Научные гипотезы о будущем Земли, Солнца, Луны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ)

Институт фундаментального образования

РЕФЕРАТ

по теме: «Научные гипотезы о будущем Земли, Солнца, Луны»

Студент: Силкин А.И.

Группа: ФО-390007

Преподаватель: Сидорова Л. П.

Екатеринбург

2021

Оглавление

Будущее Земли

Планетарный магнитный переворот

Возникновение новых материков

Влияние Солнца на будущее Земли

Будущее Солнца

Эволюция солнца в течение следующих 7 млрд лет

Красный гигант

Планетарная туманность и белый карлик

Будущее Луны

Библиографический список

Будущее Земли

Земля - наш дом, наше убежище перед космической бесконечностью. Но всегда ли она будет приемлемой для существования? Как и в прошлом, Земля остается беспрерывно меняющейся системой. Ученые всего мира выдвигают научные гипотезы о будущем нашей планеты. Ведущие умы человечества утверждают, что Землю ожидает череда потеплений и похолоданий. Ледниковые периоды вернутся, так же как периоды экстремальных потеплений. Глобальные тектонические процессы продолжат двигать континенты, смыкать и размыкать океаны. Извержение сверхмощного вулкана может снова нанести жестокий удар по жизни. То есть будущее Земли зависит от целого ряда факторов, разберем несколько возможных вариантов событий.

Планетарный магнитный переворот

За время существования нашей планеты Северный и Южный магнитные полюса менялись местами сотни раз. Данное явление называется инверсией полюсов. Ученым не удалось обнаружить периодичности в этом процессе - за длительными периодами стабильности могут следовать несколько инверсий с разной продолжительностью. За все время существования на Земле разумной жизни инверсий магнитного поля не случалось. Последний раз Северный и Южный полюс менялись местами около 780 тыс. лет назад.

Возникновение и доказательство теории инверсии полюсов

Магнитными свойствами Земли люди пользовались с древних времен, с тех пор как в Китае был изобретен компас. Представление о том, что вся наша планета представляет собой магнит, сформировалось к концу XVI века. Рубежом можно считать 1600 год, когда появился труд английского ученого Уильяма Гильберта «О магните, магнитных телах и большом магните - Земле». Но Гильберт считал, что магнитные полюса Земли (то есть, в современном понимании, места, где линии магнитного поля перпендикулярны земной поверхности) совпадают с географическими полюсами.

Позднее люди заметили, что точки, куда указывают стрелки компаса, не совпадают с северным и южным географическими полюсами. В 1831 году экспедиция британского полярного исследователя Джеймса Кларка Росса нашла Северный магнитный полюс на мысе Аделаида, что на полуострове Бутия в канадской Арктике. Далее был найден и Южный полюс. Таким образом, к началу XX века все казалось твердо установленным: магнитные полюса пусть и не совпадали с географическими, но отстояли от них на сравнительно небольшое расстояние.

Рис. 1. Географические и магнитные полюса Земли

Однако в 1903 году обнаружился первый сюрприз. Амундсен, путешествовавший по Арктике, обнаружил, что Северный магнитный полюс переместился с места, где он был найден Россом. Так было открыто движение магнитных полюсов. Со временем и Северный и Южный магнитный полюса довольно сильно отдалились от места их первоначального обнаружения.

В 1905 году последовал второй сюрприз. Французский физик Бернар Брюнес исследовал вулканические породы горного массива Канталь на юге Франции возрастом около 750 тысяч лет назад и обнаружил, что вектор их магнитного поля направлен в противоположном направлении по сравнению с современным магнитным полем Земли. Брюнес предположил, что в момент образования горной породы направление магнитного поля Земли было иным. Так впервые была замечена инверсия магнитного поля в прошлом. Сначала эта гипотеза казалась невероятной, но постепенно геофизики находили все больше подтверждений того, что магнитные полюса Земли ранее менялись местами. Такие результаты ученые смогли получить благодаря способности горных пород хранить данные о древнем магнитном поле Земли. Во второй половине XX века данная особенность пород позволила создать особый раздел геологии - палеомагнитологию. Ученые убедились, что данные о направлении магнитного поля в одни и те же эпохи совпадают в породах из разных мест земного шара.

