Тема 4. Современные космогонические представления о Вселенной

В природе четко отмечается многоступенчатая иерархическая организация из структурных уровней организации материи от элементарных частиц, из которых состоят атомы, до крупномасштабного распределения Галактик. Каждый такой уровень характеризуется специфической организацией, своими размерами и взаимосвязью. Несмотря на различные по степени сложности уровни организации между ними не существует жесткой границы, которая бы однозначно разделяла бы их на микро-, макро- и мегамиры. Благодаря взаимным связям этот огромный мир предстает в качестве единой целостной системы (организации).

Космология – астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, заключающая в себе и определенное понимание свойств всей Вселенной.

Практически все объекты, видимые на звездном небе, составляют единую систему небесных тел – Галактику – (в своем кратком выражении Галактика представляет) скопление звезд. Галактики - это стационарные звездные системы, удерживаемые за счет гравитационного взаимодействия. В нашей Галактике (Млечный путь) примерно 1011 звезд. Галактики в свою очередь обнаруживают тенденцию к объединению в кратные системы до их множественных скоплений местные (локальные) группы галактик. В частности, наша Галактика Млечного пути, наряду с приблизительно двумя дюжинами других галактик, включая галактику Андромеды, Большие и Малые Магеллановы Облака, является частью локальной группы галактик. Со временем эти групповые галактики могут объединяться друг с другом в сверхскопления – Метагалактику и Гипергалактику.

Сведения о строении, размерах, составе Галактики получены в основном за последние полвека и согласно им все Галактики, по своей форме делят на:

- спиральные (основная масса звезд располагается по спиралям, исходящим из сгущенного центра).

- эллиптические (имеют форму шара, сплюснутого вдоль оси вращения, видимого в виде эллипса). Основная масса звезд располагается по эллипсоидной оси вокруг центра Галактики.

- неправильные Галактики (не имеют правильной структуры, их очертания очень разнообразны).

Солнечная система является составной частью спиральной Галактики Млечный путь. Млечный Путь опоясывает все небо по большому кругу. Это значит, что мы находимся вблизи его плоскости, которую называют галактической.

Ядро – центральная часть Галактики, находящаяся в сгущенном состоянии, в котором идут активные термоядерные процессы, связанные с выделением энергии и выбросом вещества. Вокруг ядра располагаются сами небесные объекты звезды – составляют 98% от всей общей массы Галактики (в состав нашей Галактики входит около 200 млрд. звезд) и образуют рассеянные звездные скопления или их ассоциации, двигающиеся вокруг ядра по спиральным орбитам. Так, например, чтобы совершить один галактический оборот Солнцу требуется 250 млн. лет (при движении со скоростью 220 км/с). Звезды, входящие в состав Галактик различаются своим возрастным составом. Так, в области спиральных рукавов преимущественно располагаются молодые звезды, в этих же областях постоянно идут процессы новообразования звезд. В периферической части галактического диска находятся старые, неяркие маломассивные звезды, которые встречаются как поодиночке, так и в виде шаровых скоплений. Возраст периферической части населения Галактики превышает 12 млрд. лет. В состав Галактики входят космические лучи и электромагнитные волны. Между звездами в рассеянном свободном или сгущенном состоянии по типу туманностей располагается межзвездное вещество в виде газа и пыли – около 2% от общей массы Галактики. Наибольшая концентрация межзвездного вещества в виде газа и пыли отмечается в основном вблизи его центральной (ядерной) плоскости. Основным химическим элементом, входящим в состав газового межзвездного вещества в нашей Галактике является водород и около 1/4 - это гелий. По сравнению с этими двумя элементами остальные присутствуют в очень небольших количествах.

Межзвездное вещество распределено в пространстве между звездами неоднородно и неравномерно. Основная масса межзвездного вещества в нашей Галактике располагается вблизи Млечного Пути, где образует огромные (диаметром сотни световых лет) дымчатые облака, получившие название туманности.

Элементарной единицей Галактики является Звезда – пространственно обособленная, гравитационно связанная, непрозрачная для излучения масса вещества, в которой в значительных масштабах происходили, происходят или будут происходить термоядерные реакции превращения химических веществ, главным образом водорода и гелия.

Именно в звездах в процессе термоядерных реакций или во время вспышек сверхновых звезд идет превращение и образование химических веществ – основ строения всех объектов материального мира. Все звезды в Галактиках образуют различные по форме и численности скопления: рассеянные и шаровые звездные скопления.

Основными характеристиками звезд являются:

· масса,

· радиус,

· абсолютная величина, характеризующая ее светимость,

· температура,

· спектральный класс.

Одна из основных характеристик звезды - светимость определяется, если известна видимая величина и расстояние до нее. Важную информацию о звездах, об их химических свойствах, температуре дает изучение спектров звезд. Характерной особенностью звездных спектров является наличие у них огромного количества линий поглощения, принадлежащих различным элементам.

Формирование звезды — процесс, которым плотные части молекулярных облаков коллапсируют в шар плазмы, чтобы сформировать звезду. Эволюция звезды начинается в гигантском молекулярном облаке, также называемым звёздной колыбелью. По мере того, как молекулярное облако вращается вокруг какой-либо галактики, несколько факторов могут вызвать гравитационный коллапс. К примеру, облака могут столкнуться друг с другом, или одно из них может пройти через плотный рукав спиральной галактики. Другим фактором может стать близлежащий взрыв сверхновой звезды, ударная волна которого столкнётся с молекулярным облаком на огромной скорости. Кроме того, возможно столкновение галактик, способное вызвать всплеск звёздообразования, по мере того, как газовые облака в каждой из галактик сжимаются и возбуждаются в результате столкновения.

В таких формированиях газ нагревается по мере сжатия, вызванного высвобождением гравитационной потенциальной энергии, и облако становится протозвездой, трансформируясь во вращающийся сферический объект.

Срок жизни звезды и этапы развития полностью определяется ее массой. Звезды с массой больше солнечной живут гораздо меньше Солнца, а время жизни самых массивных звезд - всего миллионы лет. Для подавляющего большинства звезд время жизни - около 15 млрд. лет. После того как звезда исчерпает свои источники энергии она начинает остывать и сжиматься. Конечным продуктом эволюции звезд являются компактные массивные объекты, плотность которых во много раз больше, чем у обычных звезд.

Звезды разной массы приходят в итоге к одному из трех состояний: белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры. Если масса звезды невелика, то силы гравитации сравнительно слабы и сжатие звезды (гравитационный коллапс) прекращается. Она переходит в устойчивое состояние белого карлика. Если масса превышает критическое значение, сжатие продолжается. При очень высокой плотности электроны, соединяясь с протонами, образуют нейтроны. Вскоре уже почти вся звезда состоит из одних нейтронов и имеет такую громадную плотность, что огромная звездная масса сосредоточивается в очень небольшом шаре радиусом несколько километров и сжатие останавливается - образуется нейтронная звезда. Если же масса звезды будет настолько велика, что даже образование нейтронной звезды не остановит гравитационного коллапса, то конечным этапом эволюции звезды будет черная дыра.

Проблема эволюции Вселенной является центральной в естествознании. Вопросы о том, как велик окружающий нас звездный мир и когда он возник, или был создан, интересуют людей с незапамятных времен. Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Составной частью модели о происхождении Вселенной является представление о Большом Взрыве - космологическая теория начала расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии. По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается.

Солнечная система является частью Млечного Пути — спиральной галактики, имеющей диаметр около 30 тысяч парсек (или 100 тысяч световых лет) и состоящей из приблизительно 200 миллиардов звёзд. Солнечная система расположена вблизи плоскости симметрии галактического диска (на 20—25 парсек выше, то есть севернее него), на расстоянии около 8 тысяч парсек (27 тысяч световых лет) от галактического центра (практически на равном расстоянии от центра Галактики и её края), на окраине рукава Ориона — одного из галактических рукавов Млечного Пути.

Солнце – рядовая звезда Галактики Млечный путь (относится к звездам главной последовательности звезд диаграммы Герцшпрунга-Ресселла – желтый карлик). Гравитационное притяжение Солнца является главной силой, определяющей структуру и движение всех обращающихся вокруг него тел Солнечной системы.

Солнце – газовый, точнее плазменный, шар, не имеющий четкой границы, плотность которого убывает постепенно (ср. плотность составляет 1,41 кг/м³, чуть больше плотности воды). Масса Солнца приблизительно в 750 раз превосходит массу всех остальных тел, входящих в Солнечную систему. Другими словами на долю массы Солнца приходится до 98% от всей массы Солнечной системы и лишь 2% приходится на все остальные образования в этой системе. Тогда как в отношении количества движения в Солнечной системе на долю самого Солнца приходится лишь 2%, а 98% количества движения принадлежит планетам.

Рассматривая строение Солнца можно выделить следующие компоненты:

1. Наиболее плотная часть Солнечного диска, которая создает у наблюдателя иллюзию очерченного солнечного круга на небосводе, и из которой исходит видимое излучение, называется фотосферой (греч.– сфера света). Фотосфера – самый нижний слой атмосферы Солнца, по протяженности занимает 200-300 км (или 0,001 радиуса Солнца). За счет энергии, поступающей из недр Солнца (ядра), фотосфера нагревается до 4,5 тыс. К. В отличие от других сфер для фотосферы характерно падение температуры, именно здесь формируются так называемые солнечные пятна.

2. Прилегающий к фотосфере тонкий слой, толщина которого может доходить до 10 тыс. км (7-8 тыс. км), называется хромосферой (греч. «сфера цвета») – названа так за свою красновато-фиолетовую окраску и которая видна во время полных солнечных затмений как клочковатое яркое кольцо вокруг черного диска Луны, затмевающего Солнце. Температура в хромосфере начинает расти до 300 тыс. К.

3. Над хромосферой простирается солнечная корона – самая внешняя часть атмосферы Солнца, обладающая огромной протяженностью: она простирается на миллионы километров, что соответствует нескольким солнечным радиусам, а ее слабое продолжение уходит еще дальше в межпланетное пространство. Характерными деталями солнечной короны является высокая температура до 1,5-2 млн. К и наличие коронарных лучей, всевозможных "дуг", "шлемов" и других сложных образований, которые четко связаны с активными областями Солнца.

4. Высокая реакционная способность Солнца заключается в термоядерных процессах, происходящих в центральной его части – ядре. Радиус солнечного ядра равен ¹/₄ общего радиуса Солнца, в нем сосредоточена половина всей солнечной массы и выделяется практически вся энергия, поддерживающая свечение Солнца.

В отношении расположения и взаимодействия небесных тел Солнечной системы существуют некоторые закономерности:

1. Гармония в движении планет. Все планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Движение всех планет происходит в одной и той же плоскости, центр, которой расположен в центральной части экваториальной плоскости Солнца. Плоскость, образованная орбитами планет, называется плоскостью экликтики.

2. Все планеты и Солнце вращаются вокруг собственной оси. Ось вращения Солнца и планет, за исключением Урана, направлены перпендикулярно плоскости экликтики.

3. Расстояние между орбитами планет приблизительно удваивается при переходе от каждой из них к последующей.

В состав Солнечной системы помимо Солнца входит большое число небесных тел:

- большие планеты и их спутники (61 спутник): по физическим характеристикам (главным образом по их плотности) большие планеты Солнечной системы разделяют на две группы: планеты земной группы и планеты-гиганты;

- малые планеты – малые тела Солнечной системы (астероиды более 100 000 );

- карликовые планеты;

- бесчисленное множество метеорных тел, движущихся как метеорные рои или в виде отдельных частиц;

- кометы.

Земля – одна из планет земной группы Солнечной системы, расположенная на расстоянии более 149,6 млн. км и массой около 6×10²⁴ кг. Земля имеет форму сфероида – слегка сплюснутого шара (эллипсоид), экваториальный радиус которого равен 6378 км, а полярный радиус на 21,38 км меньше экваториального.

Земля относится к планетам земной группы, а значит она, в отличие от газовых гигантов, таких как Юпитер, имеет твёрдую поверхность. Это крупнейшая из четырёх планет земной группы в солнечной системе, как по размеру, так и по массе. Кроме того, Земля имеет наибольшую плотность, самую сильную поверхностную гравитацию и сильнейшее магнитное поле среди этих четырёх планет.

Земля с входящими в ее состав структурными (гео- и биосферными) оболочками представляет собой уникальную систему, находящуюся в постоянном движении, изменении, взаимодействии и преобразовании.

Вопрос о происхождении Земли выступает одним из актуальных направлений в современной космогонии и до сих пор вызывает различные споры и дискуссии.

Согласно современной космогонической гипотезы вопрос о происхождении Земли тесно связан с эволюцией всей Солнечной системы.

§ Земля образовалась около 4,5 млрд. лет назад практически одновременно с Солнцем из единого протопланетного диска;

§ Процесс образования протозвезды и планет (аккреции) происходил достаточно быстро;

§ Дифференциация (расслоение) вещества Земли могла начаться еще на стадии ее формирования, сразу после аккреции;

§ Земля прошла сложнейший путь физико-химической и биологической эволюции

Земля имеет один единственный естественный спутник – Луну. Лунная орбита представляет собой сильно вытянутый эллипс, из-за чего расстояние нашего спутника до Земли сильно меняется: от 356 000 км в перигее до 407 000 км в апогее. Как следствие этого, меняется и видимый диаметр Луны: если смотреть на спутник невооруженным глазом, в отдельные вечера он кажется больше, в другие – меньше. Средняя плотность – 3,35 г/м³; ускорение силы тяжести на поверхности составляет 1,62 м/с² при земном в 9,8 м/с² (почти в 6 раз меньше земного, в силу чего молекулы газа достаточно быстро покидают поверхность Луны – одна из причин отсутствия собственной атмосферы).

Химическая эволюция первичной части земной коры (в частности, континентальной) проходила от основного, базальтового состава, характерного для океанического типа коры, к кислому, гранитному (примерно 2,5 млрд. лет назад).

Вся история Земли подразделяется на несколько геохронологических этапов (эра, период и т.п.), которым соответствуют определенные комплексы отложений геологических пород (группы, системы и т.п.). В течение этих этапов в различных районах Земли происходили процессы накопления осадков или разрушение ранее образовавшихся отложений, поэтому полный разрез, включающий все известные системы в каком либо месте не известен ни в одной точке Земли.

В отношении методов исследования внутреннего строения (центральных частей) Земли одним из наиболее широко используемых выступает сейсмологический метод. В XX веке (1936 г.) австралийский сейсмолог К. Буллен на основании измерения скорости сейсмических волн предложил разделить внутреннее строение Земли на три области: ядро и мантию (геосферу) и земную кору (литосферу). В целом для литосферы характерен магматизм и активное проявления тектонических процессов.

Современная литосфера включает 15 литосферных плит, из которых 6 являются самыми крупными: Антарктическая, Австралийская, Южноамериканская, Тихоокеанская, Североамериканская и Евразийская. В их состав входят не только континенты, но и смежные части океанического дна. Главными границами плит литосферы являются рифты срединно–океанических хребтов, глубоководные желоба и складчатые горы по окраинам континентов. По поверхности Земли движутся не континенты, а литосферные плиты: медленно передвигаясь, они увлекают за собой континенты и океаническое дно. По разным оценкам литосферные плиты двигаются со скоростью от миллиметра до 10-18 см в год.

Текто́ника плит — современная геологическая теория о движении литосферы. Она утверждает, что земная кора состоит из относительно целостных блоков — плит, которые находятся в постоянном движении друг относительно друга. Теория объясняет землетрясения, вулканическую деятельность и горообразование, большая часть которых приурочена к границам плит.

Как и другие планеты земной группы, Земля окружена обширной воздушной оболочкой – атмосферой. По своему химическому составу на современном этапе она включает: азот (78,1%), кислород (20,95%), инертные газы (менее 1%;гелий, аргон, криптон), углекислый газ (0,03%), а также водяные пары и пыль. Данное соотношение газов практически неизменно до высот 150 км: водорода почти в миллион раз меньше, чем кислорода. На высоте 160 км и выше состав атмосферы меняется, и водород становится в ней преобладающим.

Гидросфера – водная оболочка Земли, являющаяся характерной отличительной особенностью нашей планеты от других планет Солнечной системы (на долю гидросферы приходится более 71% или 361 млн. км² земной площади и лишь 29% или 149 млн. км² литосферы представлена открытыми участками). Масса воды на Земле почти в 266 раз больше массы атмосферы. Согласно данным радиоизотопного анализа осадочных пород Мирового океана, возраст которых превосходит 3,7 млрд. лет, свидетельствует о существовании на Земле обширных водоемов уже в ту далекую эпоху. Формирование гидросферы – процесс резкого изменения организации практически всех геосферных оболочек. Гидросфера – самая первая из сред обитания, которая была освоена живыми организмами.

Способность воды существовать в трех разнородных агрегатных состояниях на сегодняшнем историческом этапе существования Земли определяет формирование новой достаточно крупной геосферной оболочки, заключающей в себя снежный покров и ледники – гляциосфера (от лат. glacios - лед).

Магнитосфера – область околопланетного пространства Земли. Магнитосфера сформировалась и формируется благодаря собственному магнитному полю Земли и простирается на достаточно большие расстояния от Земли: с дневной стороны (обращенной к Солнцу) она простирается на длину от 6 до 14 радиусов Земли, с ночной стороны она образует нечто подобное «хвосту» кометы в несколько сот земных радиусов. Магнитосфера – первая область, соприкасающаяся с потоком космических частиц, входящих в состав межгалактического, галактического и солнечного излучения, и экранирующая поверхность Земли и ее обитателей от губительного действия этих излучений.

Биосфера – оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Границы биосферы простираются до верхних слоев атмосферы (аэробиосфера; до области озонового слоя), практически вся гидросфера (фотогидросфера; за исключением ее самых глубинных слоев) и верхние слои литосферы(включая педосферу).

Все структурные гео- и биосферные оболочки Земли связаны между собой круговоротами вещества и глобальными потоками энергии. В результате образуется сложная система, состояние которой, во многом похожее на состояние динамического равновесия, создает условия для динамической эволюции планеты. Для всех геосфер характерны многочисленные и закономерные отклонения от однородного (симметричного) состояния, наличие собственных градиентов температур, давлений, потенциалов и т.д., которые и направляют потоки вещества, энергии и информации. Каждая из геосфер имеет свою специфику динамики, обменов, систем обратных связей, многие особенности регулируются взаимодействиями между этими огромными подсистемами.

Поиск по сайту: