Оглавление

Введение ………………………………………………………………………3

1. Строение солнечной системы …………………………………………….4

2. Солнечная система: история возникновения и развития ……………….8

Заключение ………………………………………………………………….14

Список литературы …………………………………………………………15

Введение

Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования проведенные в ХХ веке, приоткрыли занавес,  закрывающий от нас далекое прошлое.

Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был на столько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.

На протяжении десяти миллиардов лет после  «большого взрыва» простейшее бесформенное вещество постепенно превращалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, планеты. Рождались звезды, системы, состоящие из огромного количества элементарных частиц с весьма простой организацией. На некоторых планетах могли возникнуть формы жизни.

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.

И все же мы до сих пор довольно далеки от решения этой проблемы. Но за последние три десятилетия прояснился вопрос о путях эволюции звезд. И хотя детали рождения звезды из газово-пылевой туманности еще далеко не ясны, мы теперь четко представляем, что с ней происходит на протяжении миллиардов лет дальнейшей эволюции.

1. Строение солнечной системы

Солнечная система - это спаянная силами взаимного притяжения сис­тема небесных тел. В неё входят: центральное тело - Солнце, 9 боль­ших планет с их спутниками (кото­рых сейчас известно уже больше 60), несколько тысяч малых планет, или астероидов (открыто свыше 5 тыс., в действительности их гораздо боль­ше), несколько сот наблюдавшихся комет и бесчисленное множество метеорных тел [1, 4].

Большие планеты подразделяются на две основные группы: планеты земной группы - Меркурий, Венера, Земля и Марс - и планеты юпитерианской группы, или планеты-ги­ганты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. В этой классификации нет места Плутону: и по размерам, и по свойствам он ближе к ледяным спут­никам планет-гигантов.

Различие планет по физическим свойствам обусловлено тем, что зем­ная группа формировалась ближе к Солнцу, а планеты-гиганты - на очень холодной периферии Сол­нечной системы. Планеты земной группы сравнительно малы и имеют большую плотность. Основными их составляющими являются силикаты (соединения кремния) и железо. У планет-гигантов нет твёрдой по­верхности. За исключением неболь­ших ядер, они образованы преиму­щественно из водорода и гелия и пребывают в газожидком состоянии. Атмосферы этих планет, постепенно уплотняясь, плавно переходят в жид­кую мантию.

Основная доля общей массы Сол­нечной системы (99,87%) приходит­ся на Солнце. Поэтому солнечное тяготение управляет движением поч­ти всех остальных тел системы: пла­нет, комет, астероидов, метеорных тел. Только спутники обращаются вокруг своих планет, притяжение ко­торых из-за их близости оказывает­ся сильнее солнечного.

Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении. Это движение именуется прямым [3].

Орбиты планет по форме близки к круговым, а плоскости орбит - к основной плоскости Солнечной сис­темы, так называемой неизменной плоскости Лапласа. Но чем меньше масса, тем сильнее планета нарушает это правило, что видно на примере Меркурия и Плутона. В астрономии принято измерять углы наклона пла­нетных орбит к плоскости эклипти­ки (т. е. к плоскости орбиты Земли).

Величиной, выражающей откло­нение формы орбиты от круговой, яв­ляется эксцентриситет — отноше­ние расстояния между фокусами эллипса к длине его большой оси. Экс­центриситет окружности равен нулю, эксцентриситеты эллипсов больше нуля, но меньше единицы, эксцентри­ситет параболы считается равным единице.

Расстояния планет от Солнца воз­растают приблизительно в геометри­ческой прогрессии (правило Тициуса — Боде):

r = 0,4+0,3-2ⁿ (а. е.),

где n = 0 для Венеры, 1 для Земли, 2 для Марса, 4 для Юпитера и т. д. (n = 3 соответствует положению пояса асте­роидов). Однако Меркурий, Нептун и Плутон не вписываются в данную последовательность [7].

Почти все планеты вращаются вокруг оси также в прямом направ­лении. Исключение составляют Ве­нера и Уран (последний к тому же вращается как бы лёжа на боку - его ось располагается почти в плоскости орбиты).

Большинство спутников движутся вокруг своих планет в ту же сторону, в какую вращаются планеты (эти спутники называются регулярными), а их орбиты лежат вблизи экватори­альных плоскостей планет. Обратное движение имеют четыре внешних (находящихся на удалённых орбитах) спутника Юпитера - Ананке, Карме, Пасифе и Синопе, внешний спутник Сатурна Феба и спутник Нептуна Три­тон. Десять спутников Урана, хотя и являются регулярными, формально считаются обратными, ибо таково вращение самой планеты. Плоскость орбиты Луны близка к плоскости ор­биты Земли, а не её экватора. Спутни­ки Юпитера Леда, Гималия, Лиситея, Элара и спутник Сатурна Япет дви­жутся под значительными углами к экваториальным плоскостям пла­нет - от 14 до 29°.

По мере перехода к телам всё меньшей массы эксцентриситеты и наклоны орбит возрастают. У астеро­идов эксцентриситеты достигают значений 0,3-0,5 (у некоторых и больше), а наклоны могут доходить до 30°. Все известные астероиды име­ют прямое движение. У комет встре­чаются любые эксцентриситеты и наклоны орбит, причём движение некоторых комет является обратным.

Солнечная система вращается, а вращательное движение характери­зуется величиной, называемой мо­ментом количества движения. Распре­деление его среди тел Солнечной системы таково, что нуждается в спе­циальном объяснении.

Если вокруг оси на расстоянии r от неё вращается тело, размеры которо­го существенно меньше r, то момент количества движения этого тела ра­вен mvr (где m — масса, v — ско­рость). Если же речь идёт о вращении сравнительно крупного тела, нужно мысленно разбить его на такие небольшие части, вычислить эту ве­личину для каждой из них и резуль­таты сложить. Момент количества движения системы тел равен сумме моментов тел, её составляющих.

Непреложный закон механики утверждает, что изменение момента количества движения системы может произойти только за счёт внешних воздействий — и никогда за счёт вза­имодействия элементов системы ме­жду собой.

Солнечная система образовалась из вращавшегося газопылевого облака. Его сжатие породило центральное сгущение, которое потом преврати­лось в Солнце. Частицы, вошедшие в состав Солнца, несли с собой свой мо­мент количества движения. И посколь­ку они двигались по направлению к оси вращения (т. е. расстояние умень­шалось), то скорость обязана была возрастать — для сохранения момен­та. Протосолнце, а затем и Солнце должно было вращаться всё быстрее и быстрее. Хорошая иллюстрация тако­го процесса — выполняющий враще­ние фигурист: чтобы ускорить враще­ние, он прижимает руки к корпусу [2].

Как уже было сказано, на долю Солнца приходится более 99% массы всей Солнечной системы. И при этом Солнце ныне обладает менее чем 2% от общего момента количества дви­жения. Не одно десятилетие бьются астрономы над вопросом: почему Солнце вращается так медленно? Ка­ким образом момент количества дви­жения мог быть передан из внутрен­них областей Солнечной системы во внешние?

Один из механизмов такой пере­дачи известен: приливное трение, тормозящее вращение тела. Однако приливное воздействие планет на Солнце ничтожно и не может быть причиной наблюдаемого эффекта.

Другой приводящий к тормо­жению фактор — магнитное поле. Принципиальных возраже­ний подобное объяснение не вызы­вает, но конкретное решение пробле­мы применительно к Солнечной системе связано со многими неопре­делённостями и не является обще­признанным.

Проблема распределения момента количества движения сравнительно просто решается в космогонической гипотезе английского астронома Джеймса Джинса. Он предположил, что некогда вблизи Солнца прошла звезда и её притяжение вызвало вы­брос солнечного вещества, из кото­рого в дальнейшем образовались планеты. Однако сейчас эта идея никем из специалистов не поддер­живается.

Обладает ли Солнечная система ус­тойчивостью? Устойчивая система характеризуется тем, что возникающие в ней случайные отклонения (возмущения) не приводят к прогрессиру­ющим изменениям, способным в конце концов её разрушить, а как бы автоматически гасятся самой систе­мой, возвращающейся к первоначаль­ному состоянию. Например, можно добиться равновесия маленького ша­рика на вершине большого шара. Но стоит слегка толкнуть шарик — и он скатится вниз: система неустойчива. Если тот же шарик положить на дно полусферической чаши и отклонить, он вернётся в первоначальное поло­жение: система устойчива [6].

Возмущающим фактором для пла­нет Солнечной системы является их гравитационное влияние друг на дру­га. Оно несколько изменяет орбиту по сравнению с той, по которой каждая планета двигалась бы под действием тяготения одного только Солнца. Во­прос в том, могут ли эти возмущения накапливаться вплоть до падения пла­неты на Солнце либо удаления её за пределы Солнечной системы, или они имеют периодический характер и параметры орбиты будут всего лишь колебаться вокруг некоторых средних значений.

Результаты теоретических и рас­чётных работ, выполненных астроно­мами более чем за 200 последних лет, говорят в пользу второго предполо­жения. Об этом же свидетельствуют данные геологии, палеонтологии и других наук о Земле: уже 4,5 млрд лет расстояние нашей планеты от Солн­ца практически не меняется. И в бу­дущем ни падение на Солнце, ни уход из Солнечной системы Земле не угрожают.

2. Солнечная система: история возникновения и развития

Ещё в XVI в. Джордано Бруно предпо­ложил, что звёзды, подобно Солнцу, окружены свитой планет и эти миры непрерывно рождаются, развивают­ся и умирают. Два века спустя в рабо­тах немецкого философа Иммануи­ла Канта и французского математика Пьера Симона Лапласа зародилась космогония — наука о происхож­дении небесных тел. Существует кос­могония планетная — она изучает проблемы возникновения Земли и планет вообще. С ней тесно связана космогония звёздная, рассматриваю­щая происхождение звёзд, и прежде всего Солнца - ближайшей к нам звезды.

Движение планет в Солнечной систе­ме упорядочение: они вращаются во­круг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости. Расстояния от одной планеты до другой возрас­тают закономерно. Орбиты планет близки к окружностям, что и позво­ляет им вращаться вокруг Солнца миллиарды лет, не сталкиваясь друг с другом [5].

Если движение планет подчиняет­ся одному и тому же порядку, то и процесс их образования должен быть единым. Это показали в XVIII в. Иммануил Кант и Пьер Лаплас. Они при­шли к выводу, что на месте планет вокруг Солнца первоначально враща­лась туманность из газа и пыли.

Но откуда взялась эта туманность? И каким образом газ и пыль превра­тились в крупные планетные тела? Эти вопросы оставались нерешенны­ми в космогонии XIX и начала XX в. Камнем преткновения была и проб­лема момента количества движения планет. Масса всех планет системы в 750 раз меньше массы Солнца. При этом на долю Солнца приходится лишь 2% общего момента количества движения, а остальные 98% заключены в орбитальном вращении планет. Вплотную этими проблемами наука занялась лишь во второй поло­вине XX в. Почти до конца 80-х гг. раннюю историю нашей планетной системы приходилось «воссоздавать» лишь на основе данных о ней самой. И только к 90-м гг. стали доступны для наблюдений невидимые ранее объекты - газопылевые диски, вра­щающиеся вокруг некоторых моло­дых звёзд, сходных с Солнцем.

Газопылевую туманность, в ко­торой возникли планеты, их спутни­ки, мелкие твёрдые тела - метеороиды, астероиды и кометы, называют протопланетным (или допланетным) облаком. Планеты вращаются вокруг Солнца почти в одной плоско­сти, а значит, и само газопылевое об­лако имело уплощённую, чечевицеобразную форму, поэтому его называют ещё диском. Учёные полагают, что и Солнце, и диск образовались из од­ной и той же вращающейся массы межзвёздного газа - протосолнечной туманности [5].

Начальная фаза протосолнечной туманности — предмет исследования астрофизики и звёздной космогонии. Изучение же её эволюции, приведшей к появлению планет, - центральная задача космогонии планетной.

Возраст Солнца насчитывает чуть меньше 5 млрд лет. Возраст древнейших метеоритов почти такой же: 4,5 - 4,6 млрд лет. Столь же стары и рано затвердевшие части лунной коры. Поэтому принято считать, что Земля и другие планеты сформировались 4,6 млрд лет назад. Солнце отно­сится к звёздам так называемого вто­рого поколения Галактики. Самые старые её звёзды значительно (на 8 - 10 млрд лет) старше Солнечной системы. В Галактике есть и молодые звёзды, которым всего 100 тыс. - 100 млн лет (для звезды это совсем юный возраст). Многие из них похо­жи на Солнце, и по ним можно судить о начальном состоянии нашей систе­мы. Наблюдая несколько десятков подобных объектов, учёные пришли к следующим выводам.

Размер допланетного облака Сол­нечной системы должен был превы­шать радиус орбиты последней пла­неты - Плутона. Химический состав молодого Солнца и окружавшего его газопылевого облака-диска, по-види­мому, был одинаков. Общее содер­жание водорода и гелия достигало в нём 98%. На долю всех остальных, бо­лее тяжёлых элементов приходилось лишь 2%; среди них преобладали ле­тучие соединения, включающие угле­род, азот и кислород: метан, аммиак, вода, углекислота.

Расчёты показывают, что в преде­лах орбиты Плутона, т. е. диска радиусом 40 а. е., общая масса всех планет вместе с утерянными к настоящему времени летучими веществами долж­на была составлять 3 - 5% от массы Солнца. Такую модель облака называ­ют облаком умеренно малой массы, она подтверждается и наблюдениями околозвёздных дисков.

Если бы масса облака была со­поставима с массой центрального те­ла, то должна была бы образоваться звезда - компаньон Солнца (или же надо найти объяснение выбросу ог­ромных излишков вещества из Сол­нечной системы).

Наименее изучена самая ранняя стадия - выделение протосолнечной туманности из гигантского родитель­ского молекулярного облака, при­надлежащего Галактике.

В 40-х гг. академик Отто Юльевич Шмидт выдвинул ставшую общепринятой гипотезу об образовании Зем­ли и других планет из холодных твёрдых допланетных тел - планетезималей. Распространённая ранее точка зрения, что планеты - это небольшие остатки некогда раскалён­ных гигантских газовых сгустков сол­нечного состава, потерявших летучие вещества, пришла в противоречие с науками о Земле [6].

Земля, как показывают исследова­ния, никогда не проходила через огненно-жидкое, т. е. полностью рас­плавленное состояние. Исследуя шаг за шагом эволюцию допланетного диска, учёные получили последова­тельность основных этапов развития газопылевого диска, окружавшего Солнце, в систему планет.

Первоначальный размер облака превышал современный размер пла­нетной системы, а его состав соответ­ствовал тому, который наблюдается в межзвёздных туманностях: 99% газа и 1% пылевых частиц размерами от долей микрометра до сотен микро­метров. Во время коллапса, т. е. па­дения газа с пылью на центральное ядро (будущее Солнце), вещество сильно разогревалось, и межзвёздная пыль могла частично или полностью испариться. Таким образом, на пер­вой стадии облако состояло почти целиком из газа, притом хорошо пе­ремешанного благодаря высокой тур­булентности - разнонаправленному, хаотичному движению частиц [2].

По мере формирования диска тур­булентность стихает. Это занимает немного времени — около 1000 лет. При этом газ охлаждается и в нём вновь образуются твёрдые пылевые частицы. Таков первый этап эволю­ции диска.

Для остывающего допланетного облака характерно очень низкое дав­ление - менее десятитысячной доли атмосферы. При таком давлении ве­щество из газа конденсируется непо­средственно в твёрдые частички, минуя жидкую фазу. Первыми кон­денсируются самые тугоплавкие со­единения кальция, магния, алюминия и титана, затем магниевые силикаты, железо и никель. После этого в газо­вой среде остаются лишь сера, сво­бодный кислород, азот, водород, все инертные газы и некоторые летучие элементы.

В процессе конденсации становят­ся активными пары воды, окисляю­щие железо и образующие гидратированные соединения. Основные же космические элементы — водород и гелий — остаются в газообразной форме. Для их конденсации потребо­вались бы температуры, близкие к аб­солютному нулю, ни при каких усло­виях недостижимые в облаке.

Химический состав пылинок в допланетном диске определялся температурой, которая падала по мере удаления от Солнца. К сожалению, рассчитать изменение температуры в допланетном облаке очень трудно. Химический состав планет земной группы показывает, что они состоят в основном из веществ, конденсиро­вавшихся при высоких температурах. В составе ближней части пояса ас­тероидов преобладают каменистые тела. По мере удаления от Солнца в поясе астероидов увеличивается чис­ло тел, которые содержат обогащён­ные водой минералы и некоторые летучие вещества. Их удалось обнару­жить в метеоритах, являющихся ос­колками астероидов. Среди малых планет, по-видимому, нет или очень немного ледяных тел. Следовательно, граница конденсации водяного льда должна была проходить за ними, не ближе внешнего края пояса асте­роидов - в три с лишним раза даль­ше от Солнца, чем Земля [2].

В то же время крупнейшие спут­ники Юпитера - Ганимед и Каллисто - наполовину состоят из воды. Они находятся на гораздо большем расстоянии от Солнца, чем пояс ас­тероидов. Значит, водяной лёд кон­денсировался во всей зоне образова­ния Юпитера. Начиная с орбиты Юпитера и дальше в допланетном облаке должны были преобладать ледяные пылинки с вкраплениями более тугоплавких веществ. В облас­ти внешних планет, при ещё более низкой температуре, в составе пыли­нок оказались льды метана, аммиака, твёрдая углекислота и другие замёрз­шие летучие соединения. Подобный состав в настоящее время имеют кометные ядра, залетающие в окрестно­сти Земли с далёкой периферии Сол­нечной системы.

Первые конденсаты - пылинки, льдинки - сразу после своего появ­ления начинали двигаться сквозь газ к центральной плоскости облака. Чем крупнее были частицы, тем бы­стрее они оседали, так как при сво­ём движении более крупные частицы (в отличие от мелких) встречают меньшее сопротивление газа на еди­ницу их массы.

На втором этапе завершалось об­разование тонкого пылевого слоя - пылевого субдиска - в центральной плоскости облака. Расслоение облака сопровождалось увеличением раз­меров частиц до нескольких сантимет­ров. Сталкиваясь друг с другом, части­цы слипались, при этом скорость их движения к центральной плоскости увеличивалась и рост тоже ускорялся.

В некоторый момент плотность пыли в субдиске приблизилась к критическому значению, превысив плот­ность газа уже в десятки раз. При достижении критической плотности пылевой слой делается гравитацион­но неустойчивым. Даже очень слабые уплотнения, случайно возникающие в нём, не рассеиваются, а, наоборот, со временем сгущаются. Сначала в нём могла образоваться система колец, которые, уплотняясь, также теряли свою устойчивость и на третьем этапе эволюции диска рас­падались на множество отдельных мелких сгустков.

Из-за вращения, унаследованного от вращающегося диска, эти сгустки не могут сразу сжаться до плотности твёрдых тел. Но, сталкиваясь друг с другом, они объединяются и всё бо­лее уплотняются. На четвёртом эта­пе образуется рой допланетных тел размером около километра; первона­чальное число их достигает многих миллионов [1, 7].

Описанный путь образования тел возможен, если пылевой субдиск очень плоский: его толщина должна быть во много раз меньше диаметра. Такие объекты существуют и ныне, например кольца Сатурна.

Другой путь формирования до­планетных тел помимо гравитацион­ной конденсации — это их прямой рост при столкновениях мелких час­тиц. Они могут слипаться лишь при небольших скоростях соударений, при достаточно разрыхлённой по­верхности контакта или в случае по­вышенной силы сцепления.

Такие тела, каким бы из двух путей они ни возникли, послужили строи­тельным материалом для формиро­вания планет, спутников и метеор­ных тел.

Ученые предполагают, что допланетные тела, образовавшиеся на периферии облака при очень низкой температуре, сохранились до сих пор в кометном облаке, куда они были за­брошены гравитационными возму­щениями планет-гигантов.

Такова история возникновения солнечной системы и ее эволюция.

Заключение

Подводя итог, хочется сделать следующие выводы.

Во-первых, Солнечная система - это спаянная силами взаимного притяжения система небесных тел, которая состоит из солнца и девяти больших планет с их спутниками.

Во-вторых, основная доля массы Солнечной системы (99,87%) приходится на Солнце.

В-третьих, Солнечная система образовалась из вращающегося газопылевого облака. Его сжатие породило центральное сгущение, которое потом превратилось в Солнце.

В-четвертых, вопросом эволюции солнечной системы впервые задался и сделал предположение Джордано Бруно еще в XVI веке, а два века спустя Лаплас, выдвинул идею космогонии – науки о происхождении небесных тел.

В-пятых, движение планет в Солнечной системе упорядоченно. Они вращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости. Исходя из этого Кант и Лаплас пришли к выводу, что на месте планет вокруг Солнца первоначально вращалась туманность из газа и пыли.

В-шестых, возраст Солнца насчитывает чуть меньше 5 млрд. лет и относится к звездам второго поколения Галактики.

В-седьмых, выделяют четыре этапа эволюции солнечной системы. На первом этапе происходит охлаждение газа и в нем образуются твердые пылевые частицы. На втором этапе завершается образование тонкого пылевого слоя в центральной плоскости облака. На третьем этапе произошло распадение диска на множество отдельных мелких сгустков. На четвертом этапе образуется рой допланетных тел размером около километра.

Список литературы

1. Астрономия / Под ред. М.Д. Аксенова. -  М.: Аванта+, 2001. – 688 с.

2. Войткевич Г.В. Химическая эволюция Солнечной системы. – М., 1979. – 344 с. 

3. Дагаев М.М. Наблюдения звездного неба.-М.: Наука, 1988. – 327с.

4. Данлоп С. Азбука звездного неба.- М.: Мир, 1980. – 224с.

5. Карпенко М. Разумная Вселенная. – М., 1992. – 145с.

6. Маров М.Я. Планеты солнечной системы. – М., 1985.- 285с.

7. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. – М., 1979. – 212с.