Природа явления

Рис.2. Строение Земли

А почему вообще инверсии происходили? Ответ следует искать в природе магнитного поля Земли. Оно возникает благодаря наличию у планетарного ядра жидкой части. Раскаленная жидкость внутри Земли совершает движения. У этих движений две причины. Поскольку на границе мантии с жидким ядром температура равна около 3800 кельвинов, а на границы жидкой и твердой частей ядра - целых 6000 кельвинов, такая разница температур вызывает конвекцию. Более горячие потоки поднимаются к мантии, потом остывают и направляют к твердому ядру.

Вторая причина - сила Кориолиса, смещающая жидкость благодаря вращению Земли. Поскольку жидкость представляет собой электропроводящие расплавы железа, ее движение порождает электромагнитное поле. Движение заряженных частиц в магнитном поле поддерживается возникающей там силой Лоренца. Но если общий принцип возникновения магнитного поля Земли понятен, то многие детали его ученым неясны. Видимо, периодически сменяющие друг друга периоды прямой и обратной магнитной полярности связаны с тем, что сложная система потоков проводящей жидкости в ядре колеблется между двумя устойчивыми состояниями, которые иногда сменяют друг друга.

Последствия инверсии полюсов

Магнитное поле Земли является неким щитом, заслоняющим нашу планету от потока ионизированных частиц, излучаемых Солнцем. Во время инверсии полюсов магнитосфера многократно ослабевает и планета становится практически беззащитна перед воздействием космических лучей, гамма-всплесков и солнечного ветра. Существует теория, что динозавры вымерли именно во время очередной инверсии, а не из-за падения астероида.

В настоящее время ученые обеспокоены значительным увеличением скорости смещения полюсов. Если в старых учебниках можно прочитать, что магнитные полюса смещаются примерно на десять километров в год, то в 1980-х годах обнаружили, что они значительно ускорились. К 1990-м годам Северный магнитный полюс стал проходить в год по 15 километров, а в 2000-е он разогнался до 50 и более километров за год. Если так пойдет дальше, скоро он переместится в Россию, на Таймыр.

Второе явление, которое часто приводят в качестве свидетельства скорой инверсии магнитных полюсов - общее ослабление магнитного поля Земли. Его напряженность сейчас падает примерно на пять процентов за столетие, что также может свидетельствовать о скорой инверсии.

Следует помнить и о том, что инверсия не происходит за часы, дни или годы. Она длится тысячи лет, пока магнитные полюса не займут своего нового положения. Все это время напряженность магнитного поля планеты снижена, а вместо двух главных полюсов, возникает несколько временных, в разных точках. Хотя этот период несет угрозу, так как ослабевает магнитная защита Земли от солнечной радиации, его постепенность даст людям время принять меры для защиты как человечества, так и современной техники от электромагнитного излучения.

Возникновение новых материков

Впервые идея о движении блоков коры была высказана в теории дрейфа континентов, предложенной Альфредом Вегенером в 1920-х годах, но теория была первоначально отвергнута. Возрождение идеи о движениях в твердой оболочке Земли произошло в 1960-х годах, когда в результате исследований рельефа и геологии океанического дна были получены данные, свидетельствующие о процессах расширения океанической коры и пододвигания одних частей коры под другие. Оказалось, что горизонтальное движение плит происходит за счёт мантийных теплогравитационных течений - конвекции. Скорость дрейфа литосферных плит не превышает нескольких сантиметров в год, но в масштабах миллионов и сотен миллионов лет такое движение заметно. После изучения данного явления были выдвинуты теории расположения материков в прошлом и гипотезы их расположения в будущем.

Континенты будущего

Считается, что Земля много раз проходила через циклы «суперконтинентов» с периодом 400-500 млн лет. Древним суперконтинентам даже присвоены названия: Родиния (около 1 млрд лет назад), Панотия (около 600 млн лет назад) и Пангея (около 250 млн лет назад). Так, Африка продолжает двигаться на север, к Европе, и в будущем Средиземное море превратится в огромное озеро. А Евразия расколется на две части по Байкалу, который представляет собой «зародыш» этого разделения.

Но эти изменения в большинстве своем локальные, что же глобально будет происходить с Землей через, допустим, 200 миллионов лет? Недавно ученые смогли смоделировать внешний вид нашей планеты из «глубокого будущего». Они получили два сценария, которые достаточно сильно различаются, но сходятся в одном: на Земле снова образуются суперконтиненты.

