология, почвоведение, геоморфология и др.); можно изучать по странам и районам (страноведение, ландшафтоведение), в настоящем, прошедшем и будущем времени (общее землеведение, палеогеография и историческая география).
География животных (зоогеография) – наука о закономерностях распространения видов животных.
Биогеография – география органической жизни.
Океанология – наука о Мировом океане, как части гидросферы.
Ландшафтоведение – наука о ландшафтной среде, тонком, наиболее активном центральном слое географической оболочки, состоящей из природно-территориальных комплексов разного ранга.
Картография – общегеографическая (на уровне системы) наука о географических картах, методах их создания и использования.
Палеогеография и историческая география – науки о природе земной поверхности прошлых геологических эпох; об открытии, становлении и истории развития природно-социальных систем.
Страноведение физико-географическое, изучающее природу отдельных стран и районов (физическая география России, Азии, Африки и т. п.).
Гляциология и геокриология (мерзлотоведение) – науки об условиях возникновения, развития и формах наземных (ледники, снежники, снежные лавины, морские льды) и литосферных (вечная мерзлота, подземное оледенение) льдов.
Физическая география – греч. физис – природа, гео – Земля, графо – пишу. То же самое, дословно – описание природы Земли, или землеописание, землеведение.
Землеведение (собственно физическая география) изучает географическую оболочку (природу земной поверхности) как целостную материальную систему – общие закономерности её структуры, происхождения, внутренние и внешние взаимосвязи, функционирование для разработки системы моделирования и управления происходящими процессами. Термин введён в литературу немецким географом К. Риттером, употреблявшим его в смысле, близком к термину страноведение.
Общегеографические (или синтетические) науки – физико-географические и экономгеографические одновременно.
В развитии географии выделяют несколько хронологических эпох: географии древнего мира, Средневековья, Великих географических открытий, Нового и Новейшего времён, но все они группируются по целям и задачам исследований в два крупных этапа:
· До середины – конца XIX в.,
· Начала XX столетия по наши дни.
В первый этап география была всеобъемлющей, мировоззренческой наукой. Землеописание – вот её главная задача. В течение веков её цель – сбор сведений о земном шаре, его окружении – космосе, о народах, населяющих близкие и дальние уголки Земли, их территориях, занятиях, верованиях.
К середине XIX в. сбор материала о земной поверхности, в основном, был завершён. Остались неоткрытыми только пространства крайнего севера и крайнего юга.
К этому времени единой науки уже не существовало, внутри неё возникли частные науки: ботаника (сначала в форме систематики растений), геология (сначала в виде рудознатства); выделились науки социальные и экономические. Эти новые науки с большей полнотой и глубиной, чем прежняя география, исследовали природу и общество. География, потеряв предмет своего исследования (единую, неделимую природу), вступила в полосу кризиса и потеряла былую славу. Из авангардной науки она превратилась в отсталую. Потребовались десятилетия, чтобы свершился переворот в познании, и возникла география в современном смысле слова (наука системная и комплексная). Успехи любой науки опираются на труды и достижения учёных всего мирового сообщества. Среди предшественников этого научного переворота в географии следует назвать прежде всего русских и немецких географов. Германия в XIX в. – передовая промышленная страна с развитой наукой и культурой, перенимать опыт которой традиционно ездили русские учёные. Возвращаясь домой в Россию на богатую и разнообразную "почву", они создавали российскую географию, оригинальную, не похожую ни на какую другую.
Варений Бернхард (1622-1650). Основной труд – "Всеобщая география" (1650). Родился в Гамбурге. Окончил Гамбургский и Кёнигсбергский университеты, впоследствии жил в Голландии. С него начинает отсчёт времени современная география. По Варению, география изучает земноводный круг, образованный взаимопроникающими друг в друга частями – землёй, водой, атмосферой. Земноводный круг изучает всеобщая география, отдельные области – частная география. Это первый со времени античной древности опыт широкого общеземлеведческого обобщения, первая попытка определить предмет и содержание географии, основываясь на новых данных о Земле, собранных в эпоху Великих географических открытий.
Гумбольдт Александр (1769-1859). Немецкий естествоиспытатель, энциклопедист, географ и путешественник, поставивший перед собой цель создать единую картину мира. Исследуя природу Южной Америки, вскрыл значение анализа взаимосвязей как всеобщей нити всей географической науки. Он выявил биоклиматическую широтную зональность и высотную поясность, предложил употребить изотермы в климатических характеристиках, заложил основы сравнительной физической географии. В главной своей работе – "Космос, опыт физического мироописания" – он обосновал взгляд на земную поверхность (предмет географии) как особую оболочку взаимодействия воздуха, моря, Земли, – единства неорганической и органической природы. Ему принадлежит термин "жизнесфера", аналогичный содержанию биосферы, а в заключительных строках первой части "Космоса…" говорится о сфере разума, получившей много позже название ноосферы. Основные труды: "Картины природы" (1808, русский перевод в 1959 г.), "Центральная Азия" (1843, в трёх томах, русский перевод: Т. 1 – М., 1915), "Космос, опыт физического мироописания", 5 т. (1845-62).
Риттер Карл (1779-1859) работал в одно время с А. Гумбольдтом. Основные труды: "Землеведение в отношении к природе и к истории человека, или Всеобщая сравнительная география", "Идеи о сравнительном землеведении". Профессор Берлинского университета, основатель первой в Германии кафедры географии, которой руководил с 1820 г. до конца жизни. Блестящий преподаватель, которого слушали молодой Карл Маркс, П.П. Семёнов-Тян-Шанский. Автор множества трудов, одно "Землеведение" охватывает 19 томов, в которых он противопоставлял пространственное и историческое развитие. В его трудах множество противоречивых суждений, поэтому одни географы восторгались его произведениями, другие подвергали их уничтожающей критике. Но главное его суждение ясно: Земля – предмет географии, "жилище рода человеческого". В географии Риттеру отводят такое же место, как Гегелю в философии.
Семёнов-Тян-Шанский Пётр Петрович (1827-1914) – выдающийся русский географ, исследователь Азии. С 1873 по 1914 гг. руководил Русским географическим обществом. Именно в этот период знаменитые экспедиции Н.М. Пржевальского, Н.Н. Миклухо-Маклая и других российских географов принесли всемирную славу отечественной географии. Основные труды: "Путешествие в Тянь-Шань в 1856-57 гг." (впервые опубликован в 1946 г.; новое издание – М., 1958), "Предисловие к книге "Землеведение Азии". Под его руководством написаны и изданы "Географо-статистический словарь Российской империи", 5 томов, СПб., 1865-1885; "Россия. Полное географическое описание нашего отечества", 1911, 1899-1914. Понимал географию как "целую естественную группу наук", включающую гидрологию, климатологию, метеорологию, орографию, картографию, биогеографию, геогнозию (геоморфологию), а также ряд общественных дисциплин: антропологию, историческую географию, демографию, статистику, политическую географию. Соединив теоретические и практические вопросы освоения природной среды, создал оригинальную географическую школу.
Рихтгофен Фердинанд (1833-1905). Видный немецкий географ, путешественник. В различные годы был профессором в Боннском, Лейпцигском и Берлинском университетах. Один из создателей геоморфологии. Он считал, что география призвана раскрыть процесс взаимодействия многообразных явлений с рельефом земной поверхности. Решающее значение в выявлении сущности географического знания он придавал исследованию взаимодействия человека со всей совокупностью природных явлений, в пределах земной поверхности, а географию представлял наукой, пограничной между естественными и общественными науками. Основные труды: "Задачи и методы современной географии" (1883); "Китай. Результаты собственных путешествий", 5 томов с атласом (1877-1911); "Геоморфологические этюды Восточной Азии", 4 тома (1903-11).
