Сонячна система 2

Введення

Сонце було батьком і повитухою життя. Сонячний промінь з незапам'ятних часів (життя на Землі, за підрахунками вчених, існує не менше 3 - 3,5 млрд. років) і до цього дня безперервно заряджає енергією машину життя, стимулює появу все нових життєвих форм, еволюцію живого проти ентропії - у напрямку створення більш складних і досконалих живих істот.
У своїй перетворюючої діяльності людство використовує майже виключно енергію сонячного світла, законсервовану в нафті, кам'яному вугіллі, газі, деревині, в енергії вітру і падаючої води. Все в більш широких масштабах воно починає використовувати і безпосередньо енергію сонячного світла для опріснення води, отримання електроенергії і т.п. Сонячні батареї забезпечують енергією супутники Землі, космічні кораблі і автоматичні станції, що досліджують Місяць, Венеру, Марс. Енергія сонячних променів буде служити людям і при більш далеких і тривалих космічних польотах, і при створенні позаземних поселень. Земне життя, з перших своїх кроків пов'язана з сонячним світлом нерозривними узами, збереже і примножить ці зв'язки і в майбутньому, коли, покинувши свою земну колиску, людство відповідно до геніальним передбаченням К.Е. Ціолковського приступить до планомірного завоювання околосолнечного простору.
Мета даного дослідження розглянути еволюцію сонячної системи.
Вік Сонця оцінюється більшістю астрофізиків приблизно в 4,59 мільярда років. Його відносять до середніх або навіть малим за величиною зіркам - такі зірки існують довше, ніж їхні більші і швидко вигоряючі сестри.

1. Еволюція сонячної системи

Одвічне питання про початки і до цих пір є ключовим для багатьох наук, не кажучи вже про філософію. У випадку з астрофізикою, астрономією, геологією від відповіді на питання про походження Землі, планет, зірок, Сонця та Сонячної системи, галактик або всього Всесвіту в цілому залежить побудова всіх інших теорій. Питання про виникнення та еволюцію Землі одночасно і древній, і сучасний. Тут ніяк не вийде обмежитися відповіддю "спочатку було Слово"; докази ж або спростування теорій про походження з'явилися відносно недавно - зокрема, коли були піддані хімічному аналізу зразки метеоритів, що потрапили на Землю, і коли вдалося побачити в потужні телескопи газопилові туманності інших зірок.
Походження Сонця, Землі та інших планет Сонячної системи, з одного боку, змушує припустити, що наш "випадок" не унікальний: у Всесвіті є безліч зірок, в тому числі і спектрального класу G, навколо яких з газопилових туманностей цілком можуть утворитися планети. Останні відкриття, що стосуються екзопланет (серед особливо надихають - відкриття планет, схожих на Землю, навколо зірки Глізе 581, і виявлення органічних сполук на HD 189733b) [1], показують, що умови, схожі з земними, можуть з'явитися і на інших ділянках Всесвіту . Однак для створення схожих умов потрібно безліч збігів, а деякі особливості Сонячної системи і її історії навряд чи можна назвати типовими і закономірними. Наприклад, для того, щоб на планеті встигла зародитися і еволюціонувати життя, материнська зірка повинна бути відносно спокійним і не надто великий - життя великих зірок набагато коротше, ніж середні. Планета, подібна до Землі, повинна знаходитися в зоні можливої ​​життя своєї зірки (Habitable zone) - тобто там, де її середньорічна температура буде близько нуля градусів, що дасть можливість існуванню води в рідкому вигляді. Орбіта її, як і орбіти всіх інших планет системи, повинна бути близькою до кола - до речі сказати, мала величина ексцентриситету орібіти - швидше виняток, ніж правило. Переважно, щоб планета не була звернена до материнської зірку лише однією стороною, що викликає надмірний перегрів одного боку та охолодження інший, а отже, найсильніші вітри - як це цілком може відбуватися на "близнюка" Землі у зірки Глізе 581.
У плані створення сприятливих для життя умов походження та еволюція Сонячної системи унікальні. Досліджуючи інші планетні системи, що знаходяться на різних етапах свого розвитку, нескладно виявити чимало особливостей її генезису.
Використовуючи існуючі в планетної матерії відмінності, вчені моделюють різноманітні еволюційні умови, процеси і події в ранній сонячної туманності, в результаті яких могло виникнути така різноманітність об'єктів сучасної Сонячної системи. Для отримання максимально надійних результатів необхідно знати точний склад вихідної сонячної туманності. І тут дослідникам може допомогти саме Сонце, яке містить 99% всієї матерії Сонячної системи. [2] І хоча найглибші його надра змінені ядерними реакціями, зовнішні шари складаються майже з тієї ж самої матерії, яку мала початкова сонячна туманність. Хімічний склад атмосфери Сонця досить добре відомий з спектрального аналізу, але точна кількість більшості елементів і майже всіх ізотопів поки ще невідомо.
Для ретельного вивчення хімічного та ізотопного складу сонячної речовини в земних лабораторіях не можна взяти його проби прямо з поверхні, як це робиться при вивченні планет і метеоритів, тому що поверхня Сонця - це турбулентна середа з температурою близько 6 000 ° С, однак можна зібрати сонячний матеріал , "випливає" з Сонця у міжпланетний простір, званий сонячним вітром. Зробити це можна за допомогою космічного апарату, розміщеного поза земного магнітного поля, здатного захопити зразки сонячного вітру і доставити їх на Землю. Порівнюючи же хімічний склад та рясність ізотопів сонячного вітру з уже відомим планетарним складом, можна добути ще один шматочок знань для вирішення головоломки під назвою "Походження Сонячної системи і її еволюція".
Міжнародна команда астрономів відкрила зменшену копію Сонячної системи на відстані в 5 тис. світлових років від нас, повідомляє EurekAlert.
У виявленої системі всього дві газові планети, подібні до наших Юпітера і Сатурну, але які становлять приблизно 80% їх розміру. Вони обертаються навколо зірки OGLE-2006-BLG-109L, яка приблизно на половину менше Сонця. У порівнянні з ним, зірка дуже холодна і її яскравість становить всього 5% від сонячної. Однак температура поверхні планет така ж, як на Юпітері і Сатурні, оскільки вони знаходяться ближче до своєї зірки, ніж Юпітер і Сатурн до Сонця.
В даний час більшість вчених, що займаються питаннями походження Сонячної системи і, зокрема, Землі, тобто космогонією, дотримуються теорії, створеної Отто Юлійовичем Шмідтом [3] (1891-1956) в 1950-і роки і модифікованої його послідовниками. Відповідно до неї планети і інші тіла утворилися в газово-пиловій протопланетному хмарі, що мав форму диска і обертається навколо Сонця. Якщо за часів Шмідта газово-пиловий диск був не більш ніж гіпотезою, в останні десятиріччя такі диски відкриті у багатьох молодих зірок типу τ Тельця, і у деяких зірок головної послідовності. Так, згідно з недавнім спостереженнями американських учених Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, на орбітах зірок у скупченні Плеяд якраз зараз може йти процес утворення планет з такого хмари. Наприклад, навколо зірки HD23514 звертається в сотні тисяч разів більше пилу, ніж навколо Сонця.
Щоправда, викликає розбіжності походження такої туманності: з часів Канта (Immanuel Kant, 1724-1804) і Лапласа (Pierre-Simon, marquis de Laplace, 1749-1827) вважалося, що Сонце і планети були утворені з одного і того ж хмари. Однак різний їх складу, а головне, невідповідність маси Сонця і планет і кількості їх руху суперечить такої гіпотези. Шмідт висунув "гіпотезу захоплення", згідно з якою Сонце "краде" речовина для протопланетного хмари під час зустрічі з галактичної темної туманністю, що складається з пилу або метеоритів.
Але відкриття другої половини ХХ століття змусили уточнити цю гіпотезу. За найостаннішими даними, Сонячна система з'явилася в результаті впливу зоряного вітру, що виходить від масивної зірки, а, наприклад, не від газопилової хмари вибухнула сусідній наднової. На такому висновку наполягає Мартін Бідзарро (Martin Bizzarro) з університету Копенгагена (University of Copenhagen) після проведення аналізу ізотопного складу декількох метеоритів (зокрема, вмісту в них заліза-60 і алюмінію-26), що утворилися в різні періоди формування нашої системи.
За утворився протопланетному диску біжать звукові хвилі - це наступний етап еволюції Сонячної системи. Через них в диску виникають згущення, поступово вони ущільнюються і перетворюються на рій твердих тіл - планетезималей, які згодом стали будівельним матеріалом для планет. Найбільші планетезімали ставали їх "зародками". Система формувалася досить швидко, причому через особливості гравітаційної взаємодії швидкість формування планет майже не залежала від відстані до Сонця: близька до нього Земля наростила 98% своєї маси за 108 років, а більш віддалені Уран і Нептун - за 109.
Еволюція гігантських Юпітера й Сатурна, що містять у собі 82% маси всіх планет, відрізняється від інших: швидше за все, їх зростання йшло в два етапи. Спочатку йшла акумуляція ядер планет з твердих частинок - як у планет земної групи, а потім акреція (приєднання) газу. Юпітер виріс досить швидко - 107 років - він встиг швидко поглинути гази з допланетного диска до того, як ультрафіолетове і корпускулярне випромінювання Сонця розвіяла їх у просторі. Крім того, саме на відстані орбіти Юпітера (5,2 а. Е) в диску перебував фронт конденсації водяного льоду - саме з-за конденсації льодів води та інших летких речовин зростання планетезималей в районі Юпітера міг випереджати зростання більш близьких до Сонця тел.
З швидким зростанням великого Юпітера пов'язана ще одна цікава особливість. Як відомо, між орбітами Марса і Юпітера розташовано багато астероїдів та інших невеликих тіл, які обертаються навколо Сонця на тому відстані, де повинна була б перебувати велика планета, згідно з правилом Тициуса-Боде. Ці факти призвели до появи гіпотезі про Фаетона - планеті, нібито існувала між Юпітером і Марсом і зруйнованої в результаті зіткнення з якимсь астрономічним тілом або від гравітаційного впливу самого Юпітера. Гіпотеза ця, однак, не тільки не підтвердилася, але була замінена на зворотну: не планета була роздроблена гравітаційним полем Юпітера, а, навпаки, астероїди не змогли сформуватися в єдину планету (сам Шмідт писав про це ще в 1954 році). Формуванню перешкоджали обурення Юпітера та інших великих тіл із зони харчування, а також збільшення хаотичних швидкостей планетезималей, які, залітаючи в зону астероїдів і будучи більше останніх, виштовхували їх і створювали обурення, тим самим сповільнюючи їх зростання. [4]
Повертаючись до Землі, треба помітити, що її зростання (як і зростання інших планет земної групи) в основному проходив вже при відсутності газу протопланетного хмари, а атмосфера і гідросфера виділялися при дегазації спочатку твердих планетезималей, які потрапляли на неї з периферії Сонячної системи.
Багаторічні геологічні дослідження показують: Земля ніяк не могла утворитися з розпеченого газового згустку і ніколи не була розплавленої. У своїй "юності" вона, сформувавшись з холодних планетезималей, була холодною. Один із сучасних послідовників Шмідта астрогеофізік Віктор Сергійович Сафронов (1917-1999) навів докази того, що вона також була однорідною за складом і тектонічно пасивної планетою. Вивчення подальшої історії Землі як астрономічного тіла тісно пов'язано, як не дивно на перший погляд, з вивченням її геології і геохімії. [5]
Сафронов стверджував, що вперше плавлення земних надр на рівні верхньої мантії відбулося під впливом місячних припливів і розпаду радіоактивних елементів тільки через 600 млн. років після утворення Землі. Більше того, цей момент він пов'язує з початком базальтового магматизму на Місяці близько 4 млрд. років тому і появою найдревніших порід земної кори близько 3,8 млрд. років тому. Тоді ж почалося і поділ земної речовини по щільності; виділялося залізо та його оксиди, які утворили пізніше земне ядро. Ядро відокремився тільки в самому кінці архею (близько 2,6 млрд. років тому), але процес виділення земного ядра продовжується і в даний час.
Нагрівання Землі відбувалося не в останню чергу і через ударів великих планетезималей, енергія яких частково накопичувалася на глибині ударних кратерів, а також від тепла радіоактивних джерел і стиснення надр під тиском горішніх шарів.
Еволюцію Землі неможливо розглядати без її супутника - Місяця. Існує кілька гіпотез виникнення і еволюції Місяця - зокрема, гіпотеза мегаімпакта, згідно з якою навколоземний диск утворився при зіткненні Землі з великим допланетного тілом, в 1,5-2 рази більше масивним, ніж Марс.
Відповідно до іншої теорії, Місяць утворилася за рахунок руйнування розплавленої і пройшла повну диференціацію (на відміну від холодної Землі) більш масивної планети, умовно названої Протолуной (найімовірніше, Протолуна була захоплена зростаючої Землею з сусідньої найближчій орбіти протопланетного диска).
Протолуна, на відміну від Землі, розтопилась у процесі свого утворення. Якщо б те саме сталося з Землею, у неї сформувалося б металеве ядро ​​і потужна кора, що складається з анортозита - кристалічно-зернистої породи. У неї перейшла б велика частина радіоактивних елементів, тим самим позбавивши Землю джерела внутрішнього тепла. У результаті цього Земля, подібно Місяцю, перетворилася б на тектонічно мертву планету. Крім того, при плавленні Землі відбулася б швидка і повна дегазація її надр з утворенням щільної вуглекислотної атмосфери з тиском близько 100 атмосфер, і, як наслідок - незворотній парниковий ефект із середніми температурами в 550-600 ° C, відсутністю води в рідкій фазі і, отже, життя в нашому розумінні (тобто, Земля була б дуже схожа на сучасну Венеру).
Подібні припущення зайвий раз доводять, що навіть невелике відхилення в розвитку Землі як планети привело б до того, що органічне життя на ній могла б і не з'явитися.
Однак якими б не були гіпотези виникнення Місяця, вплив її на земне життя незаперечно. Взаємодія ж в системі Земля-Місяць у ранні геологічні епохи було значно сильнішим. Сафронов у своїх дослідженнях навіть вираховує час тектономагматіческой активності Землі за віком місячних порід.
Еволюція Сонячної системи триває, втім, тривалість людського життя непорівнянна з геологічними і тим більше з астрономічними періодами, тому зміни в них ми майже не встигаємо помітити. Проте саме останні десятиліття і навіть роки допомогли внести ясність у питання про походження Землі і її природу як астрономічного тіла. [6] Велику роль тут зіграли новітні технологічні удачі, що дозволили радикальним чином удосконалити методи спостережної астрономії. Так, планетологи NASA покладають великі очікування на космічний апарат Dawn, який відправився в кінці минулого року до астероїда Весті і карликової планеті Церере з поясу астероїдів. Вважається, що їх дослідження допоможе прояснити деталі походження та інших астрономічних тіл і навіть "переписати підручники астрономії". Інший космічний апарат "Cassini" досліджує в даний час Сатурн і його супутники.
Створюється враження, що ми живемо в дуже цікавий час: створювані століттями гіпотези і теорії виникнення планет і систем, подібних і не подібних Сонячної, за допомогою сучасних телескопів і технологій спостережень, можуть бути оскаржені або підтверджені - доказово.

Висновок

Сонце поки встигло витратити менше половини наявного в ньому водню: з частки в 70,6 відсотка від первісної маси сонячної речовини залишилося 36,3. У ході термоядерних реакцій водень усередині Сонця перетворюється в гелій.
Для того щоб пішла реакція термоядерного синтезу, необхідні висока температура і високий тиск. Ядра водню представляють собою протони - елементарні частинки з позитивним зарядом, між ними діє сила електростатичного відштовхування, що заважає їм зближатися. Але всередині діють також значні сили всесвітнього тяжіння, які заважають протонам розлітатися. Навпаки, вони притискають протони настільки близько один до одного, що починається ядерний синтез. Частина протонів при цьому перетворюється на нейтрони, і сили електростатичного відштовхування слабшають; в результаті світність Сонця підвищується. За оцінками вчених, на початковому етапі існування Сонця його світність становила тільки 70 відсотків від того, що воно випромінює сьогодні, і в наступні 6500 млн років світність зірки буде тільки рости.
В одній з конкуруючих теорій передбачається, що основним елементом у сонячному ядрі є зовсім не водень, а залізо, нікель, кисень, кремній і сірка. Легкі елементи - водень і гелій - присутні тільки на поверхні Сонця, і реакція синтезу полегшується завдяки великій кількості нейтронів, що випромінюються ядром.
Яка з теорій не була б справедлива, "сонячне пальне" рано чи пізно буде кінчатися. Через нестачу водню термоядерні реакції почнуть припинятися, і рівновага між ними і силами тяжіння порушиться, чому зовнішні шари пригорнуться до ядра. Від стиснення концентрація залишкового водню підвищиться, ядерні реакції посиляться, і ядро ​​почне розширюватися. Загальноприйнята теорія передбачає, що у віці 7,5-8 мільярдів років (тобто через 4-5 мільярдів років) Сонце перетвориться на червоного гіганта: його діаметр збільшиться більш ніж у сто разів, так що орбіти перших трьох планет Сонячної системи опиняться всередині зірки . Ядро дуже гаряче, а температура оболонки гігантів невелика (близько 3000 градусів) - і тому червоного кольору.
Характерною особливістю червоного гіганта можна вважати те, що водень вже більше не може служити "пальним" для ядерних реакцій усередині нього. Тепер починає "горіти" вже гелій, що накопичився там у великих кількостях. При цьому утворюються нестійкі ізотопи берилію, які при бомбардуванні їх альфа-частками (тобто тими ж ядрами гелію) перетворюються на вуглець.
Саме на цьому життя на Землі, та й сама Земля, швидше за все, вже гарантовано припинить своє існування. Навіть тої невисокої температури, яку на той момент буде мати сонячна периферія, вистачить, щоб наша планета повністю випарувалася.
Звичайно ж, людство в цілому, як кожна людина окремо, сподівається на вічне життя. Момент перетворення Сонця в червоного гіганта накладає на цю мрію певні обмеження: подібну катастрофу людству якщо і вдасться пережити, то тільки за межами своєї колиски.
Але доречно тут нагадати, що один з найбільших фізиків сучасності Стівен Хокінг (Stephen Hawking) вже давно стверджує: момент, коли єдиним способом вижити для людства стане колонізація інших планет, вже майже настав. Внутриземной причини зроблять цю колиску неможливою для проживання набагато раніше, ніж щось погане станеться з Сонцем.

Список використаної літератури

1. Дагаєв М.М., Лабораторний практикум з курсу загальної астрономії, "Вища школа", 1972
2. Дьомін В.Г., Доля Сонячної системи, "Наука", 1975.
3. Вуд Дж., Метеорити і походження Сонячної системи, "Світ", 1971.
4. Гінзбург В.Л., Як влаштований Всесвіт і як вона розвивається в часи, "Знання", 1968.
5. Єфремов Ю.М., У глибини Всесвіту, ізд.2-е, "Наука", 1977.
6. Жарков В.М., Внутрішня будова Землі, Місяця і планет, "Знання", 1973.
7. Мельников О.А., Слюсарев Г.Г., Марков А.В., Купревіч Н.Ф., Сучасний телескоп, "Наука", 1968.
8. Мартинов Д.Я., Планети, вирішені і невирішені проблеми, "Наука", 1970.
9. Пікельнер С.Б., Сонце, Фізматвид, 1961.
10. Рябов Ю.А., Руху небесних тіл, ізд.2-е, Фізматвид, 1962
11. Струве О., Ліндсі Б., Пілланс Е., Елементарна астрономія; "Наука", 1964.
12. Шкловський І.С., Всесвіт, життя, розум, Изд.4-е, "Наука", 1976.
13. Шкловський І.С., Зірки: їх народження, життя і смерть, "Наука", 1975.