Солнечная система

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Движение Земли вокруг Солнца

Вращаясь вокруг своей оси, Земля в то же время движется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/сек. При такой большой скорости она совершает полный оборот вокруг Солнца в течение 365 суток 5 часов 48 минут 46 секунд, проходя за это время 937 млн. км. Путь, по которому Земля обращается вокруг Солнца, называют орбитой. Орбита представляет замкнутую кривую, имеющую форму эллипса (овала).

Земная ось наклонена к плоскости орбиты под углом 66°30'. При движении Земля сохраняет угол наклона оси к плоскости орбиты, вследствие чего северное и южное полушария получают одновременно неодинаковое количество света и тепла. От этого происходит смена времен года.

Если бы земная ось не имела наклона, т.е. была бы перпендикулярна к плоскости орбиты, то угол наклона солнечных лучей в течение года в любой точке не менялся бы, день был бы равен ночи повсеместно, каждая параллель получала бы одинаковое количество тепла от Солнца в течение года. Не было бы смены времен года, нагревание Земли солнечными лучами постепенно уменьшалось от экватора к полюсам, в каждой местности в течение года температура оставалась бы неизменной.

Наклон земной оси к плоскости орбиты определяет продолжительность дня и ночи. Долгота дня зависит от широты места. В северном полушарии к северу от Северного полярного круга до полюса продолжительность полярного дня увеличивается до 6 месяцев. К югу от полярного круга по направлению к экватору длина дня уменьшается, а на экваторе составляет в течение круглого года 12 часов.

Зимой наблюдается обратная картина. За полярным кругом увеличивается продолжительность полярной ночи на полюсе до 6 месяцев, к югу от полярного круга ночь укорачивается до 12 часов на экваторе. В южном полушарии за Южным полярным кругом самая продолжительная долгота дня (на полюсе до 6 месяцев).

Итак, благодаря движению Земли вокруг Солнца и неизменному наклону земной оси к плоскости орбиты происходит смена времен года и изменение продолжительности дня и ночи. Только на экваторе в течение круглого года день равен ночи.

21 марта и 23 сентября Солнце находится в зените над экватором. Солнечные лучи в полдень падают отвесно над экватором, к северу и югу угол падения их уменьшается, теневая линия проходит через полюсы, поэтому на всех широтах день равен ночи.

22 июня в полдень Солнце стоит в зените на параллели 23 27 с. ш. Эту параллель называют Северным тропиком. Над поверхностью к северу от 66°33' с. ш. 22 июня Солнце не заходит за горизонт, т.е. день равен 24 часам. Эту параллель называют Северным полярным кругом. Поверхность к югу от 66°33' ю. ш. совсем не освещается Солнцем - там полярная ночь. Эту параллель называют Южным полярным кругом. 22 декабря Солнце в полдень находится в зените над параллелью 23°27' ю. ш., которую называют Южным тропиком. В это время к северу от Северного полярного круга бывает полярная ночь, а к югу от Южного полярного круга - полярный день.

Солнце бывает в зените дважды в год над экватором и по одному разу в год над Северным и Южным тропиками.

2. Звездные системы

Звёздные системы - это любые группировки звёзд, гравитационно - связанных между собой. Звёзды в этих системах, как правило, вращаются вокруг общего центра масс, хотя одновременно участвуют и в других движениях.

Такая связь между звёздами может быть прочной, и тогда звёздные системы принадлежат к числу длительно существующих образований (двойные и кратные звёзды, рассеянные и шаровые звёздные скопления, галактики). Если связь не столь прочна, то речь идёт о «рыхлых» образованиях, которые по астрономическим масштабам относительно быстро распадаются (звёздные цепочки, звёздные ассоциации и их агрегаты, звёздные комплексы, звёздные регионы). Звёзды в этом случае, сделав небольшое число оборотов вокруг общего центра масс (или только часть оборота) разлетаются в разные стороны, словно камни, выпущенные из пращи.

Как правило, звёзды в звёздных системах объединены также единством происхождения: образовались из одного и того же молекулярного облака или из группы взаимосвязанных облаков. Поэтому эти звёзды могут иметь почти одинаковый или сходный возраст, хотя в особенно больших звёздных системах (например, в галактиках) имеются и старые, и молодые звёзды, т.к. звездообразование в разных частях таких систем происходит в разное время. Кроме того, во многих звёздных системах (и особенно в «рыхлых») могут быть звёзды, которые «забрели» в данную систему позднее, случайно. Такие звёзды иногда старше тех систем, в которых они находятся. К подобным объектам принадлежит и наше Солнце, хотя имеются звёзды значительно старше его.

Краткая история изучения звёздных систем

Нашу Галактику, т.е. Млечный Путь, люди знали с глубокой древности, хотя не понимали её звёздную природу. Тем не менее, некоторые мыслители (например, Демокрит) ещё в античные времена догадывались, что Млечный Путь состоит из множества отдельных звёзд, но доказано это было только в 1610 г. Галилеем.

В начале XVII века были описаны первые туманности, в т.ч. Большая Туманность Ориона (Н. Пейреск, 1612) и Туманность Андромеды (С. Мариус), а с начала 18 века последовало лавинообразное накопление сведений о подобных объектах: Эдмунд Галлей знал 6 туманностей (1714), В. Дерхэм - 16 (1733), Н. Лакайль - 42 (1755), Ш. Мессье и П. Мешена - 103 (1783), В. Гершель - 2500 (1818), Дж. Дрейер - 7840 (1888). Тем не менее, в течение трёх веков (XVII-XIX) все туманности считались сравнительно близкими объектами, которые связаны с формированием звёзд и планет [Сурдин, 1999]. Астрономы «выстраивали» их в морфологическую последовательность от аморфных до круглых со «сгустившейся новорожденной звездой» в центре. И планетарные туманности, и спиральные галактики рассматривались в одном ряду [Сурдин, 1999]. Понимание удалённости и звёздной природы (или даже галактической природы) большинства туманностей пришло позднее, и для этого потребовалось сначала изучить Нашу Галактику.

Систематическое изучение Нашей Галактики начато в 1770-х годах Вильямом Гершелем и продолжено в 1834-1838 годах его сыном Джоном. Оно основывалось на подсчёте числа звёзд на одинаковых участках неба по всем направлениям (метод «звёздных черпков»). Существование галактического диска было подтверждено. В 1783 г. Вильям Гершель открыл расхождение звёзд в созвездиях Лиры и Геркулеса, вследствие чего сделал вывод о движении Солнца в этом направлении [Дагаев, 1955]. Что же касается движения всех звёзд вокруг ядра Галактики, то оно было открыто только в 1927 году голландцем Оортом, хотя умозрительно такой вывод можно было сделать уже из работ Гершеля.

Классификация звёздных систем

Звёздные системы можно классифицировать по размеру, устойчивости, структурированности и другим показателям. Выбор классификации зависит от поставленных задач. В данном случае мне удобно системы, состоящие из небольшого числа звёзд (2 - 6), противопоставить всем остальным системам, в которых насчитываются многие десятки, сотни, тысячи, миллионы или миллиарды звёзд.

Системы из такого небольшого числа звёзд называются двойными звёздами (если звёзд две) или кратными звёздами (если их от трёх и примерно до шести). Кратных звёзд из семи и большего числа компаньонов мы пока не знаем, хотя исключить их существование не можем. Принципиальная в нашем положении особенность двойных и кратных звёзд состоит в том, что мы можем изучить и понять движение каждого члена такой системы по отдельности. Мы в этом случае изучаем конкретные звёзды, а не обобщённые параметры звёздной системы. Поэтому двойные и кратные звёзды я, например, подробно (с примерами) рассматриваю в «Конспекте сведений о звёздах», а в данном конспекте только отмечаю ряд общих особенностей этих систем.

Что же касается «многозвёздных» систем, то именно они являются главными «героями» настоящего конспекта и описываются подробно.

Среди них мне удобно различать:

1.внутригалактические объекты (например, звёздные скопления);

2.галактики;

3.надгалактические образования (скопления и сверхскопления галактик).

Таким образом, в основу классификации «многозвёздных» систем кладётся масштаб системы, или, если хотите, её ранг в иерархии структур Вселенной. В качестве «основной» (или «опорной») структуры выбраны галактики. Это относительно стабильные структуры, которые изучены лучше других «многозвёздных» систем. Объём термина «галактика» почти одинаково понимается всеми астрономами (только шаровые скопления, если они расположены вне какой-либо типичной галактики, могут называться или не называться микрогалактиками). Галактики, наряду со звёздами, принадлежат к числу основных структур, которые мы наблюдаем во Вселенной. Крупные галактики видны с грандиозных расстояний, соизмеримых с размерами Наблюдаемой области Вселенной.

Галактики принято подразделять на эллиптические, неправильные и спиральные. Эллиптические галактики видны в форме эллипса, но на самом деле они сферичны. Их яркость закономерно убывает по мере удаления от центра. От внегалактических шаровых скоплений, называемых микрогалактиками, они отличаются большой массой, а также сплюснутостью. Неправильные галактики не имеют какой-либо определённой формы. Их неправильность, или хаотичность, обычно трактуются как результат воздействия соседних звёздных систем, что привело рассогласованности в движении звёзд. Что же касается спиральных галактик, то они обладают центральным утолщением (ядром, балджем), напоминающим эллиптическую галактику, а также тонким диском, который немножко похож на кольца Сатурна. В плоскости этого диска расположены отходящие от ядра рукава, которые спирально отклоняются от радиального направления и представляют собой сгущения газа и звёзд волновой природы. Диск погружён в шарообразное гало - обширное, но разреженное. Неправильные галактики обычно не велики по размеру, а эллиптические и спиральные - могут быть гигантскими. К числу гигантских спиральных галактик принадлежит и Наша Галактика.

Среди надгалактических образований различаются, прежде всего, скопления галактик. По внешнему виду они напоминают галактики, хотя превосходят их по размеру на несколько порядков. Роль «звёзд» в этих гигантских структурах играют галактики. Скопления галактик, в свою очередь, иногда бывают сгруппированы по несколько, и тогда говорят о сверхскоплениях галактик.

3. История планеты Земля

Земля - это третья от Солнца планета Солнечной системы. Она обращается вокруг звезды по эллиптической орбите (очень близкой к круговой) со средней скоростью 29.765 км/с, на среднем расстоянии 149.6 млн. км за период равный 365.24 суток.

Земля имеет спутник - Луну, обращающуюся вокруг Солнца на среднем расстоянии 384400 км. Наклон земной оси к плоскости эклиптике составляет 66033`22``. Период вращения планеты вокруг своей оси 23 ч 56 мин 4,1 сек. Вращение вокруг своей оси вызывает смену дня и ночи, а наклон оси и обращение вокруг Солнца - смену времен года. Форма Земли - геоид, приближенно - трехосный эллипсоид, сфероид. Средний радиус Земли составляет 6371.032 км, экваториальный - 6378.16 км, полярный - 6356.777 км. Площадь поверхности земного шара 510 млн. км, объем - 1.083 * 1012 км, средняя плотность 5518 кг/м. Масса Земли составляет 5976 * 1021 кг.

Земля обладает магнитным и электрическим полями. Гравитационное поле Земли обуславливает её сферическую форму и существование атмосферы. По современным космогоническим представлениям, Земля образовалась примерно 4.7 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газового вещества. В результате дифференциации вещества, Земля, под действием своего гравитационного поля, в условиях разогрева земных недр возникли и развились различные по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам оболочки - геосферы: ядро (в центре), мантия, земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера. В составе Земли преобладает железо (34.6%), кислород (29.5%), кремний (15.2%), магний (12.7%). Земная кора, мантия и внутренняя чаять ядра твердые (внешняя часть ядра считается жидкой). От поверхности Земли к центру возрастают давление, плотность и температура.

Давление в центре планеты 3.6 * 1011 Па, плотность около 12.5 * 103 кг/м, температура колеблется от 50000? С до 60000С.

Большая часть Земли занята Мировым океаном (361.1 млн. км; 70.8%), суша составляет 149.1 млн. км (29.2%), и образует шесть материков и острова. Она поднимается над уровнем мирового океана в среднем на 875 м (наибольшая высота 8848 м - гора Джомолунгма), горы занимают свыше 1/3 поверхности суши. Пустыни покрывают примерно 20% поверхности суши, леса - около 30%, ледники - свыше 10%. Средняя глубина мирового океана около 3800 м (наибольшая глубина 11020 м - Марианский желоб (впадина) в Тихом океане). Объем воды на планете составляет 1370 млн. км, средняя соленость 35 г./л. Атмосфера Земли, общая масса которой 5.15 * 1015 т, состоит из воздуха - смеси в основном азота (78.08%) и кислорода (20.95%), остальное - это водяные пары, углекислый газ, а также инертный и другие газы. Максимальная тем?ература поверхности суши 570-580C (в тропических пустынях Африки и Северной Америки), минимальная - около -900? C (в центральных районах Антарктиды). Образование Земли и начальный этап ее развития относятся к догеологической истории. Абсолютный возраст наиболее древних горных пород составляет свыше 3.5 млрд. лет. Геологическая история Земли делится на два неравных этапа: докембрий, занимающий примерно 5/6 всего геологического летоисчисления (около 3 млрд. лет) и фанерозой, охватывающей последние 570 млн. лет.

Около 3-3.5 млрд. лет назад в результате закономерной эволюции материи на Земле возникла жизнь, началось развитие биосферы. Совокупность всех населяющих ее живых организмов, так называемое живое вещество Земли, оказала значительное влияние на развитие атмосферы, гидросферы и осадочной оболочки. Новый фактор, оказывающий мощное влияние на биосферу - производственная деятельность человека, который появился на Земле менее 3 млн. лет назад. Высокий темп роста населения Земли (275 млн. чел. в 1000 году, 1.6 млрд. чел. в 1900 году и примерно 6.3 млрд. чел. в 1995 году) и усиление влияния человеческого общества на природную среду выдвинули проблемы рационального использования всех природных ресурсов и охраны природы.

Античные и современные исследования Земли

Впервые получить довольно точные размеры нашей планеты получилось древнегреческому математику и астроному Эратосфену в I веке до нашей эры (точность около 1,3%). Эратосфен обнаружил, что в полдень самого длинного дня лета, когда Солнце в небе города Асуана находится в наивысшем положении и его лучи падают вертикально, в Александрии в это же время зенитное расстояние Солнца составляет 1/50 часть окружности. Зная расстояние от Асуана до Александрии, он смог вычислить радиус Земли, который по его подсчетам составил 6290 км. Не менее существенный вклад в астрономию внес мусульманский астроном и математик Бируни, живший в X-XI веке н.э. Несмотря на то, что он пользовался геоцентрической системой, ему получилось довольно точно определить размеры Земли и наклон экватора к эклиптике. Размеры планет им хоть и были определены, но с большой ошибкой; единственный размер, определенный им относительно точно - размер Луны.

космос астрономический звезда

4. Изучение Земли из космоса

Человек впервые оценил роль спутников для контроля над состоянием сельскохозяйственных угодий, лесов и других природных ресурсов Земли лишь спустя несколько лет после наступления космической эры. Начало было положено в 1960 г., когда с помощью метеорологических спутников «Тирос» были получены подобные карте очертания земного шара, лежащего под облаками. Эти ?ервые черно-белые ТВ изображения давали весьма слабое представление о деятельности человека и, тем не менее, это было ?ервым шагом. Вскоре были разработаны новые технические средства, позволившие повысить качество наблюдений. Информация извлекалась из многос?ектральных изображений в видимом и инфракрасном (ИК) областях с?ектра. Первыми спутниками, предназначенными для максимального использования этих возможностей, были аппараты типа «Лэндсат». Например, спутник «Лэндсат-D», четвертый из серии, осуществлял наблюдение Земли с высоты более 640 км с помощью усовершенствованных чувствительных приборов, что позволило потребителям получать значительно более детальную и своевременную информацию. Одной из ??рвых областей применения изображений земной поверхности, была картография. В доспутниковую эпоху карты многих областей, даже в развитых районах мира были составлены неточно. Изображения, полученные с помощью спутника «Лэндсат», позволили скорректировать и обновить некоторые существующие карты США. В середине 70-х годов НАСА, ми???терство сельского хозяйства США приняли решение продемонстрировать возможности спутниковой системы в прогнозировании важнейшей сельскохозяйственной культуры пшеницы. Спутниковые наблюдения, оказавшиеся на редкость точными, в дальнейшем были распространены на другие сельскохозяйственные культуры. Использование информации со спутников выявило ее неоспоримые преимущества при оценке объема строевого леса на обширных территориях любой страны. Стало возможным управлять процессом вырубки леса и при необходимости давать рекомендации по изменению контуров района вырубки с точки зрения наилучшей сохранности леса. Благодаря изображениям со спутников стало также возможным быстро оценивать границы лесных пожаров, особенно «коронообразных», характерных для западных областей Северной Америки, а также районов Приморья и южных районов Восточной Сибири в России.

Огромное значение для человечества в целом имеет возможность наблюдения практически непрерывно за просторами Мирового Океана. Именно над толщами океанской воды зарождаются чудовищной силы ураганы и тайфуны, несущие многочисленные жертвы и разрушения для жителей побережья. Раннее оповещение населения часто имеет решающее значение для спасения жизней десятков тыс. людей. Определение запасов рыбы и других морепродуктов также имеет огромное практическое значение. Океанские течения часто искривляются, меняют курс и размеры. Например, Эль Нино, теплое течение в южном направлении у берегов Эквадора в отдельные годы может распространяться вдоль берегов Перу до 12? ю.ш. Когда это происходит, планктон и рыба гибнут в огромных количествах, нанося непоправимый ущерб рыбным промыслам многих стран, в том числе России. Большие концентрации одноклеточных морских организмов повышают смертность рыбы, возможно из-за содержащихся в них токсинов. Наблюдение со спутников помогает выявить «капризы» таких течений и дать полезную информацию тем, кто в ней нуждается. По некоторым оценкам российских и американских ученых экономия топлива в сочетании с «дополнительным уловом» за счет использования информации со спутников, полученной в инфракрасном диапазоне, дает ежегодную прибыль в 2,44 млн. долл. Использование спутников для целей обзора облегчило задачу прокладывания курса морских судов.

Возникновение жизни на Земле

Возникновению живого вещества на Земле предшествовала довольно длительная и сложная эволюция химического состава атмосферы, в конечном итоге приведшая к образованию ряда органических молекул. Эти молекулы впоследствии послужили как бы «кирпичиками» для образования живого вещества. По современным данным планеты образуются из ?ервичного газово-пылевого облака, химический состав которого аналогичен химическому составу Солнца и звёзд, ?первоначальная их атмосфера состояла в основном из простейших соединений водорода - наиболее распространённого элемента в космосе. Больше всего было молекул водорода, аммиака, воды и метана. Кроме того, ?первичная атмосфера должна была быть богата инертными газами - прежде всего гелием и неоном. В настоящее время благородных газов на Земле мало, так как они в своё время диссипировали (улетучились) в межпланетное пространство, как и многие водородсодержащие соединения. Однако решающую роль в установлении состава земной атмосферы сыграл фотосинтез растений, при котором выделяется кислород. Не исключено, что некоторое, а может быть даже существенное, количество органических веществ было принесено на Землю при падениях метеоритов и, возможно, даже комет. Некоторые метеориты довольно богаты органическими соединениями. Подсчитано, что за 2 млрд. лет метеориты могли принести на Землю от 108 до 1012 тонн таких веществ. Также органические соединения могут в небольших количествах возникать в результате вулканической деятельности, ударов метеоритов, молний, из-за радиоактивного распада некото?ы? элементов. Имеются довольно надёжные геологические данные, указывающие на то, что уже 3.5 млрд. лет назад земная атмосфера была богата кислородом. С другой стороны возраст земной коры оценивается геологами в 4.5 млрд. лет. Жизнь должна была возникнуть на Земле до того, как атмосфера стала богата кислородом, так как заключительный, в основном, является продуктом жизнедеятельности растений. Согласно недавней оценке американского специалиста по планетной астрономии Сагана, жизнь на Земле возникла 4.0-4.4 млрд. лет назад. Механизм усложнения строения органических веществ и появление у них свойств, присущих живому веществу, сегодня ещё недостаточно изучен. Но уже сейчас ясно, что подобные процессы длятся в течение миллиардов лет.

Тринадцать движений Земли

Прежде чем подробно рассмотреть те движения нашей планеты, которые имеют непосредственное отношение к её недрам, представим общую картину очень сложно движущейся Земли. Некоторые из этих движений быстры и заметны, другие, наоборот, почти неощутимо медленны. Их совокупность демонстрирует на примере Земли ту вечную изменчивость, которая свойственна всему мирозданию и является общим свойством материи. Главной силой, определяющей все эти движения, служит гравитация - притяжение Земли другими телами космоса. Трудно поверить, что такое огромное тело, как земной шар, весящий 6000 000000000000000000 тонн, одновременно участвует в самых разнообразных движениях. Однако существование этих движений твёрдо установлено современной наукой.

Два движения Земли известны с давних времён - это вращение вокруг собственной оси и обращение вокруг солнца. Известно немало доказательств вращения Земли. Так, например, если с высокой башни бросить камень, то при падении он расколется к востоку, т.е. в том же направлении, в котором вращается Земля.

Единственный спутник Земли - Луна

Давно минули те времена, когда люди считали, что таинственные силы Луны оказывают влияние на их повседневную жизнь. Но Луна действительно оказывает разнообразное влияние на Землю, которое обусловлено простыми законами физики и, прежде всего динамики. Самая удивительная особенность движения Луны состоит в том, что скорость её вращения вокруг оси совпадает со средней угловой скоростью обращения вокруг Земли. В связи с этим Луна всегда обращена к Земле одним и тем же полушарием. Поскольку Луна - ближайшее небесное тело, её расстояние от Земли известно с наибольшей точностью, до нескольких сантиметров по измерениям при помощи лазеров и лазерных дальномеров. Наименьшее расстояние между центрами Земли и Луны равно 356 410 км. Наибольшее расстояние Луны от Земли достигает 406 700 км, а среднее расстояние составляет 384 401 км. Земная атмосфера искривляет лучи света до такой сте?ени, что всю Луну (или Солнце) можно видеть ещё до восхода или после заката. Дело в том, что преломление лучей света, входящих в атмосферу из безвоздушного пространства, составляет около 0,5, т.е. равно видимому угловому диаметру Луны.

Итак, когда верхний край истинной Луны находится чуть ниже горизонта, вся Луна видна над горизонтом. Из приливных экс?ериментов был получен другой удивительный результат. Оказывается Земля - упругий шар. До проведения этих экспериментов обычно считали, что Земля вязкая, подобно патоке или расплавленному стеклу; при небольших искажениях она должна была бы, вероятно, сохранять их или же медленно возвращаться к своей исходной форме под действием слабых восстанавливающих сил. Экс?ерименты показали, что Земля в целом придаётся приливообразующим силам и сразу же возвращается к ?ервоначальной форме после прекращения их действия. Итак, Земля не только твёрже стали, но и более упругая.

Размещено на Allbest.ru