Докучаев Василий Васильевич (1846-1903). Естествоиспытатель, профессор Петербургского университета, основатель первой в России кафедры почвоведения (1895) и учения о природных зонах. В.В. Докучаев – явление исключительное в масштабе нашей страны и в мировой науке. Он и его ученики создали сильную и плодотворную научную школу, которая обогатила многие науки: геологию, минералогию, почвоведение, ботанику; в школе появилось учение о лесе. В числе наук, испытавших сильнейшее влияние Василия Васильевича, находится география. В среде учеников Докучаева были минералог и геохимик В.И. Вернадский, геолог и петрограф Ф.Ю. Левинсон, Лессинг, почвоведы Н.М. Сибирцев и К.Д. Глинка, ботаники и географы А.Н. Краснов, Г.И. Танфильев, Г.Н. Высоцкий, гидрогеолог П.В. Отоцкий, основоположник учения о лесе Г.Ф. Морозов. География изучает происхождение и развитие земной поверхности на основе комплексных исследований, рассматривает природные процессы в пространстве и времени. Это есть сочетание теории и практики науки.
На первом этапе развития науки географы занимались сбором фактического материала: описанием того, что и где находится. Но к концу XIX столетия, когда сбор материала был завершён, они перешли к анализу и синтезу собранного, к изучению внутренних закономерностей природно-общественного развития. Теперь главные вопросы географии – почему? – объяснение, выявление причин существования и развития природных и социально-экономических комплексов, а также вопросы: следовательно? когда? – предвидение, предсказание, прогноз выявленных закономерностей развития. Это самое сложное, что может быть в науке. И, наконец, последний вопрос: для чего это нужно? – Для конструирования природных, социальных и экономических процессов, с целью управления ими.
Предмет изучения физической географии – географическая оболочка
Впервые этот предмет в науке обозначил П.И. Броунов (1910), назвав его "наружной оболочкой Земли". Другие географы развили это представление о земной поверхности, о взаимодействия атмосферы, гидросферы, литосферы, биосферы. Каждый исследователь в своё время, исходя из "права первооткрывателя" и собственного понятия природы зелёной поверхности, называли предмет науки "ландшафтами" (Л.С. Берг, 1915), "биосферой" (В.И. Вернадский, 1926), "физико-географической оболочкой" (А.А. Григорьев, 1937). В географической литературе существует более 20 названий предмета науки.
В 1940 г. С.В. Калесник предложил упростить название "физико-географической оболочки" и обозначить её как "географическая оболочка", что и закрепилось в науке.
По С.В. Калеснику, географическая оболочка "не просто физическая или математическая поверхность, а сложный комплекс, возникший и развивающийся под действием взаимосвязанных и взаимопроникающих друг в друга процессов, которые развёртываются на суше, в атмосфере, водах и органическом мире".
Давая определение географической оболочке, С.В. Калесник подчеркнул: 1) её комплексность, 2) многокомпонентность – природная оболочка состоит из частей – земной коры, образующей формы рельефа, вод, атмосферы, почв, живых организмов (бактерии, растения, животные, человек); 3) объёмность. "Оболочка" – понятие трёхмерное.
Структуры (лат. взаиморасположение составных частей системы) географической оболочки также трёхмерны и объёмны. Главнейшие из них – материки и океаны, географические пояса, географические зоны. Затем следуют более дробные географические структуры до ландшафтов и их морфологических частей: местностей, урочищ, фаций и звеньев включительно. Их следует рассматривать в горизонтальном и вертикальном размерах, сравнивая неоднородности.
Но остановимся сначала на строении солнечной системы.
В древности у разных народов были различные представления о Земле и ее форме. Так, индусы представляли себе Землю в виде плоскости, лежащей на спинах слонов; жители Вавилона — в виде горы, на западном склоне которой находится Вавилония; евреи — в виде равнины, но в некоем месте небесный купол соединяется с земной твердью. Однако своим появлением и развитием науки о Земле во многом обязаны древним грекам, представлявшим мир в виде круглой лепешки с Грецией в центре. поиск первоэлемента у древних греков имеет две традиции: стихийно-материалистическую и идеалистическую. Стихийно-материалистическая традиция восходит к мифологии, где утверждаются четыре основные стихии: вода, земля, огонь и воздух. Зарождается идея выделить одну стихию в качестве основания всего существующего и обосновать его необходимость. Впервые эту идею выразил Фалес из Милета (625—547 гг. до н. э.), считавший первоэлементом воду, поскольку невозможно найти абсолютно сухое тело. До наших дней дошли только названия его произведений: «О началах», «О солнцестоянии», «О равноденствии», «Морская астрология». Ему приписывалось открытие годового вращения Солнца на фоне неподвижных звезд, определение времени солнцестояния и равноденствий. Он утверждал, что Луна светит не своим светом, а небесные тела представляют собой воспламенившуюся землю. Всю небесную сферу Фалес разделил на пять зон, ввел календарь, определив продолжительность года в 365 дней и разделив его на 12 месяцев по 30 дней, при этом пять дней выпали, что было характерно для египетского летоисчисления.
Ученик и последователь Фалеса Анаксимандр был автором первого философского сочинения в прозе «О природе», которое положило начало многим одноименным трудам греческих философов. О жизни Анаксимандра нет сведений, однако известно, что он ввел в Элладе солнечные часы, представляющие собой вертикальный стержень, установленный на размеченной горизонтальной площадке; построил модель небесной сферы —глобус, начертил географическую карту («географическая доска» Анаксимандра из Милета, VI в до н. э.). В сильно искаженном виде на карте изображены очертания берегов и морей, Анаксимандру принадлежит идея естественного возникновения гармонии космоса из некоторой неопределенной массы, находящейся в постоянном круговом вращении, а также идея о бесконечности космоса во времени Анаксимандру принадлежит и первая гипотеза о происхождении жизни и человека. Живое зарождается на границе моря и суши из ила под воздействием небесного огня. Первые живые существа жили в море, затем некоторые из них вышли на сушу и сбросили с себя чешую. От морских животных произошел человек. Он зародился и развился до взрослого состояния внутри какой-то громадной рыбы, затем вышел на сушу.
Ученик Анаксимандра Анаксимен в своем сочинении «О природе» первоэлементом считал воздух. Беспредельный воздух — начало мира, а также тела и души. Все возникает из воздуха через его разряжение и сгущение. Разряжение воздуха связано с нагреванием, а сгущение с охлаждением. В натурфилософской картине Анаксимена Земля неподвижна, а светила движутся воздушными вихрями. Солнце — это земля, которая раскалилась от своего быстрого движения. Плоские Земля и небесные светила парят в воздухе подобно листьям. Гераклит Эфесский создал третье в античной философии сочинение «О природе». Первоэлементом он считал огонь. Космос всегда был, есть и будет живым огнем, мерами загорающимся и мерами потухающим. В современном естествознании аналогом такого первоначала выступает плазма, которая предшествует образованию химических элементов. В V—IV вв. до н. э. складываются две противоположные мировоззренческие концепции: элементаризм и атомистика.
Элементаризм — это учение о строении космоса, выдвинутое Эмпедоклом. Наблюдаемый мир — производное от четырех основных первородных элементов: земли, воды, огня, воздуха. Разнообразие вещей объясняется различным сочетанием элементов, а изменения в физическом мире — их перемещением. Эмпидокла можно считать античным эволюционистом, поскольку он считал, что развитие живого мира и человека прошло несколько этапов, в результате сохранились только жизнеспособные виды. Вначале путем самозарождения появились растения, затем животные, возникшие естественным путем из земли. Именно жизнеспособностью Эмпидокл объяснял целесообразное устройство организмов.
Атомистическое учение развивается в милетской школе Левкиппом и его учеником Демокритом, а впоследствии Эпикуром. В качестве материального первоэлемента космоса в их учении выступает атом, который представляет собой абстрактную единицу, с которой связывается неизменное, вещественно оформленное начало. В отношении нашего мира атомисты следуют геоцентрической картине, полагая, что Земля одинаково удалена от всех оболочек космоса, а потому неподвижна. Вокруг Земли движутся звезды, которые являются достоянием нашего мира, а не другими мирами. Аристотель в своей натурфилософии соединил все основные идеи Античности, создав систему понятий, которые стали фундаментальными в развитии научной мысли. Он впервые попытался определить понятие движения, ввел такие понятия как материя, сущность, энергия, взаимодействие, целесообразность, создал систематическую науку о природе физику. Согласно аристотелевской физике, в центре космоса находится Земля, поскольку именно к центру Земли направлены все естественные формы движенияАристотель представлял космос как мир, конечный в пространстве и состоящий из кристально прозрачных сфер, несущих звезды и планеты.
