Солнечная система

Солнечная система состоит из центральной звезды – Солнца, девяти планет, более 60 спутников, более 40 000 астероидов и около 1000 000 комет. Радиус солнечной системы до орбиты Плутона составляет 5,9 млрд. км.

Солнце – центральная звезда Солнечной системы. Это ближайшая к Земле звезда. Диаметр Солнца составляет 1,39 млн. км, масса – 1,989 х 10³⁰кг. По спектральной классификации звезд Солнце является желтым карликом (класс G 2), возраст Солнца оценивается в 5-4,6 млрд. лет. Солнце вращается вокруг своей оси против часовой стрелки, в том же направлении движутся планеты вокруг Солнца. Основное вещество, образующее Солнце, – водород (71% массы светила), гелий – 27%, углерод, азот, кислород, металлы – 2%.

Солнце излучает два основных потока энергии – электромагнитное (солнечная радиация) и корпускулярное (солнечный ветер) излучение. Тепловое поле поверхности планет Солнечной системы создается солнечной радиацией. Электромагнитное излучение распространяется со скоростью света и за 8,4 мин достигает поверхности Земли. В спектре излучения выделяют невидимую ультрафиолетовую радиацию (около 7%), видимую световую радиацию (47%), невидимую инфракрасную радиацию (46%). Доля самых коротких волн и радиоволн составляет менее 1% излучения.

На верхнюю границу атмосферы подходит определенное количество солнечной радиации, эта величина называется солнечной постоянной.

Корпускулярное излучение – поток заряженных частиц (электронов и протонов), идущий от Солнца. Магнитное поле Земли задерживает корпускулярное излучение.

В пик солнечной активности возрастает поток заряженных частиц. Подходя к магнитосфере, поток увеличивает ее напряженность, на Земле начинаются магнитные бури. В это время активизируются тектонические движения, начинаются извержения вулканов. В атмосфере возрастает количество атмосферных вихрей – циклонов, усиливаются грозы. Наиболее ярким и впечатляющим появлением бомбардировки атмосферы солнечными частицами являются полярные сияния – это свечение верхних слоев атмосферы, вызванное ионизацией газов.

Наблюдениями установлено, что солнечная активность под­вержена циклическим изменениям. Период изменений состав­ляет в среднем 11 лет. Существует также 90-летняя периодич­ность солнечной активности.

Солнце – одиночная звезда, а не двойная звезда, которых в нашей Галактике очень много. Это обеспечивает одинаковое нагревание планеты во всех точках орбиты, что имеет решающее значение для теплового и светового режима Земли, для становления и развития ее биосферы.

 

Планетырасположены от Солнца в такой последовательности: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Все планеты имеют общие свойства и особенности. К общим свойствам можно отнести следующие:

-все планеты имеют шарообразную форму;

-все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении против часовой стрелки для наблюдателя, смотрящего со стороны Северного полюса Мира;

-осевое вращение большинства планет происходит также против часовой стрелки. Исключение составляют Венера и Уран, они вращаются по часовой стрелке;

-орбиты большинства планет близки по форме к окружности, поэтому планеты не подходят близко друг к другу, их гравитационное воздействие мало (только у Меркурия орбита сильно вытянута);

-орбиты всех планет находятся примерно в одной плоскости эклиптики.

 

Планеты условно делятся на две большие группы: планеты земной группы и планеты-гиганты.К первой группе относятся Меркурий, Венера, Земля, Марс. Вторую группу образуют Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

Планеты земной группы отличает близкое расположение к Солнцу, небольшие размеры, высокая плотность вещества (плотность Земли – 5,5 г/см³); основными их составляющими являются силикаты (соединения кремния) и железо, следовательно, планеты земной группы твердые тела. Планеты медленно вращаются вокруг своей оси (у Меркурия период вращения равен 58,7 земных суток у Венеры – 243. у Марса – немного больше суток). Из-за медленного вращения полярное сжатие у планет небольшое, т.е. они имеют близкую к шару форму. Планеты земной группы обладают значительной скоростью орбитального движения (Меркурий – 48 км/с, Венера – 35 км/с, Марс – 24 км/с). Планеты имеют всего три спутника: у Земли – Луна, у Марса – Фобос и Деймос.

Планеты-гиганты расположены на большом расстоянии от Солнца, имеют большие размеры (размер Юпитера равен 142 800 км), однако плотность планет небольшая (Юпитер – 1,3 г/см³). Наиболее распространенными на них химическими элементами являются водород и гелий, следовательно, планеты-гиганты представляют собой газовые шары. Все планеты-гиганты с большой скоростью вращаются вокруг своей оси, период осевого вращения планет колеблется от 10 ч – у Юпитера, до 17 ч – у Урана. Благодаря быстрому вращению планеты имеют большое полярное сжатие (у Сатурна – 1/10). Скорость орбитального вращения у планет небольшая (полный оборот вокруг солнца Юпитер совершает за 11,86 года, а Нептун за 165 лет). Все планеты имеют кольца и большое количество спутников.

В Солнечной системе 99,9% массы заключено в Солнце, поэтому основная сила, управляющая движением тел в Солнечной системе – это притяжение Солнца. Так как планеты двигаются вокруг Солнца в одной плоскости практически по круговым орбитам, их взаимное притяжение невелико, но и оно вызывает отклонения в движении планет. Вероятно, большее взаимодействие планет происходит тогда, когда они подходят близко друг к другу. Известно явление, называемое «парадом планет», когда на одной линии выстраивается большинство планет (2002 год – на одну линию «встали» пять планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн).

Вероятность возникновения жизни

Первое условие возникновения жизни – планета должна иметь определённую массу. Так, если масса планет превышает 1/20 массы Солнца, на ней начнутся интенсивные ядерные реак­ции, поднимется температура, она начнёт светиться. Даже плане­та с массой, составляющей 0,01 массы Солнца, по своим темпера­турным данным не пригодна для развития жизни. Планета, имеющая массу 0,001 массы Солнца, будет холодной, но в её атмосфере сохраняются водород, аммиак, метан; лучи Солнца не смогут проникнуть сквозь холодную атмосферу. Другая край­ность – планеты малой массы (менее 0,001 массы Солнца) типа Меркурия и Луны, в силу слабой интенсивности тяготения не способны удерживать в течение длительного времени атмо­сферу, необходимую для развития жизни.

Из планет Солнечной системы первому условию удовле­творяют лишь Земля, Венера и, в меньшей степени, Марс.

Учёные оценивают вероятность встречи в космосе планеты подходящей массы в 0,001%.

Второе условие возникновения жизни: центральное светило должно иметь относительно постоянное излучение. Его размеры должны быть близки таковым Солнца. Только о звёздах с мас­сой, равной 0,8-1,2 массы Солнечной системы, можно говорить, как о кандидатах на роль Солнца. Вероятность выполнения этого условия учёные оценивают в 0,01%.

Вычисления вероятности соблюдения первого и второго условий (оптимум массы и оптимум постоянства радиации) дают величину 0,001 х 0,01 = 0,000001. Это значит, что можно найти лишь одну планету из 100 тыс. или даже одну из 1 млн. с усло­виями, не препятствующими жизни. В нашей Галактике, где на­считывается 150 млрд. звёзд, таких планет будет несколько сотен.

Однако отсутствие космических препятствий (оптимум массы и радиации) ещё не означает, что жизнь на них обязатель­но разовьётся.

Условие третье – определённый химический состав и физи­ко-химическое состояние вещества планеты.

Эволюция звёздного вещества привела к образованию не­обходимых химических элементов (таблица). Формирование Сол­нечной системы обеспечило Земле условия дальнейшего услож­нения материи. Важнейшее из этих условий – планетарный круговорот воды, атмосферы, минеральных элементов, вызванный излучением центрального светила и тектонической деятельно­стью молодой планеты. Направленный абиогенный круговорот вызвал, эволюцию материи в направлении жизни.

Из таблицы следуют выводы:

1. Почти полностью тождественен химический элемен­тарный состав звёздного и солнечного вещества.

2. Существенно возрастает процентное содержание тяжё­лых элементов в телах растений и животных.

3. Наиболее распространены во Вселенной Н, С, N, О. В организмах они также преобладают – от 92,28 до 96,0 % от общего числа химических элементов, составляющих их тела.

Элементарный состав звёздного и солнечного вещества при сопоставлении с составом растений и животных (по М. Кальвину)

Химический элемент	Содержание, %
Звёздное вещество	Солнечное вещество	Растения	Животные
Водород (Н)	81,76	87,0	10,0	10,0
Гелий (Не)	18.17	12.9	-	-
Азот (N)			0,28	3,0
Углерод (С)	0,33	0,31	3,0	18,0
Магний (Мg)			0.08	0,05
Кислород (О)	0,03	0,25	79,0	65,0
Кремний (Si) Сера (S) Железо (Fe)	0,01	0,004	0,15	0,25
Другие элементы	0,001	0,04	7,49	3,69

Таким образом, живые организмы построены из преимуще­ственно простых и наиболее распространенных элементов в Космосе.

Жизнь прежде всего использовала самые доступные атомы. Атомы водорода, углерода, азота и кислорода имеют наименьшие размеры и способны к образованию устойчивых и кратных связей.

4-4,6 млрд. лет назад на Земле создались космические, пла­нетарные и физико-химические условия для специализированного пути эволюции - развития материи в сторону жизни.

Звездные аналоги Солнечной системы. К середине 2002 г. ученые говорили о более чем 30 планетных системах на расстоянии от 65 до 192 световых лет от Земли. Мини­мум пять из них имеют окружающую обстановку, близ­кую к земным условиям, что позволяет предполагать возможность существования жизни в каких-то формах.

Солнечно-земные связи

Солнце. Солнце является типичной звездой космоса. Его можно рассматривать как огромный газовый шар, состоящий из водорода (50 %), гелия (40 %) и др. В настоящее время обнаружено около 60 химических элементов.

Основные геометрические характеристики Солнца можно представить следующими показателями: экваториальный радиус 696-10⁶ м, масса 2-10³⁰ кг, средняя плотность 1,41 г/см³. Во внутренних частях звезды плотность достигает 100 г/см³.

В Солнце сосредоточено 99,86 % массы всей Солнечной систе­мы. Температура на его поверхности достигает 6 000 °С, в центре – 20-10⁶ °С.

Солнце имеет свои оболочки: ядро, фотосфера, хромосфера, солнечная корона.

Почти вся энергия Солнца генерируется в его ядре. В ядре Солнца в результате термоядерных реакций происхо­дит превращение водорода в гелий, сопровождающееся выделением огромного количества энергии. Возникающая при этом энергия передается внешнему слою – фотосфере, излучение которой в виде тепла и света доходит до Земли.

Фотосфера переходит в хромосферу. В ней наблюдаются сильные вспышки, напоминающие взрывы – ис­точник интенсивного ультрафиолетового и рентгеновского излу­чения, радиоволн и корпускул – частиц, выбрасываемых Солн­цем.

Над хромосферой простирается солнечная корона. Она представляет собой непрерывный корпускулярный поток, излучаемый Солнцем и называемый солнечным ветром. Солнечный ветер – это один из важных космических потоков, от которого зависят многие процессы в околоземном простран­стве. Он оказывает влияние на физические свойства верхних слоев атмосферы и магнитное поле Земли.

Совокупность физических изменений, происходящих на Солн­це, называют солнечной активностью. Одним из ее проявлений является возникновение солнечных пятен – областей сильных магнитных полей.

Солнечная активность под­вержена циклическим изменениям. Период изменений состав­ляет в среднем 11 лет.

В результате процессов, совершающихся на Солнце, в ми­ровое пространство направляется рентгеновское, ультрафиолето­вое, световое, инфракрасное радиоволновое излучение, выбрасы­ваются потоки электрически заряженных частиц. В периоды максимума солнечной активности велика роль корпускулярного потока сверхвысокой энергии. С таким энергетическим источни­ком связано проявление на Земле многих явлений: магнитных бурь, полярных сияний. Поступающая солнечная радиация обес­печивает возможность жизни на планете.

Солнечно-земные связи

Взаимодействие космических и земных (теллурических) факторов осуществляется как у земной поверхности, отчасти в высокой атмосфере, так и за её пределами (схема).

Схема сол­нечно-земных связей включает в себя электромагнит­ное и корпускулярное излучение. Оба вида из­лучения обусловливают ряд процессов и явлений во всех геосферах (в частности, полярные сияния, магнит­ные бури и связанные с ними последствия).

Солнечно-земные связи происходят в пространстве, в котором Земля созда­ёт специальные поля, обусловленные её присутствием и индиви­дуальными свойствами как планеты: неоднородное гравитацион­ное поле, геомагнитное поле и неоднородное поле избирательно­го поглощения квантов солнечной энергии. Такое пространство Михаил Михайлович Ермолаев предлагает назвать геогра­фическим пространством.

Географическое пространство имеет чёткие границы. Снизу оно начинается от поверхности мантии (граница Мохо), вверху над земной поверхностью граница её прослеживается на высоте от 1200 до 20 000 км.

По характеру протекающих процессов и явлений географи­ческое пространство подразделяется на четыре различных отдела.

Первый отдел – самый верхний (до высот 1 200-20 000 км) – охватывает все неоднородности гравитационного и магнитного полей Земли. Этот отдел водородной атмосферы Земли – протоносфера – состоит из почти полностью ионизированного водорода с незначительной примесью гелия. Это поле поглощения квантов коротковолновой радиации Солнца под воздействием гравитационного и магнитного полей. Поэтому для этого отдела предложено название "ближний космос".

Второй отдел – от 1 200 до 85-80 км – называется ионо­сфера. Отдел ограничен снизу поверхностью мезопаузы (мезопауза является переходом от верхней атмосферы к нижней). Здесь происходят процессы торможения космических лучей, поэтому поглощаются все крупные кванты рентгеновского, жёсткого ультрафиолетового и значительная часть мягкого ультрафиолето­вого излучения Солнца. Этот переход характеризуется реакциями разделения молекул на заряженные радикалы и нейтральные атомы без выделения свободных электронов.

Третий отдел – на высотах от 80 до 40-35 км до поверхно­сти стратопаузы идут процессы поглощения остатков прони­кающего мягкого ультрафиолетового излучения с расщеплением молекулярного кислорода и образованием возбуждённых атомов кислорода, в которых электрон не оторван, но выбит на необыч­ный уровень. Образующийся озон (Оз) поглощает ультрафиоле­товое излучение.

Четвёртый отдел расположен между стратопаузой и ос­нованием земной коры (стратисферы). Он имеет название гео­графическая оболочка. Для неё основным источником энергети­ческих процессов является световое и тепловое излучение Солн­ца, которое проходит через оптическое окно атмосферы. Здесь оказалось возможным возникновение жизни и проявление биоло­гического процесса земного типа; здесь же осуществляется слож­ный цикл миграции энергии и вещества, а также протекает гипергенез (процессы поверхностного разрушения (выветривания) горных пород).

Выделенные отделы глубоко связаны между собой так, что любое изменение в одном из них неизбежно повлечёт за со­бой либо изменение положения их границ, либо изменение отно­сительной интенсивности характерных для отделов процессов, либо породит новые или уничтожит ранее шедшие процессы.

Положе­ние Земли в пространстве, физические поля, строение поверхности, форма и размеры нашего небесного тела оказывают существенное влияние на ее взаимодей­ствие с Космосом.

Расстояние от Земли до Солнца определяют важнейший энергети­ческий фактор – количество солнечной радиации, поступающей на внешнюю границу атмосферы. Это количество энергии обеспечивает и поддер­живает характерную для земной поверхности термо­динамическую обстановку.

От положения Земли в ряду планет зависит плот­ность вещества Земли, а с учетом ее размеров - и масса планеты. Средняя плотность вещества Земли высока — 5,52 г/см3, в 2 раза выше плотности гранита. Масса Земли составляет 5,976 • 1027 г. Такой массы достаточно для того, чтобы удерживать атмосферу планеты.

