Космологических представлений

В начале XX в. Эйнштейн создал статистическую модель Вселенной, основанную на общей теории относительности, в уравнениях которой были описаны фундаментальные свойства материи, пространства и времени.

А. Фридман установил, что Вселенная не может быть стационарной: следствием сил тяготения звездные систе­мы не могут находиться на неизменном расстоянии друг от друга, они должны либо удаляться, либо сближаться.

Э. Хаббл подтвердил расширение видимой части Вселенной; он использовал эффект Доплера, исходя из которого можно вычислить скорость галактик по изменению положения ее спектраль­ных линий.

Закон Хаб­бла: Галактики уда­ляются друг от друга, и чем дальше находятся Галакти­ки, тем с большей скоростью они удаляются.

Хаббл доказал, что Все­ленная нестационарна и расширяется. Происходит взаимное удаление всех галактик. Это удаление часто сравнивают с удалением друг от друга на­рисованных картинок на надуваемом шарике.

Наиболее об­щепринятой в космологии является модель однородной, изотропной, нестационарной, горячей, расширяющейся Вселенной, у нее нет пространствен­ного центра.

3.3. Экспериментальные обоснования концепции Большого Взрыва. Темная материя и темная энергия

Теория Большого Взрыва: Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15 млрд. лет назад. В начале расширения радиус вселенной был равен около 10^–33 см³, а плотность 10⁹³ г/см³.

Вселенная представляла со­бой одну гигантскую «ядерную каплю». Это начальное состояние называют сингулярностью. Большой взрыв сопровождался сначала быстрым, потом умеренным расширением при очень высокой температуре и далее постепенным охлаждением Вселенной.

Причи­ну Большого взрыва и переход к расширению Вселенной объясняют с позиций инфляцион­ной теории:роль базовой материи в фор­мировании Вселенной играл вакуум.

Вакуум – одна из форм материи, пространство в котором миниму­м плотности энергии в данном объеме.

3.4. Разнообразие звезд, их строение и устойчивость. Рождение и термоядерная жизнь звезд. Смерть звезд

Возраст Все­ленной, как нашей Галактики около 15 млрд. лет. Рождение звезд происходит непрерывно. Звезды различаются по температу­ре, плотности, яркости, размеру и массе. Самые многочисленные – карлики с массами 1–0,1 солнечной массы (Солнце – типичная звезда-карлик). Есть красные и жел­тые гиганты и сверхгиганты, во много раз превосходящие по размеру и массе наше Солнце. Многие звезды имеют своих спутников. Звезды могут образовывать звездные скопления. В состав Галактики входят так называемые туманности, которые состоят из космического газа и пыли. В центре некоторых туманностей, например, Крабовидной туманности, обнаружены источники импульсного электромагнитного излучения, так называемые пульса­ры. Некоторые Галактики обладают очень мощным радиоизлучением; одной из причин существования радиогалактик является деятель­ность квазаров – звездоподобных источников радиоиз­лучения. Пространство Вселенной заполнено очень разряженным межзвездным газом и кос­мической пылью.

Все космические объекты пре­терпевают эволюционные превращения. Звез­ды со временем превращаются в «белые карлики», «ней­тронные звезды» и «черные дыры». Конечные судьбы звезд определяются их массами.

«Белый карлик» – звездоподобные остатки эволюции маломассивных звезд; имеют очень высокую плотность (10 т/см³, что в сотни раз больше земной плотности), массу меньшую 1,2 сол­нечной массы, диаметр, сравнимый с диаметром Земли, температура ее достигает миллиарда градусов. «Белый карлик» медленно остывает, превращаясь в не излучающий свет «черный карлик».

«Нейтронные звезды» – заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. Происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого активно начинается процесс ядер­ных реакций. При этом выделяется так много энер­гии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды, внутренние же области резко сжимаются. Оста­ток звезды уменьшается до размеров 20–30 км, а средняя плотность возрастает до 100 млн. т/см³. «Нейтронная звез­да» состоит из элементарных частиц – протонов и нейт­ронов.