Движение этих сфер наблюдается с Земли как движение планет и звезд.
Неподвижная Земля имеет форму шара и занимает центральное положение. Область между орбитой Луны и Землей характеризуется беспорядочным движением, подвержена постоянным изменениям и превращениям.
Формы движения тел в этой области несовершенны, конечны, а сами тела
состоят из четырех элементов: земли, воды, воздуха и огня. Земля занимает центральное место во Вселенной как самое тяжелое тело. Над ней располагаются оболочки воды, воздуха и огня. Область между орбитой Луны и крайней сферой — область равномерных движений. С крайней сферой соприкасается «перводвигатель Вселенной».
Оформление гелиоцентрической идеи связано с именем Аристарха Самосского, который жил в Александрии в период царствования Птолемеев. Впервые в Древнем мире, в своей работе «О величии Солнца Луны и о расстоянии между ними» он утверждал, что Солнце много больше Земли. Земля — одна из планет, которая движется вокруг Солнца. Земля вращается вокруг своей оси и делает оборот вокруг Солнца за один год. Между Солнцем и Землей имеется огромное расстояние, но еще более значительное расстояние между Солнцем и другими звездами, которые неподвижны. Система Аристарха и система Коперника почти полностью совпадают.
Приход феодализма и зарождение новой религии — христианства —привели к господству схоластики, богословия и инквизиции. Европа к началу XV века знала об окружающем мире меньше, чем Архимед. В Средние века в развитии науки выделяют три периода. Раннее Средневековье (VI—IX вв.) — темное время, упадок образования. Средний период (X—XII вв.) — постепенно пробуждается интерес к наукам, переводят труды античных классиков, появление университетов (Парижский, Болонский, Оксфордский, Кембриджский). Зрелое Средневековье (XIII—XIV вв.) — высокий уровень образованности, расцвет науки и искусства, подготовка эпохи, получившей название Возрождение. Поэтому цель естествознания в средневековой традиции — не описание явления природы, а его символическое истолкование. Разрабатывается телеологическая модель объяснения, которая полностью заменяет поиск естественных действующих причин, К концу эпохи Средневековья, в эпоху Возрождения пробуждается интерес к изучению Вселенной Эпоха Возрождения начинается со второй половины XV в., когда в Западной Европе происходит ряд социально-экономических изменений, которые сопровождаются переменами в умонастроениях, в отношении к человеку, ремеслам, наукам, а также к античному наследиюВыдающиеся открытия этого времени связаны с именами Н. Коперника, Г. Галилея, И. Кеплера, Р. Декарта, И. Ньютона.
В своем знаменитом труде «Об обращениях небесных сфер» Н. Коперник (1473—1543) излагает гелиоцентрическую систему мира Коперник формулирует семь постулатов.
1. Не существует одного центра для всех небесных орбит или сфер.
2. Центр Земли не является центром мира, но только центром тяготения лунной орбиты.
3. Все сферы движутся вокруг Солнца, расположенного в центре мира.
4. Отношение радиуса земной орбиты к радиусу Вселенной меньше, чем отношение радиуса Земли к радиусу земной орбиты. Радиус Земли можно принять за исчезающе малую величину по сравнению с размером Вселенной, но такой же исчезающе малой величиной является земная орбита.
5. Все движения, наблюдаемые у небесной тверди, принадлежат не ей самой, а Земле. Именно Земля с ближайшими к ней стихиями вращается в суточном движении вокруг неизменных своих полюсов, причем твердь и самое высшее небо остаются все время неподвижными.
6. Все замечаемые нами у Солнца движения не свойственны ему, но принадлежат Земле и нашей сфере, вместе с которой мы вращаемся вкруг Солнца, как и всякая другая планета. Таким образом, Земля имеет несколько движений. Его идеи развил Джордано Бруно (1548—1600) — итальянский философ-материалист. Он отстаивал мысль о бесконечности Вселенной и бесчисленности миров в ней. Считал, что звезды во Вселенной могут служить солнцами для других миров, подобных Земле. Галилео Галилей (1564—1642) — итальянский мыслитель, физик, основоположник классической механики, астроном и математик — выступил одним из основателей экспериментального естествознания. Галилей изобрел зрительную трубу, увеличивавшую в 32 раза, которая позволила впервые увидеть пятна на Солнце, кратеры на Луне, спутники Юпитера. Он разглядел бесчисленное скопление звезд, образующих Млечный Путь. Астрономические открытия Галилея стали наглядным доказательством истинности гелиоцентрической системы Коперника и идеи Дж. Бруно о физической однородности Земли и неба. Открытия Галилея подрывали прежнюю веру в совершенство космоса. Его труды были включены в список запрещенных книг. В 1633 г. ученый предстал перед судом инквизиции и был вынужден публично отречься от учения Н. Коперника. Новый крупный шаг в развитии естествознания ознаменовался открытием законов движения планет немецким астрономом Иоганном Кеплером 1571—1630). И. Кеплер остановился на гипотезе, что траекторией Марса, как и других планет, является не окружность, а эллипс. Стремясь объяснить устройство Вселенной, Галилей утверждал, что Бог, когда-то создавший мир, поместил Солнце в центр мира, а планетам сообщил движение по направлению к Солнцу, изменив в определенной точке их прямой путь на круговой. На этом деятельность Бога завершилась.
В XVIII веке утверждается социальный статус науки как особой сферы деятельности.
В 1745 г. французский ученый Жорж Луи де Бюффон (1707—1788) сформулировал теорию, согласно которой планеты Солнечной системы образовались в результате столкновения Солнца с близко проходившей большой кометой или звездой и представляют собой осколки Солнца (дуалистическая теория).
Под влиянием идей Ньютона и Бюффона сформировались естественно-
научные взгляды немецкого философа Иммануила Канта (1724—1804). Кант предположил, что Солнце, а затем и планеты сформировались из холодной пылевой туманности. Благодаря упорядоченному вращательному движению вокруг возникшего центрального сгущения образовалось Солнце, а вокруг меньших сгущений — планеты. Из анализа имеющихся данных Кант сделал удивительно верные выводы о возможности существования планет далее Сатурна и даже о том, что его кольца состоят из метеоритов, причем подобные кольца могут быть и у других планет.
Пьер Симон Лаплас предположил, что первоначальная туманность была газовой и очень горячей, находящейся в состоянии медленного вращения. Сжимаясь, под действием силы всемирного тяготения, туманность вследствие закона сохранения момента количества движения вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил в экваториальном поясе, от него последовательно отделились кольца. В дальнейшем кольца конденсировались, образуя планеты, а затем образовалось Солнце.
Несмотря на существенные различия между двумя гипотезами, общим является представление о том, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. В истории естествознания эта теория имела широкое признание и получила название небулярной концепции Канта — Лапласа. Она оставалась первой ротационной гипотезой вплоть до конца XIX в.
Основные положения современной космологии (релятивистской) —науки о строении и эволюции Вселенной стали складываться в 20-х годах XX века.
А. Эйнштейн (1878—1955) на основе теории относительности предложил модель Вселенной, представляющую собой замкнутое трехмерное пространство, конечное по объему и неизменное во времени. В 1922 г. российский математик А. А. Фридман (1888—1925), исходя из постулата об однородности Вселенной, на основе уравнений общей теории относительности получил интересный вывод; искривленное пространство не может быть стационарным, оно должно или расширяться, или сжиматься. По мере развития естествознания и особенно ядерной физики выдвигаются различные гипотезы о физических процессах на разных этапах космологического расширения. Теорию первоначально очень плотной и очень горячей Вселенной первым в 1948 году развил Г. А. Гамов, американский ученый российского происхождения. Эта теория называется теорией Большого взрыва. Основные черты этой теории сохранились до сих пор, хотя и испытали определенную модернизацию.