Если мы обратимся к первому сценарию, то примерно через 250 миллионов лет мы увидим один действительно огромный суперконтинент, который будет расположен около экватора и простираться в Северное и Южное полушария.

Если следовать второму сценарию, то примерно через 200 миллионов лет в будущем почти все континенты войдут в Северное полушарие, а Антарктида останется совсем одна в Южном полушарии.

Для обоих сценариев исследователи рассчитали глобальный климат на планете, основываясь на топографии суперконтинентов. Они были удивлены, обнаружив, что, когда континенты оказываются сдвинуты вместе на север, образуя там гористую местность, глобальные температуры оказываются значительно ниже, чем в других моделях. Такой результат может означать приход глобального ледникового периода, не похожего ни на какую другую эпоху в прошлом Земли, который продлится не менее 100 миллионов лет.

Рис.3. континенты собираются у экватора

Рис.4. континенты собираются у Северного полюса

Влияние Солнца на будущее Земли

Солнце -- источник жизни на Земле, но именно оно может убить человечество. Супервспышки способны вывести из строя спутники и наземную электронику, погрузив планету в хаос глобального блэкаута. Также наша звезда может серьезно повлиять на климат -- например, спровоцировать новый ледниковый период. Разберем угрозы космической погоды.

Воздействие солнечных вспышек

Солнечная вспышка -- это колоссальный по мощности взрыв, при котором выделяется энергия, равная употреблению энергии человечеством за 10 млн лет. Такая энергия выделяется за 10 секунд, и, несмотря на отдаленность Земли от Солнца в 150 млн км, последствия такого взрыва не проходят бесследно для нашей планеты. Так, 1 сентября 1859 года английский астроном Ричард Кэррингтон заметил, что от Солнца отделились два ослепительных шара, которые быстро росли. Мощная вспышка привела к выбросу огромного облака плазмы. Она врезалась в магнитосферу Земли и спровоцировала мощнейшую магнитную бурю в истории. Ночь над Америкой и Европой стала днем. Было светло от всполоха северного сияния. Казалось, что города охвачены пламенем. Пропадало электричество, вышел из строя телеграф. Из аппаратов сыпались искры, поджигая бумагу. Многие люди подумали, что наступил конец света.

Рис.5. Солнечные вспышки

Геомагнитные бури грозят человечеству серьезными неприятностями. Так называемые солнечные штормы случаются, когда Земля оказывается на пути облака плазмы. К моменту подхода к нашей планете оно имеет огромное размеры: до миллиона километров в диаметре. Но самое главное, что эта плазма обладает собственным магнитным полем, и это магнитное поле начинает взаимодействовать с магнитным полем Земли, вызывая его колебания. Такие колебания способны наводить токи в электрических системах, в разного рода проводах и в том числе в организме человека, где тоже есть проводящие системы: кровеносная, нервная. Во время магнитной бури происходят изменения в окружающей среде: в частности, меняется атмосферное давление, что сказывается на состоянии здоровья людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями (доказано, что во время больших магнитных бурь в два раза увеличивается количество инфарктов и инсультов).

Изменение активности Солнца. Изменения активности Солнца влияют на климат Земли. Существуют научные теории, которые прослеживают связь между супервспышками и массовыми вымираниями видов. Одной из возможных причин вымирания динозавров может быть супервспышка на Солнце, энергия и масштабы которой позволили солнечному излучению проникнуть до поверхности Земли и существенно повредить, уничтожить биосферу. Существует две основные диаметрально противоположные теории на тему будущего Земли, в зависимости от изменения активности Солнца:

Ледниковый период

Ученые отмечают, что ледниковые периоды совпадали с понижением солнечной активности. Есть мнение, что в будущем светило может попросту нас заморозить --его активность снизится, и наступит новый ледниковый период. Ученые считают, что подобное похолодание должно повториться в будущем. Правда, назвать точный год или хотя бы век, когда стартует новый малый ледниковый период, они пока не могут.

Рис.6. Ледниковый период на Земле

Глобальное потепление. По одной из самых пессимистичных гипотез Солнце в итоге уничтожит жизнь на Земле, подогрев ее. Незаметно для нас огромный космический термоядерный реактор разогревается -- этот процесс растянут на миллиарды лет. Разогрев Солнца постепенно будет приводить к тому, что за каждые примерно 100 млн лет температура на Земле будет повышаться примерно на 1 градус. То есть через миллиард лет уже условия будут некомфортные для жизни. Это и повышение средней температуры на 10 градусов, и испарение воды -- испаряясь, она еще больше нагреет Землю.

Рис.7. Глобальное потепление

Земля - вторая Венера. Некоторые ученые предсказывают нашей планете судьбу Венеры -- не случайно ее называют сестрой Земли. Согласно гипотезам, на ней тоже были океаны. Но так как ее орбита лежит ближе к Солнцу, Венеру быстро захлестнул парниковый эффект: на месте океанов он оставил пустыню, покрытую облаками серной кислоты, и атмосферу, состоящую почти полностью из углекислого газа. Имея огромное количество водяного пара в атмосфере, планета превратилась в огромный парник, который еще больше повышал температуру. Значительное внутреннее тепло планеты продолжало производить магму, которая выливалась потоками лавы. В похожей ситуации в будущем, вероятно, окажется и Земля.

Рис.8. Предположительный вид Венеры в прошлом

Будущее Солнца

будущее земля солнце луна

По мимо внутренних планетарных явлений, Земля испытывает влияние других небесных тел, самое выраженное из которых - влияние Солнца. Для предсказания будущего нашей планеты необходимо рассмотреть и эволюцию самой близкой к нам звезды.

Солнце относят к средним или даже малым по величине, ничем не выдающимся небесным телам. Вместе с тем Солнце - большой и массивный плазменный шар, являющийся динамическим центром солнечной системы и источником света и тепла в ней. На данный момент ее возраст составляет примерно 4,6 млрд лет. Эта звезда не прожила еще и половины срока, отведенного ей природой, - от рождения до смерти. Однако она уже израсходовала почти половину водорода, который в ядре светила превращается в гелий, высвобождая гигантскую энергию. Солнце - главный источник энергии, его влияние на Землю сложно переоценить. Рассмотрим процессы, которые будут происходить с нашим светилом в будущем.

Эволюция солнца в течение следующих 7 млрд лет

По мере того, как Солнце постепенно расходует запасы своего водородного горючего, оно становится всё горячее, а его светимость медленно, но неуклонно увеличивается.

Солнцу 5,6 млрд лет

Через 1,1 млрд лет наше дневное светило будет ярче на 11 %, чем сейчас. Уже в этот период, ещё до стадии красного гиганта, возможно исчезновение или кардинальное изменение жизни на Земле из-за повышения температуры поверхности планеты, вызванного увеличением яркости Солнца и парникового эффекта, индуцированного парами воды. К этому моменту Солнце достигнет максимальной поверхностной температуры (5800 К) за всё своё время эволюции в прошлом и будущем вплоть до фазы белого карлика. Несмотря на прекращение жизни в её современном понимании, жизнь на планете может остаться в глубинах морей и океанов.

Солнцу 8 млрд лет

Через 3,5 млрд лет яркость Солнца возрастёт на 40 %. К тому времени условия на Земле, возможно, будут подобны нынешним условиям на Венере: вода с поверхности планеты исчезнет полностью и улетучится в космос. Скорее всего, это приведёт к окончательному уничтожению всех наземных форм жизни. По мере того, как водородное топливо в солнечном ядре будет выгорать, его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро -- сжиматься и нагреваться.

Солнцу 10,9 млрд лет

Через 6,4 млрд лет водород в ядре кончится, а образовавшийся из него гелий станет сжиматься и уплотняться ввиду прекращения потока энергии из центра. Горение водорода будет продолжаться в тонком внешнем слое ядра. На этой стадии радиус Солнца достигнет 1,59 R?, а светимость будет в 2,21 раза больше современной.

Солнцу 11,6 млрд лет

В течение следующих 0,7 млрд лет Солнце будет относительно быстро расширяться (до 2,3 R?), сохраняя почти постоянную светимость, а его температура упадёт до 4900 K. В конце этой фазы, достигнув возраста 11,6 млрд лет (через 7 млрд лет от настоящего времени) Солнце станет субгигантом.

Солнцу 12,2 млрд лет

Приблизительно через 7,6--7,8 миллиарда лет, к возрасту 12,2 млрд лет, ядро Солнца разогреется настолько, что запустит процесс горения водорода в окружающей его оболочке. Такой процесс повлечёт за собой бурное расширение внешних оболочек светила.

Рис.9. Жизненный цикл Солнца

Красный гигант

Расширение внешних оболочек светила приведет к тому, что Солнце покинет главную последовательность, на которой оно находилось почти с момента своего рождения, и станет красным гигантом, перейдя на вершину ветви красных гигантов диаграммы Герцшпрунга -- Рассела. В этой фазе радиус Солнца увеличится в 256 раз по сравнению с современным. Расширение звезды приведёт к сильному увеличению её светимости (в 2700 раз) и охлаждению поверхности до 2650 К. Расширяющиеся внешние слои Солнца в это время достигнут современной орбиты Земли. Данная фаза существования Солнца продлится около 10 миллионов лет.

Рис.10. Диаграмма Герцшпрунга - Рассела

Планетарная туманность и белый карлик

Масса Солнца недостаточна для того, чтобы его эволюция завершилась взрывом. После того как Солнце пройдёт фазу красного гиганта, термические пульсации приведут к тому, что его внешняя оболочка будет сорвана, и из неё образуется планетарная туманность. В центре этой туманности останется сформированный из ядра Солнца белый карлик, очень горячий и плотный объект, по размерам сопоставимый с планетой Земля. Изначально этот белый карлик будет иметь температуру поверхности 120 000 К и светимость 3500 солнечных, но в течение многих миллионов и миллиардов лет будет остывать и угасать. Данный жизненный цикл считается типичным для звёзд малой и средней массы.

Будущее Луны

Нельзя обойти стороной и самый близкий к нам небесный объект - Луну. Именно она может стать первым шагом в освоении новых планет, но для этого нужно хорошо понимать, какое будущее может ожидать наш единственный естественный спутник.

Американские ученые, изучившие новые фотографии поверхности Луны, пришли к выводу, что этот спутник Земли постепенно уменьшается в размерах. Это открытие было сделано во время изучения сделанных из космоса снимков Луны: специалисты обратили внимание на многочисленные трещины, образовавшиеся на поверхности спутника. По словам исследователей, подобные трещины были замечены и ранее, но теперь стало ясно, что их количество постоянно увеличивается.

Ученые убеждены, что эти трещины свидетельствуют об уменьшении Луны. Предположительно, это происходит из-за остывания мантии и ядра единственного естественного спутника нашей планеты.

Вместе с тем эксперты подчеркивают, что любители астрономии вряд ли в обозримом будущем смогут наблюдать последствия такого сжатия, так как речь идет об очень медленном процессе: согласно проведенным подсчетам, за последний миллиард лет диаметр Луны уменьшился лишь на 100 метров.

Рис.11. Трещины на Луне

Библиографический список

Климатический саммит: что ждёт Землю в будущем? [Электронный ресурс]// URL: https://ru.euronews.com/2015/12/04/cop21-what-s-the-future-of-planet-earth

Русский взгляд на геологическую историю и будущее планеты Земля [Электронный ресурс]// URL: https://www.ng.ru/nauka/2020-06-23/15_7892_oceans.html

Климатический саммит: что ждёт Землю в будущем? [Электронный ресурс]// URL: https://scfh.ru/papers/venera-vozmozhnoe-budushchee-zemli

4. Как и когда исчезнет жизнь на Земле [Электронный ресурс]// URL: https://www.bbc.com/ukrainian/vert-earth-russian-53879615

Смена полюсов Земли [Электронный ресурс]// URL: https://rg.ru/2012/12/14/apocalypse-8polyus-site.html

Солнце -- космический убийца Земли [Электронный ресурс]// URL: https://naukatv.ru/articles/823

Как будет выглядеть Земля в будущем? У ученых есть ответ [Электронный ресурс]// URL: https://www.iguides.ru/main/other/kak_budet_vyglyadet_zemlya_v_budushchem_u_uchenykh_est_otvet_/

Будущее Солнца [Электронный ресурс]// URL: https://scientifically.info/publ/sun

Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени [Электронный ресурс]// URL: https://www.iprbookshop.ru/82591.html

Размещено на Allbest.ru