Происхождение и эволюция Солнечной системы

Министерство Образования  и Науки РФ

Сибирская Государственная Геодезическая  Академия

 

Кафедра физики

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по концепциям современного естествознания на тему:

«Происхождение и эволюция Солнечной системы».

          

 

 

 

 

                                                 Выполнила:

                                                    Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Новосибирск, 2005г.

СОДЕРЖАНИЕ:

 Введение……………………………………………стр.3.

1.Теории происхождения Солнечной системы......стр.4.

           

         1.1.Теория Канта-Лапласа………………………стр.4.

         1.2.Гипотеза Джинса ……………………………стр.5.

          1.3.Электромагнитная гипотеза происхождения солнечной системы Х.Альвена – Ф.Хойла......................................стр.5.

   1.4.Теория происхождения Солнечной системы О.Ю.Шмидта…………………………………………...стр.6.

 

      2. Солнечная система……………………………..стр.8.

            

          2.1. Солнце………………………………………стр.8.

          2.2. Планеты земной группы…………………...стр.9.

 

                 2.2.1.Меркурий…………………………….стр.9.

                   2.2.2.Венера……………………………….стр.10.

                   2.2.3.Земля………………………………...стр.11.

                   2.2.4.Марс…………………………………стр.13.

 

         2.3.Планеты-гиганты…………………...............стр.15.

 

               2.3.1.Юпитер………………………….…..стр.15.

                   2.3.2.Сатурн……………………………….стр.17.

                   2.3.3.Уран………………………………….стр.18.

                   2.3.4.Нептун……………………………….стр.19.

                   2.3.5.Плутон……………………………….стр.19.

        

         2.4.Малые планеты……………………………..стр.20.

 

Заключение……………………………….……...стр.22.

Список литературы……………………………...стр.23.

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Вот уже два века проблема происхождения  Солнечной системы волнует выдающихся мыслителей нашей планеты. Этой проблемой занимались, начиная от философа Канта и математика Лапласа, плеяда астрономов и физиков XIX и XX столетий.

Астрономы наблюдают  космические тела на различной стадии развития, образовавшиеся недавно и  в далёком прошлом, быстро "стареющие" или почти "застывшие" в своём  развитии. Сопоставляя многочисленные данные наблюдений с физическими процессами, которые могут происходить при различных условиях в космическом пространстве, учёные пытаются объяснить, как возникают небесные тела. Единой, завершённой теории образования звёзд, планет или галактик пока не существует. Проблемы, с которыми столкнулись учёные, подчас трудно разрешимы. Решение вопроса о происхождении Земли и Солнечной системы в целом значительно затрудняется тем, что других подобных систем мы пока не наблюдаем. Нашу солнечную систему не с чем пока ещё сравнивать, хотя системы, подобные ей, должны быть достаточно распространены и их возникновение должно быть не случайным, а закономерным явлением.

В настоящее время при проверке той или иной гипотезы о происхождении  Солнечной системы в значительной мере основывается  на данных о химическом составе и возрасте пород Земли и других тел Солнечной системы. Наиболее точный метод определения возраста пород состоит в подсчёте отношения количества радиоактивного урана к количеству свинца, находящегося в данной породе. Скорость этого процесса известна точно, и её нельзя изменить никакими способами. Самые древние горные породы имеют возраст несколько миллиардов лет. Земля в целом, очевидно, возникла несколько раньше, чем земная кора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Теории происхождения Солнечной системы

 

 

1.1.Теория Канта-Лапласа

Переходя к изложению различных  космогонических гипотез, сменявших  одна другую на протяжении двух последних  столетий, начнем с гипотезы великого немецкого философа Канта и теории, которую спустя несколько десятилетий независимо предложил французский математик Лаплас. Предпосылки к созданию этих теорий выдержали испытание временем.

Точки зрения Канта и Лапласа  в ряде важных вопросов резко отличались. Кант исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сперва возникло центральное массивное тело - будущее Солнце, а потом планеты, в то время как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей с высокой скоростью вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил от него последовательно отделялись кольца. Потом они конденсировались, образуя планеты.

Таким образом, согласно гипотезе Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на различия, общей важной особенностью является представление, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. Поэтому и принято называть эту концепцию “гипотезой Канта-Лапласа”.

Однако эта теория сталкивается с трудностью. Наша Солнечная система, состоящая из девяти планет разных размеров и масс, обладает особенностью: необычное распределение момента количества движения между центральным телом - Солнцем и планетами.

Момент количества движения есть одна из важнейших характеристик всякой изолированной от внешнего мира механической системы. Именно как такую систему можно рассмотреть Солнце и окружающие его планеты. Момент количества движения можно определить как “запас вращения” системы. Это вращение складывается из орбитального движения планет и вращения вокруг осей Солнца и планет.

Львиная доля момента количества движения Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет-гигантов Юпитера и Сатурна.

С точки зрения гипотезы Лапласа, это  совершенно непонятно. В эпоху, когда  от первоначальной, быстро вращающейся  туманности отделилось кольцо, слои туманности, из которых потом сконденсировалось Солнце, имели (на единицу массы) примерно такой же момент, как вещество отделившегося кольца (так как угловые скорости кольца и оставшихся частей были примерно одинаковы), так как масса последнего была значительно меньше основной туманности (“протосолнца”), то полный момент количества движения кольца должен быть много меньше, чем у “протосолнца”. В гипотезе Лапласа отсутствует какой-либо механизм передачи момента от “протосолнца” к кольцу. Поэтому в течение всей дальнейшей эволюции момент количества движения “протосолнца”, а затем и Солнца должен быть много больше, чем у колец и образовавшихся из них планет. Но этот вывод противоречит с фактическим распределением количества движения между Солнцем и планетами.

Для гипотезы Лапласа эта трудность  оказалась непреодолимой.

 

 

 

 

 

 

 

1.2.Гипотеза Джинса

Гипотезе Джинса получила распространение в первой трети текущего столетия. Она полностью противоположна гипотезе Канта-Лапласа. Если последняя рисует образование планетарных систем как единственный закономерный процесс эволюции от простого к сложному, то в гипотезе Джинса образование таких систем есть дело случая.

Исходная материя, из которой потом  образовались планеты, была выброшена  из Солнца (которое к тому времени  было уже достаточно “старым” и похожим на нынешнее) при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды. Это прохождение был настолько близким, что его можно рассматривать практически как столкновение. Благодаря приливным силам со стороны налетевшей на Солнце звезды, из поверхностных слоев Солнца выброшена струя газа. Эта струя останется в сфере притяжения Солнца и после того, как звезда уйдет от Солнца. Потом струя сконденсируется и даст начало планетам.

Если бы гипотеза Джинса была правильной, число планетарных систем, образовавшихся за десять миллиардов лет ее эволюции, можно было пересчитать по пальцам. Но планетарных систем фактически много, следовательно, эта гипотеза несостоятельна. И ниоткуда не следует, что выброшенная из Солнца струя горячего газа может сконденсироваться в планеты. Таким образом, космологическая гипотеза Джинса оказалась несостоятельной.

 

 

1.3.Электромагнитная гипотеза происхождения солнечной системы Х.Альвена – Ф.Хойла

Электромагнитная гипотеза астрофизика  Х.Альвена усовершенствованная и  дополненная Ф.Хойлом заключается  в следующем. По предположению Альвена  Солнце имело сильное электромагнитное поле и окружавшую его туманность. Эта туманность состояла из нейтральных атомов, которые под действием столкновений и излучения ионизировались, превратившись в ионы которые, попадая в ловушки мощных силовых линий Солнца, увлекались за ним. Передавая свой вращательный момент газовому облаку, Солнце постепенно его теряло.

Эта теория имела свои недостатки, заключавшиеся в том, что атомы  наиболее лёгких элементов должны были ионизироваться ближе к светилу, а атомы тяжёлых элементов  – дальше. Исходя из данного заключения, образование планет должно было произойти так – ближайшие к солнцу планеты должны были состоять из более лёгких элементов, а отдаленные из более тяжёлых. Последующие наблюдения не стыковывались с  этой теорией.

Взяв за основу гипотезу Х.Альвена, астроном Ф.Хойл создал новую гипотезу, согласно которой Солнце, образовавшееся в недрах туманности быстро вращалось, момент этого вращения передавался туманности, которая постепенно превращалась в разгоняющийся диск, Солнце же начало останавливаться. В диске начали зарождаться планеты. Предполагая, что первоначальная туманность уже обладала магнитным полем, могло произойти перераспределение углового момента.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4.Теория происхождения Солнечной системы О.Ю.Шмидта

Выдающийся советский ученый О.Ю.Шмидт в 1944 году предложил свою теорию происхождения Солнечной системы.

Современная наука с достаточной  степенью вероятности позволяет  нам представить происходившие  тогда события.