Предполагается, что первоначально Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить на Земле. Такое расширение должно начаться с некоторой сингулярной точки, в которой должна быть сконцентрирована вся материя. Поэтому состояние материи в этой точке должно удовлетворять специфическим условиям. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена материя. Такое допущение вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться, когда она находилась в очень горячем состоянии и постоянно охлаждалась по мере расширения. Такая модель «горячей» Вселенной впоследствии была названа стандартной.
Из этой модели следуют два вывода: 1) химический состав наблюдаемой части Вселенной в среднем одинаков. Вещество в ней на 77 % состоит из водорода и на 22 % — из гелия (такое значительное количество гелия невозможно объяснить термоядерными реакциями в звездах); 2) в сегодняшней Вселенной должно наблюдаться слабое электромагнитное излучение, сохранившее память о начальном этапе развития Вселенной и поэтому названное реликтовым.
В 1964 году американские астрофизики А. Пензиас и Р. Вильсон экспериментально обнаружили фоновое электромагнитное излучение (реликтовое), одинаковое по всем направлениям и не зависящее от времени суток. Это излучение эквивалентно излучению абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Оно наблюдается на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Происхождение реликтового излучения связывают с эволюцией Вселенной, которая в прошлом имела очень высокую температуру и плотность.
Модель горячей Вселенной получила признание в качестве стандартной модели. Однако почему произошел Большой взрыв, эта модель не объясняет. Остаются без ответа вопросы об асимметрии вещества и антивещества во Вселенной, о причинах образования галактик. Важный шаг на пути понимания самого раннего этапа эволюции Вселенной был сделан в 2000 г. в лаборатории Центра европейских ядерных исследований (Женева). Было получено новое состояние материи —кварк-глюоновая плазма. Предположили, что в таком состоянии Вселенная находилась первые 10 мкс после большого взрыва. До сих пор удавалось охарактеризовать эволюцию материи на стадии не ранее трех минут после взрыва, когда уже сформировались ядра атомов.
Структура Вселенной
Вселенная — это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, доступная исследованию современными астрономическими средствами, называется Метагалактикой.
В 1963 г. на границе наблюдаемой Вселенной, удаленной от нас на миллиарды световых лет, были обнаружены интересные объекты, получившие название квазаров. Квазары выделяют огромную энергию, примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых гигантских галактик. Какие физические процессы могут приводить к выделению столь
колоссального количества энергии, пока неясно.
Центральными объектами структуры Вселенной являются галактики, слово «галактика» (от греч. galaktikos — млечный) появилось для обозначения звездной системы, к которой принадлежит Солнце. В современном понимании галактика — скопление звезд и звездных систем, которое имеет свой центр притяжения (ядро). Пространство галактики пронизано магнитными полями, космическими лучами, потоками нейтрино. Одна галактика включает до 1013 звезд. Метагалактика содержит несколько миллиардов галактик, которые образуют группы (несколько галактик), скопления (сотни галактик) и сверхскопления (тысячи галактик). Одиночные галактики встречаются редко. В пространстве Вселенной галактики распределены по всем направлениям равномерно. Среднее расстояние между группами и скоплениями галактик в 10—20 раз больше размеров самих галактик. В структурном отношении выделяют разные формы галактик: сферические, спиралевидные, эллиптические, сплюснутые, неправильные. Наибольшее распространение во Вселенной получили спиральные галактики. Они имеют ядро, в котором сконцентрировано до 10 % массы всей галактики. Ядро галактики — главный источник энергии. Спиралевидные галактики считаются самыми молодыми и энергетически мощными. В таких галактиках вокруг ядра группируются старые звезды и массивные облака межзвездного газа. Средние по возрасту и молодые звезды располагаются в диске и спиральных рукавах. Звезды и звездные системы в галактиках движутся по орбитам. В них сосредоточено от 97 до 99,9 % вещества галактики. Звезды — это газовые шары, которые светят собственным светом (в отличие от планет). Отдельные группы звезд — созвездия — выделяли еще в древности, в их названиях отражены образ мыслей, предания, легенды и жизнь разных народов. Сейчас на звездном небе выделено 88 созвездий с четко обозначенными границами. Созвездия служат фоном, на котором изучаются и описываются положения перемещающихся по небу тел. Созвездия, по которым проходит годовой путь Солнца, относят к поясу Зодиака. В древности в него входили 12 созвездий, отсюда деление года на 12 месяцев, так как Солнце проходит участок каждого из них за месяц, т.е. по 30 градусов дуги. Сейчас путь Солнца проходит через 13 созвездий (стало «заходить» в созвездие Змееносца).
оценке размеров звезд исходят из массы Солнца. Сверхгиганты имеют массу равную 60 массам Солнца, а размеры превышают размеры Солнца в десятки и сотни раз. Звезды-карлики значительно уступают по своим размерам Солнцу. Некоторые из них меньше Земли и ее спутника Луны. Вещество их отличается чрезвычайно высокой плотностью. Еще большей плотностью обладают нейтронные звезды. Их диаметр всего 20—30 км, а средняя плотность вещества более 100 млн т/см3. Нейтронные звезды, быстро вращаясь, излучают импульсы, поэтому и называются пульсарами. Если масса ядра звезды превышает две массы Солнца, то его сжатие силами гравитации происходит неудержимо. результате возникает черная дыра — массивный объект, из которого не могут вылетать частицы или фотоны. О его существовании можно судить лишь по сильному гравитационному притяжению.
Звездные спектры содержат большое число линий поглощения, что говорит о наличии в звездах различных химических элементов. Как показывает спектральный анализ, в наружных слоях звезд преобладает водород, на втором месте — гелий. Так, на каждые 10 тысяч атомов водорода приходится тысяча атомов гелия, примерно 10 атомов кислорода, немного меньше углерода и азота и всего один атом железа. Источник светимости звезды — термоядерные реакции преобразования водорода в гелий, протекающие при высоких температурах. В результате этих реакций образуется достаточно устойчивое гелиевое ядро.
Происходящие в нем процессы поддерживают устойчивое состояние звезды. По характеру свечения выделяют: переменные звезды, которые меняют свой блеск и спектр излучения, красные гиганты. В результате распада красных гигантов формируются желтые и белые карлики. Звезды характеризуются различными поверхностными температурами: «холодные» звезды с температурой 3—4 тыс. градусов — красного цвета;
Солнце с температурой поверхности до 6 тыс. градусов имеет желтоватый цвет. Самые горячие звезды — с температурой выше 12 тыс. градусов имеют белый и голубоватый цвет.
Продолжительность жизни звезд различна: от нескольких миллионов до миллиардов лет. На небе в ясную безлунную ночь хорошо видна яркая белесоватая полоса — это наша Галактика — Млечный Путь. Млечный Путь образует на небе полный круг, который греки назвали молочным кругом. Его население составляют около 200 млрд старых и молодых звезд (Солнце одна из них), которые вращаются вокруг галактического центра. В центре находится скопление звезд с сильным радиоисточником (рис. 1). Предполагают, что это черная дыра с массой в миллион солнечных масс. В 1938 году шведский ученый Б. Линдбланд и голландский астрофизик Я. Оорт установили факт принадлежности Солнца к Млечному Пути. Оно расположено на расстоянии 30 тыс. световых лет от центра (на периферии, в ее спиральном рукаве). Скорость движения Солнечной системы вокруг центра галактики составляет 240 км/с. Галактический год, в течение которого Солнце делает полный оборот вокруг центра Млечного Пути, длится 230 млн лет.
Ближайшие к нам галактики — Магеллановы Облака (в Южном полушарии) и туманность Андромеды (в Северном полушарии).
Происхождение и структура Солнечной системы
Научные концепции возникновения и эволюции Солнечной системы появились более 250 лет назад. В основном конкурировали две из них.
Первая связана с гипотезами о катастрофическом, «одномоментном» выбросе вещества из Солнца с образованием планет. Это гипотезы о критическом сближении Солнца и большой кометы (Ж. Бюффон, XVIII в.) или звезды (Д. Джинс, Г. Джеферсон, Т. Чемберлен и Ф. Мультон, XX в.), или, будучи двойной звездой, Солнце столкнулось с массивным космическим объектом и вторая звезда послужила материалом для образования планет (Б. Рассел, XX в). Вторая гипотеза объединяет представления о длительном формировании Солнечной системы за счет универсального для Вселенной процесса «комкования» первоначально разряженной космической среды в локальные плотные космические тела за счет гравитационных сил (Р. Декарт, XVII в., И. Кант и П. Лаплас, XVIII в.).
Научные концепции возникновения и эволюции Солнечной системы
появились более 250 лет назад. В основном конкурировали две из них. Первая связана с гипотезами о катастрофическом, «одномоментном» выбросе вещества из Солнца с образованием планет. Это гипотезы о критическом сближении Солнца и большой кометы (Ж. Бюффон, XVIII в.) или звезды (Д. Джинс, Г. Джеферсон, Т. Чемберлен и Ф. Мультон, XX в.), или, будучи двойной звездой, Солнце столкнулось с массивным космическим объектом и вторая звезда послужила материалом для образования планет (Б. Рассел, XX в).
Вторая гипотеза объединяет представления о длительном формировании Солнечной системы за счет универсального для Вселенной процесса «комкования» первоначально разряженной космической среды в локальные плотные космические тела за счет гравитационных сил (Р. Декарт, XVII в., И. Кант и П. Лаплас, XVIII в.).
Российский ученый О. Ю. Шмидт в 1944 г. предложил метеоритную гипотезу, согласно которой Солнце при обращении вокруг центра Галактики захватило своим притяжением холодное облако пыли, из которого сформировались допланетные тела — планетезимали. настоящее время о Солнечной системе известно достаточно много из астрономических наблюдений, астрофизических исследований, из фактических данных, собранных космическими аппаратами, а также полученных в результате исследований космического излучения и метеоритов, попадающих на Землю. В этой связи наиболее влиятельной является концепция шведских астрономов Х. Альвена и С. Аррениуса. Они исходят из представления о некотором едином механизме планетообразования на основе гравитационных, электромагнитных и магнитогидродинамических взаимодействий, происходящих в горячей плазме. Закономерное действие единого механизма проявляется в образовании планет, а затем их спутников. К моменту образования планет должны сложиться определенные условия. Центральное тело — Солнце уже должно существовать и обладать магнитным полем, превышающим некоторое критическое значение. Звездная окрестность должна содержать разряженную плазму. Ученые считают, что материал для планет имел внешнее происхождение. Мощное гравитационное поле молодого Солнца притянуло поток газопылевых частиц межзвездного пространства. Так возникла область вторичных тел Солнечной системы.
Вышеназванная концепция подтверждается сравнительными исследованиями изотопного состава вещества метеоритов, Солнца и Земли: обнаружены совпадения изотопного состава метеоритов и Земли и отклонения в одноименном ряду изотопов Земли и Солнца. Это говорит о том, что в истории Солнечной системы существовали первоначальная газово- пылевая туманность и некоторая часть вещества с иным изотопным составом, поступившая из другого газово-пылевого облака. Смешение двух облаков, произошедшее более 4,5 млрд лет назад, положило начало образованию Солнечной системы.
Солнечная система представляет собой группу планет, их спутников, множество астероидов и метеоритов. С учетом физических характеристик все планеты делятся на две группы: землеподобные — Меркурий, Венера, Земля, Марс и планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Планеты земной группы состоят из силикатов и алюмосиликатов и отличаются высокой плотностью, в среднем 5,5 г/см3. Планеты-гиганты состоят из водорода и гелия, а средняя плотность их вещества близка к плотности воды. Самая дальняя от Солнца планета — Плутон, открытая в марте 1930 г., по своим размерам близка к астероидам. Она состоит из центрального тела и спутника. Плутон — малоизученная планета, поэтому ученые расходятся во мнении, к какой группе ее отнести. Все планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости, называемой эклиптикой. Они светят отраженным светом и по своему размеру и массе значительно меньше Солнца. Планеты имеют спутники: у Земли и Плутона — по одному спутнику, у Марса и Нептуна — по два, Уран имеет 5 спутников, Сатурн — 32, Юпитер — 39.
Характерные параметры планет земной группы (в долях от соответствующих характеристик Земли) представлены в табл. 1. Самая массивная из планет земной группы — Земля.
Планеты земной группы. Сюда входят Меркурий, Венера, Земля и Марс. Все они обладают сходным строением, имеют плотные металлические ядра и силикатные поверхностные слои. Формы орбит близки к окружности, наибольшая вытянутость – у орбиты Меркурия.
Меркурий. Масса 0.055 массы Земли, диаметр 0.38 диаметра Земли (4870 км). Период обращения вокруг Солнца (год) – 88 земных суток, период обращения вокруг своей оси (звездные сутки) – 59 земных суток. Медленное вращение и отсутствие атмосферы приводит к большому перепаду ночных и дневных температур на поверхности – от – 180 до + 430 °С. Поверхность сложена из тугоплавких вулканических пород, покрыта древними кратерами ударного происхождения размерами до сотен километров.
Венера. Масса – 0.815 массы Земли, диаметр 0.95 диаметра Земли (12100 км). Год Венеры – 225 земных суток, Мощная атмосфера из углекислого газа, толстый слой облаков из паров серной кислоты на большой высоте над поверхностью создают сильный парниковый эффект, в результате чего температура поверхности, как на ночной, так и на дневной стороне, стабильна и близка к +500 °С. Поверхность покрыта базальтовыми породами, есть высокие (до 12 км) горы, открыто множество потухших вулканов.
Земля. диаметр 12756 км. Год - 365, 24 Обладает атмосферой, состоящей на 78% из азота и на 21% из кислорода. Имеется крупный спутник -Луна, находящийся на среднем расстоянии 384 * 103 км от Земли. Диаметр Луны – 3470 км.
Марс. Масса – 0.107 массы Земли, диаметр 0.53 диаметра Земли (6670 км). Год Марса – 687 земных суток. Обладает разреженной атмосферой из углекислого газа. Смена времен года, наклон оси вращения к плоскости орбиты – 65.5°. На полюсах находятся шапки изо льда и замерзшей углекислоты. Рельеф чрезвычайно сложный, включающий горы, долины, дюны, ударные кратеры. Есть потухшие щитовые вулканы высотой до 27 км. Гигантский каньон шириной 600 км и глубиной более 10 км. Сохранились следы древней гидросферы (структуры, характерные для дна океана), сухие русла рек, следы потоков воды, стекавшей по склонам кратеров. Температуры – от 0°С на экваторе до – 130°С (ночью в приполярных областях). Марс обладает двумя небольшими спутниками (Фобос и Деймос, оба менее 30 км в диаметре). Спутники – типичные астероиды, захваченные гравитационным полем Марса.
Пояс астероидов. множество твердых тел, вращающихся вокруг Солнца. Известно более 10000 астероидов, постоянно открываются новые. Размеры – от 900 км (Церера) и меньше – до сотен и десятков метров. Кроме того, известны более 1000 объектов, пересекающих орбиту Земли. В составе астероидов – либо никелистое железо (обломки древних ядер планетезималей), либо силикаты (обломки древних кор планетезималей), либо железокаменные конгломераты (обломки промежуточных слоев). Небольшие астероиды имеют неправильную форму, несут на себе следы множественных соударений. Мелкие обломки астероидов – метеороиды (размером менее 1 км), по-видимому, распространены во всей внутренней (планетной) зоне Солнечной системы. Столкновения мелких метеороидов с Землей и другими планетами регулярны, в ряде случаев на поверхность Земли выпадают их сохранившиеся при полете в атмосфере остатки – метеориты. Подавляющее большинство состоят из никелистого железа. Каменные метеориты вызывают большой интерес, так как они никогда сильно не разогревались, и представляют собой образцы вещества древней Солнечной системы
Планеты-гиганты. На расстояниях от 5 до 30 а.е. от Солнца вокруг него обращаются так называемые планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Это название связано с громадными массами и размерами этих планет. Внутри у них, судя по всему, есть небольшие металлические ядра, с размерами, как у планет земной группы. Ядра окружены гигантскими флюидными оболочками, близкими по составу к солнечному веществу, а основу составляют водород (85 %) и гелий (14%).