Если масса постзвезды превысит 2 солнечные массы, она превращается в «черную дыру» – области пространства, в которых гравитационное притяжение настолько велико, что ни вещество, ни излучение не могут их покинуть. «Черные дыры» обла­дая гигантской массой 10¹⁵ тонн, имеют микроскопи­ческий размер 10³ см. Вещество и излучение как бы про­валиваются в «черную дыру» и не могут выйти обратно. Если сжатие продол­жается дальше, тогда на каком-то этапе начинаются неза­тухающие ядерные реакции. Сжатие прекращается, а за­тем происходит антиколлапсионный взрыв, и «черная дыра» превращается в «белую дыру».

3.5. Солнце и солнечная система

После Большого взрыва формирование Солнечной сис­темы началось ~ 5 млрд. лет тому назад с бесформенной массы газового облака туманности, состоящего преимущественно из водорода. В зависимо­сти от расстояния до Солнца разные части туманности остывали с разной скоростью. Хими­ческая эволюция протекала тоже по-разному: сначала конденсировались наиболее тугоплавкие элементы и их соединения, потом – летучие. Первыми, вероятно, появились конденсаты железа и никеля, они явились основой ядер планет.

Солнечная система расположена на периферии на­шей Галактики. Солнце и ближайшие к нему звезды движутся вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/с, совершая полный оборот за 290 млн. лет.

Рис. 3.1. Строение Солнечной системы

Солнечная система включает 9 планет со спутниками, астероиды, кометы и метеориты (рис. 6.1.). Солнце – звезда-карлик с радиусом 700 тыс. км и температурой на поверхности – около 6000 °С. Активность Солнца циклична и составляет 11 лет.

Все планеты Солнечной системы делят на планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Плутон) и юпитерианской груп­пы (планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун).

Некоторые планеты имеют собственные спутники: Земля и Плутон – по 1, Марс и Нептун – по 2, Уран – 5, Сатурн – 32, Юпитер – 63.

Полагают, что приблизительно че­рез 5 млрд. лет структура Солнца изменится, поскольку запас водородного горючего начнет истощаться. Тогда Солнце начнет расширяться и наступит момент, когда оно будет излучать в 100раз боль­ше энергии, чем сейчас. На планеты это действие будет катастрофическим, они потеряют ат­мосферу и распадутся. Затем Солнце сожмется и превра­тится в очень слабый белый карлик.

3.6. Предмет и методы наук и Земле. Возникновение Земли и основные периоды геологической эволюции

Геология – комплекс наук о составе, строении, истории развития земной коры и размещения в ней полезных ископаемых.

Планета Земля образовалась около 4,7–5 млрд. лет назад. Ее масса 5,98•10²⁴ кг, диаметр 12756 км, плот­ность 5510 кг/м³. Средняя скорость ее движения по орби­те 29,765 км/с. Период обращения вокруг Солнца состав­ляет 365,24 суток. Период вращения вокруг своей оси 23 часа 56 мин 4,1 секунды. Земля имеет форму близкую к эл­липсоиду, называемую геоид, она сплющена у полюсов и растянута в эквато­риальной зоне.

В Солнечной системе нет другой планеты, на которой мог бы выжить человек. Положение Земли в Солнечной сис­теме, ее размер, плотная масса явились причиной образо­вания у нее атмосферы особого типа, единственной в сво­ем роде, поэтому Земле такая радиация не угрожает, по­скольку она поглощается в верхнем слое атмосферы озо­ном.

На Марсе температура в среднем –53 °С, атмосфера разреженная, гидросфера в прошлом существовала, сейчас имеется вода в виде инея и льда: считают, что на Марсе может существовать жизнь, по крайней мере, в простейшей форме. На Венере температура в среднем +477 °С, атмосфера очень плотная из углекислого газа СО₂, нет гидросферы.

На Земле активно протекают тектонические процес­сы, что считают признаком жизнедеятельности плане­ты. Современный рельеф планеты продолжает меняться (рис. 6.2, 6.3).

В истории развития Земли выделяют две зоны: криптозой (длительность ~4 млрд. лет, период скрытой жизни, т.к. не сохранились ископаемые останки живых организмов) и фанерозой (последние 600 млн. лет).

В настоящее время придерживаются идеи горячего об­разования Земли, в соответствии с которой в зоне, близкой к Солнцу, вначале оформилось протоядро Земли из наиболее тугоплавких металлов железа и никеля. При дальнейшем остывании облака начали кон­денсироваться силикаты металлов и соединения серы, которые очень быстро присоединились к ядру и стали впос­ледствии мантией. В результате остывания поверхности Земли стали формироваться верхние оболочки Земли.

