Солнечная система

Солнечная система — это система небесных тел, двигающихся в области преобладающего гравитационного влияния Солнца.

Наблюдаемые размеры Солнечной системы определяются орбитой Плутона (около 40 а.е.). Однако сфера, в пределах которой возможно устойчивое движение небесных тел вокруг Солнца, простирается почти до ближайших звёзд (230000 а.е.). Информацию о далёкой внешней области Солнечной системы получают при наблюдениях приближающихся к Солнцу долгопериодических комет и при изучении космической пыли, заполняющей всю Солнечную систему.

Одна из первых гипотез построения Солнечной системы была предложена древнегреческим астрономом Клавдием Птолемеем но II в. н.э. В своём труде «Великое математическое построение астрономии...» («Альмагест») он предположил, что все небесные тела движутся по круговым орбитам вокруг неподвижной Земли. Земля является центром вращающейся системы Вселенной. Эта система получила название геоцентрической.

Общая структура Солнечной системы была раскрыта Н. Коперником в 1543 г. В сочинении «Об обращениях небесных сфер» он обосновал представление о движении Земли и других планет вокруг Солнца. Гелиоцентрическая система Коперника впервые дала возможность определить относительные расстояния планет от Солнца, а следовательно, и от Земли. Последователь Коперника Джордано Бруно утверждал, что во Вселенной нет и не может быть центра, что Солнце — это только центр Солнечной системы.

И. Кеплером для объяснения движения планет было сформулировано три закона, раскрытых в книгах «Новая астрономия...» (1609 г.) и «Гармония мира» (1619 г.).

В первом законе говорится о форме планетной орбиты: каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Степень вытянутости орбиты определяется величиной эксцентриситета. Следовательно, в течение года расстояние от планеты до Солнца (S) меняется: в точке перигелия (П) планета ближе всего к Солнцу, в точке афелия (А) расстояние до Солнца самое большое. Особенно велика эта разница у орбит Меркурия и Плутона.

Второй закон формулируется так: радиус- вектор планеты за равное время описывает равновеликие площади. Радиус- вектор — это отрезок прямой, соединяющий точку на орбите планеты с Солнцем. Из закона следует, что скорость движения планет по орбитам изменяется: в точке перигелия она наибольшая, так как больше путь, проходимый планетой за единицу времени (дуга Т1 Т2). Вблизи афелия скорость наименьшая, так как путь (дуга Т3 Т4) короче. У Земли скорость вблизи перигелия составляет 30,3 км./с, вблизи афелия — 29,3 км./с.

Третий закон позволяет рассчитать расстояние от планет до Солнца: квадраты периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит. Большая полуось планеты — это полусумма расстояний планеты от Солнца в афелии и перигелии. Зная периоды обращения планет вокруг Солнца, можно вычислить расстояние любой планеты до Солнца.

И. Ньютон сформулировал (1687 г.) закон всемирного тяготения, объясняющий взаимодействия небесных тел.

Два учёных: И. Тициус (1729- 1796) и И. Боде (1747- 1826) установили закономерность, по которой расстояние от Солнца до планеты, выраженное в а.е. (астрономические единицы), можно определить по формуле г = 0,4 + 0,3•2n, где n = 0 для Венеры; n = 1 для Земли; n = 2 для Марса; n = 4 для Юпитера. По этой закономерности получается, что каждая следующая планета — примерно в два раза дальше от Солнца, чем предыдущая.

Все вышеперечисленные законы легли в основу небесной механики, исследующей движение тел Солнечной системы. Изучение физических характеристик космических тел, входящих в Солнечную систему, стало возможным только после изобретения Г. Галилеем телескопа.

Сегодня известно, что в состав Солнечной системы кроме Солнца входит 8 больших планет и их спутники, 5 карликовых планет, астероиды и кометы.

Планеты вращаются вокруг Солнца в строгой последовательности. Некоторое представление об этом даёт нижеприведенная таблица.

По физическим характеристикам планеты разделяются на внутренние или планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и внешние планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Планеты земной группы обладают значительной скоростью орбитального движения. Самая большая скорость у Меркурия — 48 км./с, у Венеры — 35 км./с, у Марса — 24 км./с. Планеты имеют всего три спутника: у Земли — Луна, у Марса — Фобос и Деймос. Есть предположение, что когда-то Меркурий был спутником Венеры, но из-за близкого расстояния к Солнцу был притянут к звезде и теперь обращается вокруг Солнца. 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. Скорость орбитального движения планет-гигантов небольшая и полный оборот вокруг Солнца Нептун, например, совершает аж за 165 лет. Все планеты-гиганты имеют кольца и большое количество спутников, некоторые из которых по размерам соответствуют планетам земной группы.

Все большие планеты движутся вокруг Солнца в одном направлении, против часовой стрелки, если смотреть со стороны северного полюса эклиптики (прямое движение). Их невозмущенные орбиты — эллипсы, с небольшими эксцентриситетами и малыми наклонениями к эклиптике.

Вращение почти всех больших планет, а также Солнца и Луны, вокруг осей происходит в том же направлении, в котором планеты движутся вокруг Солнца (прямое вращение). Исключением являются Уран и Венера, у которых вращение обратное.

Спутники обращаются вокруг планет, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца.

Малые планеты, или астероиды, движутся вокруг Солнца, как и большие планеты, в прямом направлении. Их орбиты имеют в среднем большие эксцентриситеты и большие наклоны, чем орбиты больших планет. Большинство орбит астероидов расположено между орбитами Марса и Юпитера, образую т.н. «главный пояс», однако некоторые из них могут заходить внутрь орбиты Меркурия (Икар) и удаляться до орбиты Сатурна (Гидальго). У некоторых астероидов обнаружено вращение вокруг осей, причем в ряде случаев оно оказывается обратным.

Движение комет отличается большим разнообразием. Невозмущенные орбиты большинства комет — очень сильно вытянутые эллипсы с эксцентриситетами, близкими к 1. В редких случаях, в результате возмущений от планеты, кометы вблизи Солнца движутся по гиперболам (е > 1), но те же возмущения могут возвратить кометы на эллиптические орбиты. У немногих короткопериодических (наблюдавшихся несколько раз) комет орбиты почти круговые. Наклонения орбит комет также разнообразны и часто превышают 90°, т.е. кометы движутся вокруг Солнца как в прямом, так и в обратном направлении.

Движение отдельных метеорных тел очень сложное, но многие из них образуют метеорные потоки, движущиеся по орбитам, подобным орбитам комет. Поэтому многие учёные считают, что метеоры образуются из распавшихся комет.

Находится Солнечная система на периферии Галактики, вне спиральных рукавов (ближайшим к Солнечной системе является главный спиральный рукав галактики). Для Земли это обстоятельство очень благоприятно: она расположена в относительно спокойной части Галактики и в течение миллиардов лет не испытывает влияния космических катаклизмов. Плотность звёзд в окрестностях Солнца невелика и составляет 1 звёзду на 1пк².

Расстояние от Солнечной системы до центра Галактики Млечный Путь составляет 23-28 тыс. св. лет (7-9 тыс. пк). Многие области Галактики удалены от нас на огромные расстояния, вплоть до 25 тыс. пк. Если учесть при этом, что в области Млечного Пути диффузная среда не позволяет наблюдать оптическими методами области дальше 3 килопарсеков (кпк.), то станет очевидным, почему так трудно изучать строение Галактики и мы не можем сразу представить себе ее общего вида.

Солнечная система участвует во вращении Галактики, двигаясь по приблизительно круговой орбите со скоростью около 250 км./с. Период обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики определяется в 180-200 млн. лет.

За все время существования Земля облетела вокруг центра Галактики не больше 20 раз. На Земле 200 млн. лет — продолжительность тектонического цикла. Это очень важный этап в жизни Земли, характеризующийся определенной последовательностью тектонических событий. Цикл начинается погружениями земной коры, накоплением мощных толщ осадков, подводным вулканизмом. Далее усиливается тектоническая деятельность, возникают горы, меняются очертания материков, что, в свою очередь, вызывает изменения климата.

.По сравнению со Вселенной (около 20 млрд. лет) Солнечная система возникла сравнительно недавно — 4,7 млрд. лет назад. Поэтому и суммарный состав вещества, послуживший основой для ее формирования, должен нести следы длительной истории развития Вселенной. Однако нахождение в метеоритах следов распада некоторых из короткоживущих изотопов элементов, например ²⁴⁴Pu, ¹²⁹I и ²⁶Аl, свидетельствует о том, что незадолго перед образованием Солнечной системы произошли взрывы по крайней мере двух сверхновых звезд, причем последний из этих взрывов, обогативший протопланетное вещество изотопами ²⁶Аl и ¹²⁹I, скорее всего послужил непосредственным толчком к началу формирования из межзвездного облака Солнца и его планетной системы.

Согласно современным космогоническим представлениям, заложенным О. Ю. Шмидтом, планеты Солнечной системы, в том числе Земля и Луна, образовались за счет аккреции твердых частиц газопылевого протопланетного облака. Обычно исходная плотность межзвездных облаков недостаточна для гравитационного сжатия и развития в них самопроизвольных процессов звездо- и планетообразования. Однако взрывы сверхновых звезд сопровождаются возникновением в межзвездной среде ударных волн. Если какие волны пересекают газопылевое облако, то на их фронте резко повышаются давление и плотность вещества, в результате чего могут возникнуть сгущения, способные в дальнейшем к сжатию уже за счет самогравитации. Поэтому взрывы сверхновых звезд не только поставляют новое вещество в космическое пространство, но и служат тем механизмом, который в конце концов приводит к формированию новых поколений звезд и окружающих их планетных систем. По- видимому, именно такая ситуация возникла около 4,7 млрд. лет назад в окрестностях протосолнечного газопылевого облака. Получив импульс начального сжатия и вращения, а также пополнившись новым веществом, это облако в дальнейшем стало необратимо сжиматься уже под действием собственных гравитационных полей. По мере сжатия давление и температура в центральной части облака стали быстро повышаться и постепенно в этой зоне сформировался гигантский газовый сгусток — Протосолнце. Однако вначале, до "зажигания" ядерных реакций и выхода Протосолнца на главную последовательность развития звезд, его температура была сравнительно невысокой (не более 900- 1000°С), а излучение происходило главным образом в инфракрасном и красном диапазонах спектра.

Одновременно со сжатием протосолнечного облака под влиянием центробежных и гравитационных сил его периферийные участки постепенно стягивались к экваториальной плоскости вращения, становясь таким образом протопланетным облаком чечевицеобразной формы. Плотность вещества в протопланетном облаке также быстро возрастала, особенно в экваториальной плоскости его вращения, а траектории движения частиц в нем под влиянием все более частых соударений и турбулентного торможения постепенно приближались к круговым кеплеровским орбитам.

Межзвездные облака, как правило, состоят из смеси газов и пылевых частиц микронного размера. Среди газов резко преобладают водород и гелий, но заметную роль играют и такие летучие соединения, как Н₂О, СО, СО₂, СН₄, NH₃, N₂ и некоторые другие газы. Состав пылевых частиц больше всего соответствует смеси сравнительно тугоплавких оксидов металлов и силикатов с самими металлами, их сульфидами и в меньшей степени с гидросиликатами и карбонатами. В космическом пространстве такие пылевые частицы могут расти только путем сорбции из газовой фазы атомов металлов и молекул их оксидов или сульфидов на поверхности самих частиц. Но в связи с исключительно большой разреженностью межзвездного вещества процесс этот развивался крайне медленно.

В начавшем сжиматься протопланетном диске складывалась иная ситуация. С повышением в нем плотности вещества резко возрастала вероятность столкновения частиц и их слипания, в результате чего тогда появились первые, правда, еще очень рыхлые и мелкие (порядка нескольких сантиметров, а потом и метров) комки вещества. Дальнейшее уплотнение роя этих первичных комков способствовало их ускоренному росту с постепенным превращением в более крупные тела — зародыши будущих планет — планетезимали, поперечные размеры которых уже могли достигать многих километров. У наиболее крупных планетезималей размерами до нескольких сотен километров уже стали проявляться собственные заметные гравитационные поля, что еще более увеличивало их эффективные поперечные сечения захвата мелких тел.

Поэтому мелкие тела выпадали на более крупные, увеличивая их еще более, в результате чего крупные планетезимали росли быстрее мелких.

Формирование Солнца (как нормальной желтой звезды не очень больших размеров) из сжимающегося первичного сгустка газов и пыли происходило значительно быстрее, чем формирование планет, — всего за несколько миллионов или за первые десятки миллионов лет. При этом еще до "зажигания" в недрах молодого Солнца ядерных реакций синтеза гелия и перед выходом его на режим главной последовательности развития звезд Солнце должно было пройти через короткую стадию существования звезд типа Т- Тельца, характеризующихся быстрым вращением, сильными магнитными полями и очень высокой интенсивностью излучения звездного ветра. Особенности эволюции молодого Солнца неизбежно должны были влиять на условия аккреции вещества в окружавшем его протопланетном облаке — диске.

Во- первых, за счет исключительно сильного солнечного ветра (высокоэнергетического потока заряженных частиц), характерного для звезд, находящихся на стадии Т- Тельца, из околосолнечного пространства на далекую периферию Солнечной системы должны были быть вынесены все газовые и летучие компоненты исходного протопланетного облака. Связано это было с тем, что ионизирующее влияние солнечного ветра на окружающее вещество протопланетного диска приводило к сильному взаимодействию с ним магнитного поля Солнца. По- видимому, именно в результате такого эффективного "зацепления" быстро вращавшегося молодого Солнца с окружающим его веществом и произошло перераспределение момента количества движения от центрального светила к периферии протопланетного диска, после чего скорость осевого вращения Солнца уменьшилась, тогда как орбитальные скорости вращения вокруг него вещества в протопланетном диске, наоборот, ускорились. Этот же механизм, вероятно, приводил и к заметной сепарации вещества в протопланетном облаке, поскольку все легко ионизирующиеся элементы под влиянием давления силовых линий магнитного поля как бы выметались из околосолнечного пространства на периферию протопланетного диска. Во- вторых, существенное влияние на химическую дифференциацию вещества в протопланетном облаке должен был оказывать и больший прогрев Солнцем центральных областей диска еще на стадии его сжатия и особенно после "зажигания" в Солнце ядерных реакций. По этой причине многие из легко испаряющихся элементов и соединений (например, сера и ее летучие соединения, вода, диоксид углерода и др.) переходили в газообразное состояние, после чего давлением солнечного излучения они удалялись из этих областей на далекую периферию Солнечной системы.

В результате действия данных механизмов в центральных областях протопланетного диска преимущественно конденсировались тугоплавкие элементы и соединения с высокими потенциалами ионизации (тугоплавкие металлы, в том числе Fe и Ni и оксиды А₁₂О₃, CaO, MgO, Ti₂O₃, SiO₂, Cr₂O₃, FeO и др.), тогда как средние концентрации легкоплавких и легко ионизирующихся элементов (Li, Na, К, Rb, Cs, In, Ba, элементы редкоземельной группы, Hg, Pb, Rn и др.) в этой части протопланетного облака оказались существенно заниженными. В несколько меньшей мере вещество планет земной группы оказалось обедненным серой, цинком, оловом и некоторыми другими элементами. Газообразные компоненты Н2, Не и другие благородные газы, Н2О, СО, СО2, СН4, NH3, H2S, SO2 и SO3, HCl, HF были вынесены из внутренних областей протопланетного облака практически полностью и сконцентрировались только на его периферии, где впоследствии сформировались планеты- гиганты с массивными и плотными газовыми оболочками. По- видимому, внутренние области этого диска также были обеднены гидросиликатами и карбонатами, диссоциировавшими под влиянием солнечного излучения с последующей потерей летучих компонентов. В результате еще до начала процесса формирования планет исходный протопланетный газопылевой диск оказался существенно дифференцированным. Этим явлением, вероятно, следует объяснять и явную зависимость плотности планет от их расстояния до Солнца (Меркурий — 5,54 г./см3, Венера — 5,24; Земля вместе с Луной — 5,49; Марс — 3,94; Юпитер — 1,33; Сатурн — 0,67; Уран — 1,3; Нептун — 1,67 г./см3), а также тот факт, что только внешние планеты обладают массивными газовыми оболочками, а их спутники покрыты мощными панцирями водяного льда, серы и другими отвердевшими или сжиженными газами (СО2, СН4, NH3 и др.)

Судя по составу и сравнительно небольшой массе атмосферы и гидросферы Земли, она, как и другие планеты земной группы, формировалась из вещества, почти полностью потерявшего все газовые составляющие. Действительно, в земной атмосфере практически нет тяжелых первичных благородных газов, а земное вещество резко обеднено гидросиликатами, карбонатами, серой, ее соединениями и в меньшей степени — щелочными и другими легкоплавкими металлами.

Расчеты В.С.Сафронова (1969г.), одного из создателей современной теории планетообразования, показывают, что рост Земли продолжался около 100 млн. лет и вначале происходил во все ускоряющемся режиме аккреции, но затем, в связи с исчерпанием запасов твердого вещества в околоземном рое планетезималей протопланетного диска, вновь замедлился. Всего при аккреции Земли выделилось гигантское количество гравитационной энергии — около 23,3•1038 эрг. Этой энергии более чем достаточно не только для расплавления всего земного вещества, но и для его полного испарения при температуре выше 30 000°С. Однако большая часть этой энергии аккреции выделялась в самых приповерхностных частях растущей Протоземли и вновь терялась с ее тепловым излучением. При этом потери тепла естественно оказывались тем большими, чем медленнее происходил рост самой Земли.

Этот важный результат показывает, что Земля в процессе ее роста не только разогревалась от ударов падавших на нее планетезималей, но и успевала остывать, излучая через свою поверхность большую часть тепловой энергии аккреции. В результате за время роста Земли (около 108 лет) температура в ее недрах, по-видимому, повсеместно оставалась ниже температуры плавления первичного вещества Земли. Следовательно, и сама Земля в то время оставалась еще сравнительно холодной недифференцированной планетой, лишенной ядра и земной коры. Об этом же свидетельствуют и прямые геологические данные.

Во- первых, полное отсутствие на Земле магматических пород в интервале возрастов 4,6- 4,0 млрд. лет, что свидетельствует о ее исходно сравнительно холодном состоянии (первые магматические породы земной коры появились только приблизительно через 600- 800 млн. лет после образования самой Земли).

Во- вторых, значения отношений радиогенных изотопов свинца 206РЬ, 207РЬ и 208РЬ к его нерадиогенному (первичному) изотопу 204РЬ в земных породах приблизительно равны 19; 15,7 и 39, тогда как такие же отношения в веществе наиболее древних железных метеоритов (сохранивших первичные отношения изотопов свинца) равны 9,5; 10,4 и 29,5, а в веществе лунной коры — около 250; 130 и 270. Это свидетельствует о том, что молодая Земля не проходила стадию ранней дифференциации и выделения ядра, иначе вместе с железом в ее ядро опустились бы и почти все изотопы первичного свинца, а в мантии и земной коре, как и на Луне, стали бы накапливаться только радиогенные изотопы. В этом случае отношения изотопов свинца оказались бы столь же высокими, как и в лунных породах. Отсюда следует, что у молодой Земли не было плотного железистого ядра. Более того, сами значения изотопных отношений свинца в земных породах свидетельствуют о том, что земное ядро начало выделяться только спустя значительный промежуток времени после образования Земли, а процесс формирования ядра развивался постепенно в течение всей геологической истории нашей планеты.