Все планеты-гиганты очень быстро вращаются вокруг своих осей. Они обладают большим количеством спутников. Самые крупные из них (например, Ганимед, спутник Юпитера) превышают по размерам Меркурий и Плутон и обладают всеми признаками планет. Мельчайшие частицы – остатки разрушившихся спутников и вещество, из которого так и не образовались спутники – образуют в экваториальных плоскостях планет-гигантов системы колец в нескольких десятках тысяч километров от их поверхностей. Наиболее развитой системой колец обладает Сатурн.
Юпитер. Масса – 318 масс Земли, диаметр 11.2 диаметров Земли (143 * 103 км), объем – 1300 объемов Земли. На одном из 16 спутников – Ио – под действием мощных приливных сил со стороны близкого Юпитера непрерывно извергаются вулканы, выбрасывая в межпланетное пространство потоки заряженных частиц.
Спутник Европа покрыт ледяным панцирем, под которым, судя по всему, находится глубокий водяной океан. Помимо спутников, Юпитер обладает системой колец, которые, однако, слабо выражены (по сравнению с Сатурном) и с Земли практически не наблюдаются.
Оценки показывают, что Юпитер существенно, в 13 раз, меньше по массе, чем это необходимо, чтобы температура и давление в центре привели бы к "запуску" термоядерных | реакций и превратили бы Юпитер в небольшую звезду. Можно считать, что Юпитер и другие планеты-гиганты – недоразвитые зародыши звезд, которым не хватило массы, чтобы | превратиться в таковые.
Сатурн. Масса – 95 масс Земли, диаметр – 120 * 103 км. Известна феерическая система колец шириной почти в 400 * 103 км и толщиной в несколько десятков метров, состоящая из мириад мельчайших пылинок, снежинок, камней, покрытых льдом, глыб, размерами от сантиметров до метров. Каждая частица кольца движется вокруг планеты, как отдельный спутник. Крупных спутников у Сатурна открыто 22, по неподтвержденным пока данным – еще больше. Наиболее крупный спутник – Титан - обладает холодной атмосферой из азота с добавками метана.
В атмосфере Сатурна отмечены сильные ветры – до 1800 км/ч. Планета сильно сплюснута у полюсов. В полярных областях зафиксированы сильные полярные сияния.
Уран. Масса -14.5 масс Земли, диаметр – 51300 км. Год Урана – 84 земных года, Система спутников Урана включает 5 больших и десять маленьких тел. Спутник Миранда, диаметром около 500 км, судя по всему, сплавлен из трех-четырех каменных обломков. Около Урана обнаружена система колец.
Нептун. Масса – 17.2 массы Земли (больше, чем у Урана), в то время как размеры Нептуна несколько меньше, чем у Урана – 49500 км. Соответственно средняя плотность планеты заметно больше: 1.77 г/ см3. Год Нептуна – 165 земных лет, сутки – 17 часов 52 минуты. Среднее расстояние от Солнца – 30 а.е. (4.5 *109 км). Температура поверхностных слоев атмосферы -213°С. Несмотря на то, что Нептун расположен значительно дальше, чем Уран, на нем теплее. У Нептуна есть собственный внутренний источник тепла, дающий втрое больше тепла по сравнению с получаемым от Солнца. Существует гипотеза, что на Нептуне может быть обнаружен гигантский (тысячекилометровой глубины) водяной океан. Известны 8 спутников Нептуна, но этот перечень, скорее всего, неполон. Крупнейший спутник системы – Тритон - имеет азотную атмосферу, сложен из каменных пород и льдов (водяного и метанового). На Тритоне обнаружены мощные азотные гейзеры.
Плутон и пояс Койпера. Плутон - самая маленькая планета Солнечной системы (меньше Луны). Масса – 0.0022 массы Земли. Диаметр – 2300 км. Движется по сильно вытянутой орбите Температура твердой поверхности -230°С. Год Плутона составляет 249 лет, Судя по всему, каменное ядро Плутона покрыто мощным слоем водяного и метанового льда. Имеет один спутник – Харон, всего вдвое меньшего по размерам, чем сам Плутон. Плутон находится в пределах так называемого пояса Койпера – кольца из небольших (до 200 километров в диаметре) ледяных тел. В период с 1992 по 2000 годы открыто 346 таких объектов.
Между орбитами Марса и Юпитера обращается вокруг Солнца множество космических тел — это астероиды. Большинство астероидов — карлики. Самый крупный астероид был открыт в 1801 г. итальянским астрономом Лд. Пиацци и назван Церерой, его диаметр 770 км. Происхождение астероидов пока не известно. Согласно одной гипотезе, они представляют собой осколки бывшей планеты, но более вероятно то, что астероиды никогда не были частями одного тела, а образовались в процессе сгущения пылевой среды в результате взаимного притяжения составляющих их частиц. Сейчас известно более 3000 малых планет, вращающихся вокруг Солнца в среднем на расстоянии 2,75 а. е. Структуру пояса астероидов определяет возмущающее влияние соседних планет, в основном Юпитера и Марса. Общая масса малых планет составляет 0,001 % массы Земли, они не имеют правильных форм, о химическом составе можно судить по выпадению метеоритов из этого пояса. Астероиды диаметром более 1 км и с орбитами, пересекающими орбиту Земли, составляют 43 % и могут столкнуться с ней. Над проблемой защиты от астероидной опасности работают ученые Европы, России, США. Так, 7 января 2002 г. астероид VB5 пролетел на расстоянии от Земли всего 823 тыс. км.
Кометы — это глыбы твердого вещества, состоящие из различных видов льда — замерзших воды, метана, аммиака и углекислого газа. В эту ледяную смесь заключены песчаная пыль, крупные камни и куски металла. Кометы движутся вокруг Солнца по орбите, имеющей форму вытянутого эллипсоида и даже парабол. При приближении к Солнцу лед начинает испаряться и вокруг ядра кометы образуется оболочка, которая под действием светового давления и солнечного ветра отталкивается в сторону от Солнца, образуя хвост кометы.
Этот хвост может тянуться на сотни миллионов километров. Сейчас известно почти 1000 комет, некоторые из них возвращаются к Солнцу, а другие, появившись раз, уходят в межзвездное пространство. Так, комета Галлея, открытая в 1786 г., возвращается каждые 76,03 года. Самое последнее ее появление происходило в 1985—1986 гг. Комета Шумейкер-Леви, открытая в 1993 г., в июле 1994 г. столкнулась с Юпитером (выделив энергию в тротиловом эквиваленте 1 Мт) и закончила свое существование. Подобное, но меньших масштабов произошло на Земле 30 июня 1908 г. В районе Подкаменной Тунгуски снежный шар диаметром 120 м (вторичный
фрагмент ледяного ядра кометы Энке) столкнулся с атмосферой Земли и на
высоте 8—9 км взорвался (выделив энергию равную 450 Хиросимам), получив название Тунгусского метеорита. Считают, что 65 млн лет назад с Землей столкнулось ледяное ядро диаметром 10 км, в результате на полуострове Юкатан образовался ударно-взрывной кратер. Поскольку кометы несут до 30 % пыли, которая при взрыве поднимается вверх и закрывает Солнце, то примерно через 4 месяца температура на Земле снизилась до –50 оС. Американские ученые полагают, что именно с этой катастрофой связана гибель динозавров. Открытие все новых комет продолжается.
Видимый след в небе, оставляемый вспыхнувшим объектом при его вхождении в атмосферу, называется метеором. Это световое явление еще называют «падающими звездами». Иногда метеорное тело при движении в атмосфере не успевает испариться и достигает поверхности Земли. Этот остаток называют метеоритом. За год на Землю попадает около 2000 метеоритов. Они бывают каменные, железные и железокаменные. Поверхность Земли покрыта метеоритными кратерами, заметны более 130 кратеров ударно-взрывного происхождения диаметрами до 400 км. Крупнейший метеорит находится в Западной Африке, его масса оценивается в 100 000 т; Сихотэ-Алиньского метеорита, упавшего в дальневосточной тайге, — 23 т. Полагают, что метеориты части астероидов. Изотопный метод показал, что возраст метеоритов достигает 4,5 млрд лет, что согласуется с данными о возрасте Земли и Солнечной системы в целом.
Характеристика Солнца
Солнце находится в центре Солнечной системы, в нем сосредоточено 99,866 % всей массы Солнечной системы, однако 98 % момента количества движения сосредоточено в планетах. Солнце — обычная звезда, со средней продолжительностью жизни 10 млрд лет. Оно вращается вокруг своей оси, но на разных гелиографических широтах скорость его вращения различна: на экваторе Солнце делает оборот за 25 суток, вблизи полюсов — за 33. Различные скорости вращения возможны только потому, что Солнце — плазменный шар, его радиус примерно 696 тыс. км, плотность — около 1,4 г/см3, температура поверхности составляет около 6000 К, В структуре Солнца различают внутреннее ядро — гелиевое с температурой, равной 15 000 000 К. В ядре сосредоточено более 50 % массы Солнца, тогда как радиус ядра составляет 25 % от радиуса Солнца. В состав Солнца входят водород, составляющий 73 % по массе и гелий — 25%. Остальные 2 % — более тяжелые элементы (Fe, S, Mg, N, Si и др.). Источник солнечной энергии — термоядерные процессы превращения водорода в гелий, которые совершаются в центральных областях Солнца. Далее следует фотосфера, так условно называют поверхность Солнца. Поверхность Солнца никогда не бывает спокойна. Наблюдаемые подвижные пятна свидетельствуют о сильных вертикальных движениях солнечного вещества. Выше слоя фотосферы располагается солнечная атмосфера, в ней выделяют две части: хромосферу и солнечную корону.
Нижний слой — хромосфера. В этой зоне происходят постоянные вспышки солнечного газа, похожие на языки пламени. Солнечная корона
имеет протяженность 12—13 млн км. Температура газов в солнечной короне достигает 1,5 млн К. Эта часть Солнца хорошо наблюдается во время полных солнечных затмений. Солнечный ветер представляет собой поток плазмы (протоны и электроны с альфа-частицами и ионизированными атомами углерода, кислорода и других элементов). Его скорость вблизи Земли достигает 400—500 и даже 1000 км/с.
Солнце излучает все типы электромагнитных волн, начиная с радиоволн и кончая гамма-лучами. В атмосферу нашей планеты поступает очень мало заряженных частиц, так как магнитное поле Земли бронирует её поверхность. Но даже малая часть заряженных частиц способна вызвать возмущения в магнитном поле. Так, когда потоки заряженных частиц, порожденные солнечными вспышками, достигают Земли, они создают в полярных областях изумительный мерцающий свет — северное сияние. Солнце обладает сильным магнитным полем, полярность которого изменяется один раз в 11 лет. Эта периодичность совпадает с 22-летним циклом нарастания и убывания солнечной активности, когда формируются солнечные пятна с диаметром в среднем 66 000 км. Они обычно сопровождаются группой светлых полосок — факелов. Видимые на диске волокна названы протуберанцами. Это массы более плотного и холодного
газа, поднимающиеся над хромосферой на сотни и тысячи километров.
Кроме оптического и рентгеновского излучения, Солнце излучает потоки частиц — корпускул. Солнечные корпускулярные потоки оказывают большое воздействие на верхние слои атмосферы нашей планеты. Все процессы на Земле испытывают влияние космических циклов, связанных с движением Солнца в пространстве Вселенной. Периодичность кругового движения Солнца вокруг центра Галактики влияет на внутреннее состояние Солнечной системы. Галактический цикл (150—200 млн лет), связанный с орбитальным движением Солнца вокруг центра Галактики, совпадает с циклическими процессами горообразования на Земле и наиболее крупными изменениями в органическом мире. Космические циклы с периодом 680 и 40 млн лет связаны с обращением Солнца вокруг центра местной звездной системы в созвездии Геркулеса и пересечении плоскости Галактики. Цикл в 40 млн лет совпадает с продолжительностью некоторых геологических периодов, относящихся к разным эрам: силурийского и пермского периодов в палеозое; мелового и юрского в мезозое; палеогенового в кайнозое. Продолжительность жизни Солнца определяется превращением водорода в гелий в его недрах. Расчеты показали, что атомного горючего должно хватить еще на 5 млрд лет. Когда запасы водорода снизятся, гелиевое ядро будет сжиматься, а внешние слои, наоборот, расширяться, и Солнце превратится сначала в «красного гиганта», а затем в «белого карлика», пройдя обычный путь эволюции звезды.
Положение Земли в Солнечной системе
Земля — наиболее крупный и сложный динамический объект из всех внутренних планет Солнечной системы. Фигура Земли представляет собой трехосный эллипсоид и отличается от эллипсоида вращения. По данным измерений, Земля — сплюснутый у полюсов шар (геоид); его полярный радиус меньше экваториального на 21,382 км из-за влияния центробежной силы, возникающей в результате вращения Земли вокруг своей оси. Сжатие Земли составляет 1/298,3 м. В тех случаях, когда не требуется высокая точность, средний радиус Земли принимают равным 6371 км. Площадь поверхности — 510 100 000 км2. Длина экватора 40 075 696 км. Длина меридиана 40 008 550 км.
Шарообразная форма Земли обуславливает закономерное уменьшение угла падения солнечных лучей на земную поверхность в направлении от экватора к полюсам. В результате этого происходит уменьшение в том же направлении количества солнечной энергии, получаемой земной поверхностью, и связанная с этим важнейшая закономерность географической оболочки — широтная зональность.
Движения Земли и их географические следствия
Земля одновременно вращается вокруг своей оси, движется вокруг Солнца, около общего с Луной и около общего для всей Солнечной системы центров тяжести, а также в составе Солнечной системы перемещается вокруг ядра Галактики. Однако для жизни на планете главными про-цессами являются осевое и орбитальное движения нашей планеты. Земля вращается с запада на восток против часовой стрелки и делает полный оборот вокруг оси за 23 ч 56 мин 4,1 с (звездные сутки).
За земную ось принимают воображаемую прямую линию, вокруг которой вращается Земля. Земная ось пересекается с земной поверхностью в двух точках, называемых полюсами — Северным и Южным.
Экватор — большой круг, образованный пересечением Земли, перпендикулярный оси вращения на расстоянии, равном от обоих полюсов. Если мысленно пересечь Землю рядом параллельных экватору плоскостей, на земной поверхности появятся линии, называемые параллелями, имеющими направление запад—восток. При мысленном пересечении Земли плоскостями, проходящими через ось ее вращения, на поверхности Земли возникают линии, называемые меридианами, имеющие направление север—юг. Линейная скорость вращения всех точек на одном меридиане уменьшается от экватора к полюсам.
Период полного осевого вращения Земли — сутки. Они приняты за естественную единицу измерения времени. Отрезок времени, за который Земля делает оборот вокруг своей оси по отношению к Солнцу, называют истинными солнечными сутками. Солнечные сутки несколько длиннее звездных, что объясняется одновременным вращением Земли вокруг оси и ее движением вокруг Солнца. В то же время Земля при своем движении по орбите меняет скорость: находясь ближе к Солнцу (в перигелии), движется быстрее, а дальше (в афелии) движется медленнее. Это приводит к тому, что продолжительность истинных солнечных суток в течение года неодинакова. Для удобства истинное солнечное время заменяют средним солнечным, которое всегда равно 24 ч. За начало суток принимают момент нижней кульминации среднего Солнца, т.е. полночь.
Сутки начинаются одновременно на всем меридиане. Каждый меридиан имеет свое местное время, и чем восточнее он расположен, тем раньше начинаются на нем сутки. Вращаясь, Земля за 1 час поворачивается на 15о,поэтому на меридианах, отстоящих друг от друга на 15о, местное время отличается на 1 час. Если расстояние между меридианами 1о, разница во времени 4 мин. Местное время неудобно из-за различий во времени соседних пунктов, расположенных на разных меридианах, поэтому в конце XIX в. ввели поясное время, разделив всю поверхность Земли на 24 часовых пояса по 15о каждый. При переходе границы время меняется на 1 час.
Начальный пояс проходит по обе стороны от нулевого меридиана, называемого Гринвичским. Время начального меридиана принято в качестве всемирного времени. Границы поясов не везде проведены по меридианам, а с учетом политических, административных и хозяйственных границ. Границы поясов не везде проведены по меридианам, а с учетом политических, административных и хозяйственных границ.