Атмосферное давление, создаваемое столбом воз­духа, находящимся над земной поверхностью, опреде­ляет наличие воды в жидком состоянии. Фазовые переходы (превращения) воды, сопровождающиеся переносом энергии, взаи­модействие воды и газов атмосферы с горными поро­дами, определяют качественное своеобразие географи­ческой оболочки и являются необходимым условием су­ществования жизни — высшей формы организации материи.

Большое значение для обеспечения постоянства термодинамической обстановки на земной поверхнос­ти имеют атмосфера, как фильтр электромагнитного излучения, и океан, как конденсатор тепла.

 

ФОРМА И РАЗМЕРЫ ЗЕМЛИ

Для понимания особенностей географической оболочки важно иметь правильное представление о фигуре и размерах Земли.

Земля имеет самую совершенную из матема­тических форм – шарообразную. В зависимости от цели пользуются различными моделями, считая их приближенными к истинной фор­ме Земли.

Но шарообразная модель Земли не соответствует её реальной форме. Земля бы имела форму шара (сфера) если бы не вращалась вокруг своей оси и имела бы однородный вещественный состав.

Но в результате вращения Земли возникает центробежная сила, под влиянием которой появилось сжатие в направлении оси вращения (т.е. сжатие с полюсов). Такую форму (шар приплюснутый с полюсов) называют сфероид или эллипсоид вращения.

Сжатие Земли было обнаружено в 1690 г. X. Гюйгенсом и И. Ньютоном по раз­ности качания маятника на разных широтах и теоретически обосновано законом всемирного тяготения.

В разных странах разные значения параметров земного эллипсои­да. В России с 1946 г. принят эллипсоид Красовского, названный в честь выдающегося советского ученого. Эта модель используется в высшей геодезии для расчета координат, построения картографических се­ток, других вычислений. Разность полуосей эллипсои­да вращения составляет 21 км. Большая полуось (экваториальная) равна 6378 км, малая (полярная) – 6357 км.

Дальнейшие измерения Земли обнаружили, что полярные полу­оси Северного и Южного полушарий не одинаковы: вторая на 70-100 м короче первой, стало быть, по­лярное сжатие Южного полушария больше, чем Север­ного. Такая сердцевидная фигура с осевой впадиной на Южном полюсе и выпуклостью на Северном полу­чила название кардиоидального эллипсоида (кардиоид). В географических исследованиях эта модель почти не используется.

Разная длина и у радиусов, лежащих в экваториальной плоскости, разница составляет 213 м. Наличие эк­ваториального сжатия свидетельствует о сложном внутреннем строении планеты, проявляющемся в несимметричном распределении масс.

Из-за неравномерности распределения массы и неоднород­ности вещественного состава Земли ее фигура отклоняется от правильной формы сфероида. Истинная геометри­ческая фигура Земли была названа геоидом (землеподобный).

Геоид – геометрически неправильное тело, ограниченное уровенной поверхностью, совпадающей со средним уровнем Ми­рового океана. Любой элементарный участок такой поверхности перпендикулярен к линии отвеса, к направлению силы тяжести.

Уровенная поверхность отличается от поверхности сфероида сжатием у полюсов, а также тем, что в одних местах она располагается выше, в других – ниже относительно его. Таким образом общая амплитуда уровенной поверхности относительно поверхности сфероида составляет 200 м. Отклонения достаточно значительные, поэтому предпочитают говорить не о земном сфероиде, а о геоиде.

В результате фигура Земли создана её вращением вокруг оси, взаимодействием сил тяготения и центробежных сил, а также форма Земли зависит от размеров планеты, рас­пределения в ней плотностей вещества и от скорости осевого вращения.

Главное географическое значение формы Зем­ли состоит в том, что она обусловливает зональное распределение тепла по земной поверхности (суще­ствование тепловых и климатических поясов и зон) и, следовательно, зо­нальность всех явлений, зависящих от теплового ре­жима.