Строение солнечной системы .
Солнечная система
В центре нашей планетной системы находится звезда - Солнце, в котором сосредоточено 99,866 % всей массы системы . На все 9 планет и десятки их спутников приходится только 0,134 % вещества системы . В тоже время 98 % момента количества движения, т. е. произведения массы на скорость и радиус вращения сосредоточено в планетах . В настоящее время известно более 60 спутников планет , около 100000 астероидов или малых планет и около 1011 комет , а также огромное количество мелких обломков - метеоритов .
Солнце и его параметры .
Солнце - это звезда спектрального класса G2V, довольно распространенного в ГМП. Гранулярная структура фотосферы обусловлена всплыванием более высокотемпературных потоков газа и погружением относительно более холодных. Говоря о хромосфере и фотосфере, нельзя не сказать о явлениях солнечной активности , оказывающих влияние на нашу планету. Локальные , очень сильные магнитные поля , возникающие во внешних оболочках Солнца, препятствуют ионизованной плазме -хорошему проводнику, перемещаться поперек линий магнитной индукции. В подобных участках и возникает темное пятно, т. к. процесс перемешивания плазмы замедляется. Солнечные протуберанцы - это грандиозные выбросы хромосферного вещества , поддерживаемые сильными магнитными полями активных областей Солнца. Хромосферные вспышки , факелы, протуберанцы демонстрируют непрерывную активность Солнца. Выше хромосферы и фотосферы располагается Солнечная корона мощностью 12-13 млн . км ., хорошо наблюдаемая во время полных Солнечных затмений . Вещество, располагающееся внутри Солнца, под давлением внешних слоев, сжимается и
чем глубже, тем сильнее. В этом же направлении увеличивается и температура, и когда она достигает 15 млн . К - происходит идет термоядерная реакция. В ядре сосредоточено более 50 % массы Солнца, хотя радиус ядра всего 25% от радиуса Солнца. Энергия из ядра переносится к внешним сферам Солнца за счет лучистого и конвективного переноса .
В составе Солнца господствует Н, составляющий 73% по массе и Не - 25%. На остальные 2% приходятся более тяжелые элементы, также как Fe, O, C, Ne, N, Si, Mg и S, всего 67 химических элементов. Источник энергии Солнца - ядерный синтез , слияние 4-х ядер Н-протонов , образует одно ядро. В ходе ядерных превращений диаметр Солнца практически не меняется , т. к. тенденция к взрывному расширению уравновешивается гравитационным притяжением составных частей Солнца, стягивающим газы в сферическое тело . Солнце обладает сильным магнитным полем , полярность которого изменяется один раз в 11 лет. Эта периодичность совпадает с 22- летним циклом нарастания и убывания Солнечной активности , когда формируются Солнечные пятна с диаметром в среднем 66000 км. Солнечный ветер, исходящий во все стороны от Солнца, представляет собой поток плазмы - протоны и электроны , с альфа -частицами и ионизированными атомами С, О и других более тяжелых элементов. Скорость Солнечного ветра вблизи Земли достигает 400-500 и даже 1000 км/ сек.
Солнечный ветер распространяется дальше орбиты Сатурна, образуя т.н . гелиосферу , контактирующую уже с межзвездным газом. Выделение энергии Солнцем , как и Т , остается практически неизмененным на протяжении 5,0 млрд.лет, т.е . с момента образования Солнца. Атомного горючего - Н на Солнце должно хватить по расчетам еще на 5 млрд. лет. Когда запасы Н истощатся, гелиевое ядро будет сжиматься , а внешние слои расширяться и Солнце сначала превратится в “ красный гигант ”, а затем - в “ белый карлик ”.
Тепло и свет Солнца оказывают большое влияние на земные процессы: климат,
гидрологический цикл, выветривание , эрозия , существование жизни . Солнце излучает все типы электромагнитных волн, начиная с радиоволн, длиной во многие км и , кончая , гамма -лучами ( рис. 1.5). В атмосферу Земли проникает очень мало заряженных частиц , т.к. магнитное поле бронирует ее , но даже малая часть заряженных частиц способна вызвать возмущения в магнитном поле или Северное сияние . Тонкий озоновый экран задерживает на высотах около 30 км все жесткое ультрафиолетовое излучение, тем самым давая возможность существования жизни.
Существует примерное равновесие между поступающей солнечной энергией на Землю и её рассеиванием с поверхности Земли . Это подтверждается постоянством температуры в земной атмосфере . Радиация, исходящая от Солнца, имеющая длины волн больше 24 микрон чрезвычайно мала. Но зато остальной спектр от 0,17 до 4 микрон, подразделяют на 3 части. Ультрафиолетовая радиация (0,17-0,35 микрон) или химическая радиация , крайне вредна для всего живого. Ее доля в общем балансе не превышает 7%. Световая радиация (0,35-0,75 микрон) составляет уже 46%. Инфракрасная радиация , невидимая для глаз (0,76-4,0 микрона ) в общем балансе равняется 47%.
Активные явления на Солнце вызывают магнитные бури, меняют прохождения радиоволн, изменяют климат и т. д. Подробнее об изменениях солнечной радиации в связи с геологическими процессами будет рассказано в соответствующих главах .
Строение солнечной системы .
Вокруг Солнца вращаются девять планет . Меркурий, Венера, Земля и Марс, ближайшие к Солнцу планеты относятся к внутренним или планетам земной группы. Далее, за поясом астероидов , располагаются планеты внешней группы - гиганты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и маленький Плутон, открытый лишь 1930 г .
Знание о строение планет , особенно земной группы, представляет большой интерес для геологов , т.к . их внутренняя структура довольно близка к нашей планете .
Внутренние планеты.
Меркурий - одна из самых маленьких безатмосферных планет. Поверхность Меркурия покрыта многочисленными ударными
кратерами, с диаметром до 1300 км. Застывший мир поверхности Меркурия, напоминает Лунный. Венера по своим размерам и массе очень близка к Земле , но вращается она в другую сторону, по сравнению с остальными планетами. Венера окутана очень плотной атмосферой, состоящей из углекислого газа , а в верхних слоях на высотах в 50-70 км из серной кислоты . На этих высотах дует постоянный ветер с востока на запад со скоростью до 140 м / сек., уменьшающийся до 1,0 м / сек у поверхности. Давление в атмосфере на поверхности очень велико - 96 кг /см кв.
Такие условия неблагоприятны для существования воды. Наличие плотной атмосферы выравнивает температурные различия дня и ночи. На Венере нет магнитного поля и это говорит о том , что ядро Венеры отличается от земного ядра . Примерно 15% поверхности Венеры занимают тессеры, относительно древние породы. На них накладываются более молодые базальтовые равнины и еще более молодые , чем равнины , громадные базальтовые вулканы . Система Земля - Луна будет рассмотрена ниже.
Марс. Это четвертая по счету от Солнца планета намного меньше Земли , ее радиус составляет 0,53 земных. Сутки длятся на Марсе 24 часа 37 мин ., а плоскость его экватора наклонена по отношению к орбите также как на Земле , что обеспечивает смену климатических сезонов. На Марсе существует весьма разреженная углекислая атмосфера с давлением у поверхности 0,03-0,1 кг / см кв. Такое низкое давление не позволяет существовать воде , которая должна испариться , либо замерзнуть . Температура на Марсе изменчива и на полюсах в полярную ночь достигает -140, а на экваторе до – 90ю Атмосфера Марса содержит белые облака из мелких кристаллов СО2 и Н2О. Ветры на поверхности Марса могут достигать 60 км/час, перенося пыль на большие расстояния . Поверхность Марса подразделяется на базальтовые равнины в северном полушарии, и возвышенности - в южном, где распространены большие ударные кратеры. На Марсе существуют очень крупные вулканы , например, Олимп , высотой до 21 км и в диаметре 600 км. Это самый крупный вулкан на всех планетах Солнечной системы . Олимп принадлежит к вулканическому массиву Фарсида, состоящему из многочисленных базальтовых вулканов щитового типа , слившихся своими основаниями . В этом же массиве есть очень крупные вулканические кальдеры с диаметром до 130 км. Образование этих базальтовых вулканов произошло примерно 100 млн . лет назад и сам факт их существования свидетельствует о большой прочности марсианской литосферы и мощности коры, достигающей 70 км.
В южном полушарии Марса располагается грандиозный каньон Домены Маринер, Представляющий собой глубокий , до 10 км рифт, протянувшийся на 4000 км в широтном направлении. Таких структур на Земле нет. Большой интерес на поверхности Марса представляют явные следы флювиальной деятельности в виде сухих речных русел. Несколько миллиардов лет назад, когда атмосфера Марса не была такой разреженной , шли дожди и снег , существовали реки и озера. Присутствие воды и положительные температуры могли стимулировать возникновение жизни в виде прокариотов, цианобактерий. Недаром ведь в метеорите Мурчисон, найденном недавно в Австралии, имеющим абсолютный возраст в 4,5 млрд.лет, обнаружены следы цианобактерий внеземного ( ! ) происхождения . В наши дни установлен факт падения на Землю метеоритов , представляющих собой осколки Марсианских пород , выбитых сильным ударом метеорита, упавшего на поверхность Марса. Вода на современной поверхности Марса сосредоточена в виде льда но под верхним слоем пород . Марс обладает двумя маленькими спутниками Фобосом (19 х 27 км) и Деймосом (11х 15 км), неправильной формы с кратерированной поверхностью и какими- то рытвинами , хорошо видимыми на Фобосе. Марс прошел длительный путь развития . На поверхности Марса наблюдается 3 или 4 генерации рельефа и , соответственно , пород “ Материки” - это древнейшие породы, образующие возвышенности в 4-6 км, базальтовые “ равнины ” моложе, а на них накладываются вулканические массивы типа Фарсиды и отдельные вулканы . По-видимому, у Марса отсутствует жидкое ядро , т.к. магнитное поле чрезвычайно слабое . Эндогенная активность на Марсе продолжалась на 1 млрд лет дольше, чем на Меркурии и Луне, где она закончилась 3,0 -2,5 млрд лет назад.
Внешние планеты
Располагающиеся за поясом астероидов планеты внешней группы сильно отличаются от планет внутренней группы. Они имеют огромные размеры , мощную атмосферу , газово -жидкие оболочки и небольшое силикатное (? ) ядро. Юпитер по массе равен 317 земным, но обладает малой средней плотностью в 1,33 г /см куб. Его масса в 80 раз меньше той необходимой массы , при которой небесное тело может стать звездой. Внешний вид планеты , хорошо изученный космическими аппаратами “ Вояджер ”, определяется полосчатой системой разновысотных и различно окрашенных облаков. Они образованы конвективными потоками, которые выносят тепло во внешние зоны. Светлые облака располагаются выше других и состоят из белых кристаллов аммиака и находятся над восходящими конвективными струями . Более низкие красно - коричневые облака состоят из кристаллов гидросульфида аммония , обладают более высокой температурой и располагаются над нисходящими конвективными струями . На Юпитере существуют устойчивые ветры , дующие в одном направлении и достигающие скорости в 150 м /сек. В пограничных зонах облачных поясов возникают турбулентные завихрения , как, например, Большое Красное Пятно (БКПЮ ), с длинной осью в 20 000-25 000 км. Полное вращение облаков в пятне осуществляется за 7 дней и его внутренняя структура все время изменяется , сохраняя лишь общую конфигурацию. Сам вихрь непрерывно дрейфует как целое в западном направлении со скоростью 3-4 м /сек и совершает полный оборот за 10-15 лет. Сейчас усиленно разрабатывается идея о том , что вихрь БКПЮ представляет собой физическое явление, называемое “ солитоном ” - уединенной волной - нерасплывающийся нелинейный волновой пакет. Атмосфера Юпитера достигает 1000 км, а под ней могут находиться оболочки из жидкого молекулярного водорода , а еще ниже - металлического водорода . В центре планеты располагается силикатное ( каменное? ) ядро небольших размеров . Магнитное поле Юпитера в 10 раз превышает по напряженности магнитное поле Земли , а, кроме того , Юпитер окружен мощными радиационными поясами . Возможно, мощное магнитное поле обусловлено быстрым вращением планеты ( 9 час. 55 мин .).
У Юпитера существует небольшое кольцо и 16 спутников , из которых 4 крупных , так называемых Галилеевых, открытых еще в 1610 г . Галилео Галилеем - Ио, Европа, Ганимед , Каллисто. Ближайший спутник к Юпитеру это Ио, по размерам , массе и плотности похожий на Луну. Особенностью Ио являются извержения многочисленных вулканов , изливающих яркие - красные , желтые, оранжевые потоки серы и белые потоки серного ангидрида. Со спутников зафиксированы извержения из кратеров конусовидных вулканов . Приливные возмущения со стороны Юпитера приводят к разогреву недр Ио.
Европа близкая по своим параметрам Луне, покрыта льдом воды, мощностью до 100 км, в котором видны протяженные трещины ( рис. 1.8). Судя по тому, что на поверхности Европы почти нет ударных кратеров , она очень молодая. Ганимед , самый крупный из галилеевых спутников ( он больше, чем планета
Меркурий), обладает плотностью 1,94 г /см куб. и сложен смесью льда воды и силикатов. Каллисто по своим размерам и плотности похож на Ганимед и также сложен льдом воды и силикатами. Однако, на участках темного цвета на поверхности Каллисто много ударных кратеров , что говорит в пользу древнего возраста этих участков . Кольцевая структура Вальхалла имеет диаметр в 300 км. Не исключено , что это след от удара крупного космического тела . Все остальные небольшие спутники Юпитера обладают неправильной , угловатой формой, а их размеры колеблются в поперечнике от 16 до 260 км.
Сатурн занимает второе место по размерам среди планет -гигантов , однако его плотность очень мала - 0,69 г /см куб. Облачный покров Сатурна похож на таковой у Юпитера не только по составу - частицы льда воды, льда аммиака и гидросульфида аммония , но и по своей структуре, образуя разновысотные пояса и вихри . Сатурн в большей степени газовая планета, чем Юпитер. Атмосфера Сатурна состоит, в основном, из Н и Не и обладает мощностью в несколько тысяч км. Ниже, как и на Юпитере, располагается оболочка жидкого молекулярного водорода , мощностью 37000 км, и металлического водорода , 8000 км. Силикатное ( каменное) ядро Сатурна, радиусом в 10000 км, окружено слоем льда до 5000 км.
Наиболее известным элементом планеты Сатурн являются его знаменитые кольца , образующие целую систему, находящуюся в плоскости экватора планеты . Диаметр колец составляет 270 тысяч км, а мощность всего 100 м ! Множество колец представляют собой мельчайшие кусочки льда воды, размером от см до нескольких метров . Каждое из колец имеет сложную структуру чередования темных и светлых полос, вложенных друг в друга. После изучения снимков с космических аппаратов, пролетевших вблизи колец Сатурна в сентябре 1979 г . и ноябре 1980 г ., была выдвинута гипотеза , предполагающая, что в каждой светлой линии кольца находится один из мелких спутников Сатурна, с поверхности которого непрерывно испаряются частицы , наподобие “ дыма”. Этот шлейф составляет темную часть колец. Таких мелких тел может насчитываться больше 1000, столько колец удалось различить на снимках . Кольца Сатурна хорошо отражают радиосигналы, что позволяет предполагать ферромагнитные частицы в “ дыму” колец. У Сатурна насчитывается 17 спутников , из которых Титан самый большой . Средние по размерам от 420 до 1528 км спутники обладают шарообразной формой, а малые спутники имеют неправильную, угловатую форму и размеры от 20 до 360 км. Титан покрыт атмосферой из азота, метана и этана с давлением у поверхности планеты в 1,6 кг /см кв., поэтому о ее строении ничего не известно . Ввиду низких температур , до -180 гр. С, метан может существовать в жидкой и твердой ( лед метана и этана ) форме . Предполагается , что под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца в верхних слоях атмосферы Титана из углеводородов могут образовываться сложные органические молекулы, которые опускаясь, достигают его поверхностим. Уран превосходит по своим размерам Землю в 4 раза и в 14,5 раз по массе. Это третья планета - гигант , вращается в сторону противоположной той , в которую вращаются большинство остальных планет . Мало этого, ось вращения Урана расположена почти в плоскости орбиты, так что Уран “ лежит на боку ” и вращается не “ в ту сторону”. Уран меньше Юпитера, но плотность, в среднем , у него близка к плотности Юпитера, что заставляет сомневаться в существовании оболочки из металлического водорода , т. к. давление слишком мало. В атмосфере Урана. как и на других планетах - гигантах , преобладают водород и гелий , но также присутствуют частицы льда метана . Уран окружен системой тонких колец, между которыми расстояние гораздо больше, чем у колец Сатурна. Из 15 спутников Урана 5 средних по размеру и 10 малых , обладающих угловатой формой и похожие на спутники Марса и малые спутники Юпитера и Сатурна. Нептун - самая маленькая из планет - гигантов , обладает , тем не менее, самой большой среди них плотностью, что обусловлено существованием силикатного ядра , окруженного оболочками из жидкого водорода , льда воды и мощной водородно -гелиевой атмосферой с облачным покровом, состоящим также из частиц льда воды, льда аммиака , льда метана и гидросульфида аммония . В атмосфере Нептуна, как и на Юпитере, просматриваются крупные вихревые структуры , изменчивые во времени . У Нептуна существует система колец, имеющих в разных участках различную мощность. 8 спутников Нептуна с одним крупным - Тритоном и 7-ю малыми, на поверхности которых имеются следы водо -ледяного вулканизма . И, наконец, Плутон, девятая планета, считая от Солнца, сильно отличается от планет -гигантов и, наверное , им не принадлежит . У Плутона очень вытянутая эллипсовидная орбита , пересекающая орбиту Нептуна при вращении Плутона вокруг Солнца. Разреженная атмосфера Плутона окружает ледяную поверхность планеты , состоящей из льдов азота, метана и моноокиси углерода , благодаря холоду - – 240 гр. С, господствующему на этой , самой дальней планете.
Крупный спутник Харон ( диаметр 1172 км ), состоит из смеси льда и силикатов с плотностью 1,8 г /см куб. и в своем вращении вокруг Плутона на расстоянии 19405 км всегда обращен к планете одной и той же стороной . В настоящее время считается, что Плутон с Хароном могут принадлежать т.н . поясу Койпера, расположенного в интервале 35-50 А.Е . прямо за орбитой Нептуна. В этом поясе находятся много мел размером от сотен км от 1 км до сотен км.