С целью экономии электроэнергии и более полного использования населением солнечного освещения в утренние часы во многих странах, в том числе и в России, в конце марта стрелки часов переводили на 1 час вперед. Это время называется летним. В конце октября стрелки переводили на 1 час назад — это зимнее время, соответствующее поясному. В 2011 году отменено зимнее время в России.
При переезде из одного часового пояса в другой стрелки часов нужно перевести вперед, если движетесь на восток, или назад, если движетесь на запад. В конце кругосветного путешествия с запада на восток стрелки будут переведены вперед на 24 ч, т.е. одни сутки будут «потерянными». Чтобы при перелете из одного полушария в другое счет времени был правильным, установили условную линию — линию перемены дат. Она проходит по 180 о-му меридиану в Тихом океане и не пересекает сушу. При пересечении этой линии с востока на запад одни сутки из счета выбрасываются, т.е. после 1 сентября наступит 3, а при пересечении этой линии с запада на восток на следующий день повторится то же число. Земля, вращаясь вокруг своей оси, в то же время движется вокруг Солнца со средней скоростью 30 км/с. При такой большой скорости она совершает полный оборот вокруг Солнца за 365 суток 5 ч 48 мин 46 с.
Этот период называется астрономическим годом. Путь, по которому Земля движется вокруг Солнца, называется орбитой. Орбита представляет собой замкнутую кривую, имеющую форму эллипса длиной 940 млн км. Солнце находится не в центре, а смещено в сторону — в один из фокусов, поэтому расстояние от Земли до Солнца меняется в зависимости от положения Земли на орбите. Времена года на Земле существуют по той причине, что земная ось не находится под прямым углом к плоскости орбиты. При движении по орбите направление земной оси не меняется и всегда направлено в сторону Полярной звезды.
21 марта в результате наклона земной оси к плоскости орбиты день и
ночь могут быть равны на всех широтах только в тот момент, когда земная
ось лежит в светораздельной плоскости, а светораздельная линия проходит через географические полюса. Это день весеннего равноденствия.Затем каждый день вплоть до 21 июня Солнце в полдень бывает в зените в более северных точках планеты. В Северном полушарии лето наступает, когда Северный полюс наклонен в сторону Солнца. 22 июня называют днем летнего солнцестояния. Солнце находится в зените на параллели 23о 27΄ с. ш. Эту параллель называют Северным тропиком — тропиком Рака. В это время самая большая продолжительность светлой части суток, она не меняется в течение нескольких дней. В это же время на параллели 66о 33΄ с. ш. вплоть до 90о Земля оказывается полностью освещенной и при вращении не попадает в тень. Смены дня и ночи не происходит. Это время называют полярным днем. После 22 июня все эти явления происходят в обратном порядке до тех пор, пока 23 сентября Солнце вновь не окажется в полдень в зените на линии экватора и линия, отделяющая освещенное полушарие от неосвещенного, не пройдет через полюса. Это день солнечного (осеннего) равноденствия.
Земля продолжает движение по орбите и все больше поворачивается к
Солнцу своим Южным полушарием. 22 декабря Солнце в полдень нахо-дится в зените в самых южных точках на параллели 23о 27΄ ю. ш., которую
называют южным тропиком — тропиком Козерога. Это второе солнцестояние в году — лето в Южном полушарии. В это время к северу от Северного полярного круга бывает полярная ночь, а к югу от Южного полярного круга — полярный день. Установить возраст Земли оказалось возможным после открытия явления радиоактивности. Стало понятно, что радиоактивные ядра распадаются с постоянной скоростью, не зависящей от изменения окружающих физико-химических условий. В природе есть элементы, содержащиеся в минералах, радиоактивный распад которых используется в геологическом летоисчеслении. Это U238, U235, Th232, K40, Rb87, C14.
Абсолютный возраст горной породы определяется из количественного
сооотношения в ней радиоактивного элемента и продуктов его распада.
Длительное время считали, что самым древним горным породам Земли3,8—3,9 млрд лет. Они обнаружены в Восточной Сибири, в Западной части Гренландии, в Антарктиде. Позже в Австралии в песчаниках возрастом 2,9 млрд лет обнаружили минерал циркон, которому 4,3 млрд лет. Циркон попал в песчаники при разрушении более древних пород. В результате обработки земных и лунных образцов пород, метеоритов
установлен их возраст — 4,55 млрд лет.
Итак, предполагают, что землеподобные планеты имеют возраст 4,6—4,55 млрд лет, а возраст Солнца 4,65—4,6 млрд лет
Подобно тому, как Земля обращается вокруг Солнца, вокруг Земли движется Луна — естественный спутник нашей планеты, расположенный на расстоянии 384 000 км. Диаметр Луны в 4 раза, а масса в 81 раз меньше Земли, поэтому сила тяготения на Луне примерно в 6 раз меньше земной.
Слабая сила притяжения не позволяет Луне удержать плотную атмосферу и сохранить на её поверхности воду. У Луны очень слабое магнитное поле и нет железного ядра. Луна покрыта рыхлым слоем реголита, состоящего из фракций магматических пород. Минералогический состав лунных пород близок к земным базальтам, но отличается по содержанию оксидов железа и титана. Реголит — хороший теплоизолятор, не позволяющий проникнуть резким колебаниям температур (от +130 до –170 оС) глубже нескольких десятков сантиметров. Так, в течение лунного дня, который длится 15 земных суток, лучи Солнца накаляют лунный грунт вблизи экватора до 130 оС. В течение ночи, которая длится также 15 земных суток, грунт остывает до –70 оС. Рельеф Луны образуют горные хребты, кольцевые горы-кратеры и равнинные области, называемые морями, на которых наблюдаются отдельные мелкие кратеры метеоритного происхождения. В отдельных местах лунной поверхности зафиксировано небольшое истечение вулканических газов.
Луна делает полный круг на небе за 27 суток 7 часов 43 минут — это звездный месяц, называемый сидерическим. Происхождение Луны — предмет ряда гипотез. Предполагают, что 1) образование Луны из того же газово-пылевого облака шло одновременно с Землей; 2) Земля вращалась очень быстро и сбросила часть своего вещества; 3) произошел захват Луны как постороннего тела Землей; 4) произошел скользящий удар о Землю космического тела, масса которого соответствует массе Марса и выброс вещества мантии Земли в околоземное пространство с последующим формированием Луны из этого вещества. Так как состав лунных пород близок составу мантийного вещества Земли, последняя гипотеза пользуется наибольшей популярностью.
Под действием притяжения Луны тело Земли испытывает упругую де-
формацию, принимая форму симметричного яйца, вытянутого по направлению к Луне вдоль линии, соединяющей центры Земли и Луны. Особенно заметной деформации подвергается водная оболочка Земли. В наиболее близкой к Луне точке океанической поверхности и в диаметрально противоположной образуется вспучивание водной массы (приливной выступ), а на круге, расположенном посередине между этими точками перпендикулярно к линии Земля — Луна, возникает понижение водной поверхности. Вследствие вращения Земли приливные выступы превращаются в приливную волну, которая обходит вокруг земного шара, перемещаясь навстречу вращению Земли, т.е. с востока на запад. Прохождение через какое-нибудь место гребня волны создает здесь прилив, прохождение впадины волны — отлив. В течение лунных суток бывает два повышения и два понижения уровня моря. Промежуток времени между двумя смежными самыми высокими (или самыми низкими) стояниями уровня равен 12 ч 25 мин. Во время новолуния и полнолуния, когда Солнце и Луна расположены почти на одной прямой, приливообразующие влияния обоих космических тел складываются, и приливы на Земле достигают наибольшей высоты. Когда направления на Луну и Солнце образуют прямой угол, их влияния вычитаются, и приливы на Земле наименьшие.
Приливная волна, бегущая по Мировому океану навстречу вращению
Земли, замедляет это вращение. Вследствие тормозящего эффекта приливного трения земные сутки постепенно становятся длиннее на 1 с в каждые 40 тыс. лет.