Если мы перенесемся в далекое прошлое, примерно на 7 миллиардов лет назад, то сможем понаблюдать за жизнью одной из газово-пылевых, водородно-гелиевых (с примесью тяжелых элементов) туманностей, которая в будущем даст начало нашей Солнечной системе. Туманность темна и непрозрачна, она медленно поворачивается вокруг  своего центра, еле заметно вращается. Мы заметим, что она постепенно съеживается, сжимается, очевидно уплотняясь при этом. Действует тяготение, собирая к центру частицы туманности. Вращение туманности при этом ускоряется. А от этого возникает и увеличивается центробежная сила, способная бороться с тяготением. Тяготение сжимает туманность, а центробежная сила стремится раздуть её, разорвать. Но тяготение тянет частицы к центру со всех сторон одинаково. А центробежная сила отсутствует на "полюсах" туманности и сильнее всего проявляется на её "экваторе". Поэтому именно на "экваторе" она оказывается сильнее тяготения и раздувает туманность в стороны. Туманность, продолжая вращаться все быстрее, сплющивается, из шара превращается в плоскую "лепешку", похожую на спортивный диск. Наступает момент, когда на наружных краях "диска" центробежная сила уравновешивает, а потом и пересиливает тяготение. Клочья туманности здесь начинают отделяться. Центральная часть её продолжает сжиматься, все ускоряя свое вращение, и от внешнего края продолжают отходить все новые и новые клочья, отдельные газопылевые облака.

И вот туманность приобрела совсем другой вид. В середине вращается огромное темное, чуть сплющенное облако, а вокруг него на разных расстояниях плывут по круговым орбитам, расположенным примерно в одной плоскости, оторвавшиеся от него небольшие "облака-спутники". Центральное облако продолжает уплотняться. Теперь с силой тяготения начинает бороться новая сила - сила газового давления. Ведь в середине облака накапливается все больше частиц вещества. Там возникает "страшная теснота" и "невероятная толчея" частиц. Они мечутся, ударяя друг друга. В центре повышаются температура и давление. Тепло наружу не выходит. Облако перестает сжиматься. Могучая сила возросшего от нагрева газового давления остановила работу тяготения. В глубине черной тучи стали слабо просвечивать рвущиеся  наружу клубы тусклого красного пламени. Шар кипит, перемешивая вырвавшийся огонь ядра с черным туманом своих окраин. Однако, вырвавшись наружу, горячий газ ослабил противодействие тяготению. Облако снова стало сжиматься. Температура в его центре опять начала расти. Она доходит до сотен тысяч градусов. В этих условиях вещество не может быть даже газообразным. Атомы разваливаются на свои части. Вещество переходит в состояние плазмы. Но и плазма не может выносить нагрев до бесконечности. Когда её температура поднимется выше десяти миллионов градусов, удары частиц друг о друга становятся так сильны, что ядра атомов водорода уже не отскакивают друг от друга, а врезаются, вдавливаются друг в друга и сливаются друг с другом. Начинается "ядерная реакция". Из каждых четырех ядер атомов водорода образуется одно ядро гелия. При этом выделяется огромная энергия. Газовое давление в центре заработало с удесятеренной силой. Плазма рвется наружу, с чудовищной силой она давит изнутри на внешние слои шара и приостанавливает их падение к центру.

Установилось равновесие. Плазме не удается разорвать шар, а тяготению не удается сломить давление плазмы и продолжить сжимание шара. Ослепительно светящийся бело-желтым светом шар перешел в устойчивую стадию. Он стал звездой. Стал нашим Солнцем. Теперь оно будет миллиардами лет, не меняя размера, не охлаждаясь и не перегреваясь, светить одинаково ярким бело-желтым светом. Пока внутри не выгорит весь водород. А когда он весь превратится в гелий, Солнце сожмется. От этого температура в его недрах снова повысится. Теперь уже до сотен миллионов градусов. Но тогда "воспламенится" гелий, превращаясь в более тяжелые элементы. И сжатие снова прекратится.

Есть в  запасе у звезд еще  несколько ядерных реакций, требующих  для своего начала все более высоких  давлений и температур. В них "варятся" ядра все более сложных и тяжелых  элементов. В конце концов, все  возможные реакции будут исчерпаны. Звезда сожмется, станет крохотным "белым карликом". Потом постепенно остынет, потускнеет, погаснет совсем. Молчаливой невидимкой будет плыть в космосе "чёрный карлик" оставшаяся от некогда бушевавшего мощного костра.