Рис.3.2. Внутренне строение Земли
Рис. 3.3.Геохронологическая шкала развития Земли

3.7. Внутренние и внешние оболочки Земли

В настоящее время выделяют ряд геосфер, из которых состоит Земля: ядро, мантия, литосфера, гидросфера, атмосфера и магнитосфера.

1. Ядро Земли. Занимает центральную область земного геоида. Средний радиус ядра около 3500 км и состоит из двух частей: внутрен­нее ядро из железа (80 %) и никеля (20 %), температура 4500 °С; внешнее ядро содержит железо (52 %) с примесью никеля и серы, температура 3200 °С.

2. Мантия. Наиболее мощная оболочка Земли, составляет 2/3 ее массы и большую часть ее объема. Мантию образуют различные сили­каты – соединения кремний. Толщина достигает 2800 км.

Мантию делят на верхнюю, среднюю и нижнюю части.

В расплавленном состоянии находится астеносфера – нижняя часть верхней сферы, подстилающая литосферу, в ее преде­лах формируются очаги глубокофокусных зем­летрясений.

3. Литосфера. Это земная кора с частью подстилающей ее мантии, толщиной порядка 100 км. В верхней части слагается гранитами, в нижней – базальтами. На поверхности литосферы в результате совокупной деятельности атмосферы, гидросферы и биосферы возникла почва.

Современный рельеф планеты складывался на протяжении многих миллионов лет. Так, 600 млн. лет назад на Земле было несколько подвижных конти­нентальных плит, объе­динившихся в единый суперконтинент Пангея. Спустя 300–200 млн. лет, Пангея начала распадаться на части, что привело сначала к образова­нию континентов Гондваны и Лавразии, а затем из них сформировались современные материки.

4. Гидросфера. Водная оболочка Земли появилась в результате дегазации земных недр. Мировой океан возник из мантийных паров, путем конденсации воды. Общие запасы воды на Земле 1,5 млрд. км³, из них 97 % – соленая морская вода (растворены соли в среднем 3,5 %), 2 % – замершая вода ледников, 1 % – пресная вода.

Мировой океан занимает 71 % поверхности планеты и делится материками на 4 части: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый океаны.

5. Атмосфера. Воздушная оболочка Земли появилась в результате дегазации метана земных недр.

Первичная атмосфера состояла из углекислого газа, окиси углерода, водяных паров, метана, аммиака.

Современная атмосфера состоит из воздуха: азот N₂ – 78%, кислород О₂ – 21%, аргон – 0,9%, 0,03% СО₂ и 0,003% смесь других газов.

В атмосфере выделяют слои:

- тропосфера – нижний слой, до высоты 10–18 км, 4/5 массы воздуха; при удалении от поверхности Земли температура понижается на 6 °С; доходит до –70 °С.

- стратосфера – от 20 до 50 км; температура повышается (на 1–2 °С на 1 км) и достигает 0 °С; в стратосфере находится озоновый слой с максимумом концентрации на высоте 20–25 км – поглощает опасное для всего жи­вого жесткое ультрафиолетовое излучение, благо­даря чему на Земле сформировалась и существует жизнь.

- мезосфера – высота от 50 до 80 км, вновь происходит понижение температуры с высотой до –110 °С.

- термосфера – от 80 до 1000 км, температура, увеличиваясь с высотой, достигает очень больших значений (свыше 1000 K).

- экзосфера – от 1000 до 3000 км, температура продолжает повышаться до высот, где разреженная атмосфера переходит в межпланетное пространство.

6. Магнитосфера. Внешняя оболочка, свойства которой определяются магнитным полем Земли. На расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности Земли, вероятно, преобладают температуры от 5000° до 10 000° С. Хотя молекулы и атомы имеют очень большие скорости движения, а, следовательно, и высокую температуру, этот разреженный газ не является «горячим» в привычном смысле. Из-за мизерного количества молекул на больших высотах их суммарная тепловая энергия весьма невелика.

3.8. Тектоника литосферных плит.

Поиск по сайту: