Teorie powstania Układu Słonecznego. Edukacja planet i układów planetarnych Edukacja planet w skrócie

Jak powstały planety Układu Słonecznego? Według wiodącej teorii, zwanej „hipotezą protoplanetarną”, małe obiekty kosmiczne zderzały się ze sobą, powodując ich połączenie. W ten sposób powstały duże planety, w tym gazowe giganty, takie jak Jowisz. Ale jak, powiedz mi, to się stało?! Rozwiążmy to.

Narodziny Słońca

Jeśli wierzyć tej teorii, około 4,6 miliarda lat temu, w miejscu dzisiejszego Układu Słonecznego nie było nic poza swobodnymi nagromadzeniami gazu i pyłu. To są znane nam mgławice. Jednym z przykładów jest Mgławica Oriona, którą można zobaczyć na nocnym niebie.

Następnie, jak twierdzą naukowcy, wydarzyło się coś, co spowodowało zmianę ciśnienia w centrum chmury. Być może przyczyną była pobliska eksplozja supernowej lub zmiana grawitacji przechodzącej gwiazdy. Według NASA tak czy inaczej chmura „rozpadła się” i z materii utworzył się dysk.

Ciśnienie w środku dysku wzrosło tak bardzo, że atomy wodoru, które wcześniej swobodnie poruszały się w chmurze, zaczęły się ze sobą stykać. Ostatecznie ta interakcja doprowadziła do ich stopienia i powstania helu. To właśnie doprowadziło do powstania Słońca.

Słońce było jak głodne dziecko i pochłaniało aż 99% tego, co go otaczało. Jednakże nadal pozostawał 1% materii. To tutaj rozpoczął się proces powstawania planet.

Czas chaosu

W tym czasie Układ Słoneczny był, jak mówią, w chaosie. Ale planety powstały stosunkowo szybko. Gaz i małe cząsteczki pyłu zaczęły gromadzić się w grudki. Młode Słońce wypchnęło większość gazu do zewnętrznych części Układu Słonecznego. Emanujące z niego ciepło wystarczyło, aby odparować znajdujący się w pobliżu lód. Z biegiem czasu powstały planety: ciała skaliste zbliżyły się do Słońca, a gazowe olbrzymy oddaliły się od niego.

Jednakże około cztery miliardy lat temu, w przypadku, który naukowcy nazywają „późnym ciężkim bombardowaniem”, małe ciała zderzyły się z dużymi obiektami w Układzie Słonecznym. Według teorii Ziemia została prawie zniszczona po zderzeniu się z nią obiektu wielkości Marsa.

Przyczyny tego „bombardowania” wciąż pozostają tajemnicą, jednak według niektórych naukowców wynika to z faktu, że gazowe olbrzymy poruszające się wokół małych ciał na obrzeżach Układu Słonecznego „zakłócały” je. Bez względu na powód, mówiąc w prostym języku, połączenie protoplanet ostatecznie doprowadziło do powstania planet.

Procesów powstawania planet w Układzie Słonecznym nie można uznać za całkowicie zakończone. Pomiędzy Marsem a Jowiszem znajduje się pas asteroid, które mogłyby połączyć się w planety, gdyby grawitacja Jowisza nie była tak silna. Ponadto istnieje wiele komet i asteroid, które czasami nazywane są „cegiełkami” naszego Układu Słonecznego.

Co mamy dzisiaj

Jednym z największych problemów związanych z tą teorią jest brak zapisów dotyczących wczesnej historii Układu Słonecznego.

Astronomowie znaleźli jednak dwa sposoby obejścia tego problemu. Pierwszym z nich jest prosta obserwacja. Korzystając z potężnych teleskopów, takich jak ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), astronomowie mogą obserwować dyski protoplanetarne wokół młodych planet. Mamy wiele przykładów gwiazd, wokół których rodzą się planety.

Drugi sposób polega na modelowaniu. Aby sprawdzić swoje obserwacje i hipotezy, astronomowie tworzą modele komputerowe. W takim przypadku badanie przeprowadza się kilka razy w różnych warunkach. Jeśli wszystkie eksperymenty wykażą, że model działa, to prawdopodobnie jest to prawda.

Planety układ słoneczny powstały z fragmentów mgławic, które oderwały się od centralnej gromady pod wpływem sił odśrodkowych. To tutaj powstają warunki sprzyjające oddzieleniu lekkich i ciężkich cząstek mgławicy. Coś podobnego dzieje się z naszą starożytną metodą wydobywania złota poprzez wypłukiwanie złotonośnego piasku lub przesiewanie ziarna w młocarniach. Strumień wody lub powietrza unosi lekkie cząstki, pozostawiając ciężkie. Chmury satelitarne znajdują się w bardzo różnych odległościach od Słońca. Prawie nie ogrzewa odległych planet. Ale na pobliskich planetach jego ciepło odparowuje wszystko, co może odparować. A jego oślepiające jasne światło, działające jak swego rodzaju „wiatr”, wydmuchuje wszystko, co z nich wyparowało, wszystko, co lekkie, pozostawiając jedynie to, co cięższe, to, czego „nie da się ruszyć ze swojego miejsca”. Z tego powodu prawie nie ma tu już lekkich gazów - wodoru i helu, głównego składnika mgławicy gazowo-pyłowej. Pozostało niewiele innych „lotnych” substancji. Wszystko to unosi gorący „wiatr” w dal. W rezultacie po pewnym czasie skład chemiczny chmur satelitarnych staje się zupełnie inny. Na odległych planetach prawie się nie zmieniło. A w tych, które krążą w pobliżu Słońca, które emanuje ciepłem i światłem, pozostaje jedynie „kalcynowany” i „dmuchany” materiał - oddzielna „cenna domieszka witalna” ciężkich pierwiastków. Materiał do stworzenia nadającej się do zamieszkania planety jest gotowy. Rozpoczyna się proces przekształcania „materiału” w „produkt”, cząstek mgławicy w planety.

W odległych obłokach satelitarnych liczne cząsteczki lekkich gazów i rzadkie lekkie ziarna pyłu stopniowo gromadzą się w ogromne, luźne kule o niskiej gęstości. W przyszłości będą to planety grupy Jowisza. W chmurach satelitarnych blisko Słońca ciężkie cząsteczki pyłu sklejają się, tworząc gęste skaliste grudki. Οʜᴎ łączą się w ogromne, masywne bloki skaliste, potworne szare, kanciaste masy unoszące się na orbicie wokół swojej gwiazdy. Poruszając się po różnych, czasem przecinających się orbitach, te „asteroidy”, każda o wielkości kilkudziesięciu kilometrów, zderzają się. Jeśli przy małej prędkości względnej, to wydają się być „wciśnięte” w siebie, „nawarstwiają się”, „kleją się” do siebie. Łączą się w większe. Jeśli z dużą prędkością miażdżą się i miażdżą, tworząc nowe „drobiazgi”, niezliczone fragmenty, fragmenty, które ponownie przechodzą długą drogę zjednoczenia. Proces łączenia małych cząstek w duże ciała niebieskie trwa od setek milionów lat. W miarę wzrostu ich rozmiaru stają się coraz bardziej kuliste. Wraz ze wzrostem masy wzrasta siła ciężkości działająca na ich powierzchnię. Górne warstwy naciskają na warstwy wewnętrzne. Wystające części okazują się cięższym obciążeniem i stopniowo zagłębiają się w grubość leżących pod nimi mas, rozpychając je pod sobą. Te, przesuwając się na boki, wypełniają zagłębienia. Szorstka „grudka” ulega stopniowemu wygładzeniu. W rezultacie w pobliżu Słońca powstaje kilka stosunkowo małych, ale bardzo gęstych planet składających się z bardzo ciężkiego materiału. grupa naziemna. Wśród nich jest Ziemia. Wszystkie różnią się znacznie od planet grupy Jowisza swoim bogactwem skład chemiczny, obfitość ciężkich pierwiastków, wysoki ciężar właściwy. Spójrzmy teraz na Ziemię. Na gwiaździstym tle, z jednej strony oświetlonym jasnym światłem promienie słoneczne, przed nami płynie ogromna kamienna kula.
Opublikowano na ref.rf
Jeszcze nie jest gładko, nawet nie. Występy bloków, które go oślepiły, nadal wystają tu i ówdzie. Można też „odczytać” nie do końca zamknięte „szwy” pomiędzy nimi. Na razie to wciąż ciężka praca. Ale oto co jest interesujące. Jest już atmosfera. Lekko pochmurno, oczywiście od pyłu, ale bez chmur. Są to wodór i hel wyciśnięte z wnętrzności planety, które kiedyś przykleiły się do cząstek skalistych i jakimś cudem przetrwały i nie zostały „zdmuchnięte” przez promienie słoneczne. Pierwotna atmosfera Ziemi. Ona nie wytrzyma długo. „Jeśli tego nie umyjemy, to po prostu zwiniemy”. Słońce to zniszczy. Lekkie, mobilne cząsteczki wodoru i helu pod wpływem ogrzewania przez promienie słoneczne będą stopniowo wyparowywać w przestrzeń kosmiczną. Proces ten nazywany jest zwykle „rozpraszaniem”.

Wewnątrz planety, w mieszaninie z innymi, substancje radioaktywne są wyciskane, „zamykane”. Różnią się tym, że stale emitują ciepło i lekko się nagrzewają. Ale w głębi planety to ciepło nie ma dokąd uciec, nie ma wentylacji, nie ma wilgoci podczas prania. Nad nimi znajduje się potężna „płaszcz” nakładających się na siebie warstw. Ciepło gromadzi się. To radioaktywne ogrzewanie zaczyna zmiękczać całą grubość planety. W zmiękczonej formie substancje, które kiedyś chaotycznie, niesystematycznie go zaślepiały, teraz zaczynają być rozprowadzane wagowo. Ciężkie stopniowo toną, opadając w kierunku środka. Płuca są przez nie wyciskane, unoszą się wyżej i unoszą bliżej powierzchni. Stopniowo planeta nabiera struktury podobnej do naszej obecnej Ziemi - w środku, ściśniętym potwornym ciężarem warstw ułożonych na wierzchu, ciężkie jądro. Jest otoczony „płaszczem” – grubą warstwą lżejszej substancji. I wreszcie na zewnątrz znajduje się bardzo cienka „skorupa”, o grubości zaledwie kilkudziesięciu kilometrów, złożona z najlżejszych skał. Substancje radioaktywne występują głównie w lekkich skałach. Z tego powodu gromadzą się teraz w „korze” i ogrzewają ją. Główne ciepło z powierzchni planety trafia w przestrzeń kosmiczną – z planety wydobywa się „lekki powiew ciepła”. A na głębokości kilkudziesięciu kilometrów ciepło jest zatrzymywane, podgrzewając skały.

W niektórych miejscach wnętrze planety rozżarza się do czerwoności. Potem jeszcze więcej. Kamienie topią się i zamieniają w rozżarzoną do czerwoności, ognistą masę, „magmę”, świecącą pomarańczowo-białym światłem. Jest ciasny w grubości kory. Jest pełen sprężonych gazów, które mogłyby eksplodować, rozrzucając całą magmę we wszystkich kierunkach w postaci ognistych rozprysków. Ale nie ma na to dość siły. Skorupa otaczająca planetę, która naciska na górę, jest zbyt mocna i ciężka. A ognista magma, próbując jakoś wyrwać się na górę, na wolność, szuka słabych punktów pomiędzy ściskającymi ją blokami, wciska się w szczeliny, topiąc swoim ciepłem ich ściany. I stopniowo, z biegiem lat, zyskując na sile przez wieki, unosi się z głębin powierzchni planety. A oto zwycięstwo! „Kanał” jest uszkodzony! Trzęsąc skałami, z głębin z hukiem wydobywa się kolumna ognia. Do nieba wznoszą się kłęby dymu i pary. Kamienie i popiół lecą w górę. Ognista magma, obecnie powszechnie nazywana „lawą”, wylewa się na powierzchnię planety i rozprzestrzenia się na boki. Wybucha wulkan. Na planecie jest wiele takich „dziur wyciętych od środka”. Οʜᴎ pomóż młodej planecie „walczyć z przegrzaniem”. Za ich pośrednictwem uwalnia się od nagromadzonej ognistej magmy, „wydycha” rozrywające ją gorące gazy – głównie dwutlenek węgla i parę wodną, ​​a wraz z nimi różne zanieczyszczenia, takie jak metan, amoniak. Stopniowo wodór i hel prawie zniknęły z atmosfery i zaczęły składać się głównie z gazów wulkanicznych. Nie ma w nim jeszcze śladu tlenu. Ta atmosfera jest całkowicie nieodpowiednia do życia. Bardzo ważne jest, aby wulkany emitowały na powierzchnię duże ilości pary wodnej. To idzie w chmury. Z nich deszcz leje się na powierzchnię planety. Woda spływa na niziny i gromadzi się. Stopniowo na planecie powstają jeziora, morza i oceany, na których może rozwinąć się życie.

Na ziemi zbiegło się kilka sprzyjających okoliczności do życia. Nie każda gwiazda staje się Słońcem otoczonym planetami. Gdyby mgławica obracała się wolniej, nie powstałaby siła odśrodkowa, kawałki nie oddzieliłyby się od centralnej bryły i nie powstałyby planety. I taka samotna „bezdzietna” gwiazda unosiłaby się w czarnej otchłani, bezowocnie marnując swoje ciepło i światło… Nie każda gwiazda, która zrodziła planety, jest w stanie stworzyć na nich warunki odpowiednie do powstania życia. Powstawanie i rozwój życia trwa bardzo długo, miliardy lat. Przez cały ten czas gwiazda powinna palić się równomiernie, spokojnie, równomiernie. Wtedy warunki na planecie będą stałe - a życie będzie w stanie się do nich dostosować. Ale gwiazdy nie są tak spokojne jak nasze Słońce. Młode gwiazdy czasami rozbłyskują. Fala skwierczącego ciepła uderza w otaczające planety, spalając i wyparowując wszystko, co może się zapalić i zagotować. Życie na planecie po tak ognistym huraganie z pewnością zginie, a na pustej, gołej kuli trzeba będzie zacząć wszystko od nowa.

Formacja planetarna – koncepcja i rodzaje. Klasyfikacja i cechy kategorii „Powstanie planet” 2017, 2018.

Modelując poszczególne etapy ewolucji obłoku protoplanetarnego i powstawania planet (ryc.) wiele uwagi poświęca się etap początkowy- opadanie ziaren pyłu w płaszczyźnie centralnej dysku i ich sklejanie się w warunkach obłoku przedplanetarnego. Czas ich opadania i powstawania spłaszczonego dysku pyłowego zależy od tempa wzrostu ziaren pyłu. Późniejszy rozpad dysku pyłowego, powstawanie kondensatów pyłowych i ich przekształcenie w rój zwartych ciał wielkości asteroid o wymiarach kosmogonicznych. punktu widzenia był bardzo szybki (<10 6 лет). Следующий этап - аккумуляция планет из роя "промежуточных" тел и их обломков - занял гораздо больше времени. При исследовании этого этапа все шире используется моделирование на ЭВМ. Результаты расчетов наглядно продемонстрировали зависимость конечного числа планет от массы вещества в допланетном облаке. С. Доул (США) нашел, что при массе облака >0,15 gromadzących się ciał łączy się w jednego satelitę Słońca w kształcie gwiazdy. To jest zjawisko. kolejne potwierdzenie poprawności modelu małomasywnego obłoku przedplanetarnego. Modelowanie numeryczne w zasadzie pozwala na jednoczesne określenie rozkładu mas i rozkładu prędkości ciał protoplanetarnych. Jednak trudność uwzględnienia grawitacji. Przez długi czas współdziałanie wielu organów nie pozwalało na uzyskanie wiarygodnych wyników. Niedawno J. Weatherill (USA) przeprowadził bardzo pracochłonne obliczenia dynamiki roju ciał w „strefie zasilania” planet ziemskich, które potwierdziły zarówno charakter rozkładu prędkości w końcowej fazie wzrostu planet oraz czas akumulacji Ziemi (~ 10 8 lat), oszacowany wcześniej analitycznie metody. Proces powstawania planet ziemskich został już prześledzony wystarczająco szczegółowo. Powstała metoda numerycznego modelowania odległości między planetami, ich mas, własnych okresów. obroty i przechyły osiowe są w zadowalającej zgodności z obserwacjami.

Proces powstawania planet-olbrzymów był bardziej złożony i wiele jego szczegółów pozostaje do wyjaśnienia. Istnieją dwie hipotezy dotyczące ścieżki powstawania Jowisza i Saturna, które zawierają dużo wodoru i helu (w swoim składzie są bliżej Słońca niż inne planety). Pierwsza hipoteza („skurcz”) wyjaśnia „słoneczny” skład planet-olbrzymów faktem, że w dysku protoplanetarnym o dużej masie - protoplanetach powstały masywne skupiska pyłu gazowego - protoplanety, które następnie poddano grawitacji. kompresje zamieniły się w gigantyczne planety. Hipoteza ta nie wyjaśnia usunięcia z Układu Słonecznego dużych nadmiarów materii, która nie została zawarta w planetach, a także przyczyn różnicy w składzie Jowisza i Saturna od składu słonecznego (Saturn zawiera więcej ciężkich pierwiastków chemicznych niż Jowisz, który z kolei zawiera je stosunkowo większe niż Słońce). Według drugiej hipotezy („akrecja”) powstawanie Jowisza i Saturna przebiegało w dwóch etapach. W pierwszym, który trwał ok. lat z rejonu Jowisza do rejonu Saturna nastąpiła akumulacja ciała stałe w taki sam sposób, jak w obszarze planet ziemskich. Kiedy największe ciała osiągnęły stan krytyczny. masy (około dwóch mas Ziemi), rozpoczął się drugi etap - przyrost gazu na tych ciałach, trwający co najmniej 10 5 -10 6 lat. W pierwszym etapie część gazu rozproszyła się z obszaru Jowisza, a jego skład okazał się inny niż skład słoneczny; Było to jeszcze bardziej widoczne na Saturnie. W fazie akrecji najwyższa temperatura zewnętrznych warstw Jowisza osiągnęła 5000 K, a dla Saturna – ok. 2000 K. Więc. Ogrzewanie otoczenia Jowisza zdeterminowało skład krzemianowy jego bliskich satelitów. Zgodnie z hipotezą skurczu, na wczesnym etapie planety olbrzymy również charakteryzowały się wysokimi temperaturami, jednak dynamika procesów w ramach hipotezy akrecji jest bardziej uzasadniona. Powstawanie Urana i Neptuna, zawierających tylko 10-20% H i He, można również lepiej wyjaśnić drugą hipotezą. Zanim osiągną poziom krytyczny. masy (w ciągu ~ 10 8 lat) większość gazu opuściła już Układ Słoneczny.

Małe ciała Układu Słonecznego - asteroidy I komety- przedstawiają pozostałości roju ciał „pośrednich”. Asteroidy to skaliste ciała wewnętrzne. w strefie okołosłonecznej komety są skalisto-lodowymi ciałami strefy planet-olbrzymów. Masy planet-olbrzymów, jeszcze przed zakończeniem ich wzrostu, stały się tak duże, że ich przyciąganie zaczęło znacznie zmieniać orbity małych ciał przelatujących obok nich. W rezultacie część z nich uzyskała bardzo wydłużone orbity, m.in. oraz orbity rozciągające się daleko poza układ planetarny. Dla ciał przemieszczających się dalej niż 20-30 tys. a.u. od Słońca, zauważalna grawitacja wpływ wywierały pobliskie gwiazdy. W większości przypadków wpływ gwiazd doprowadził do tego, że małe ciała przestały wkraczać w obszar orbit planet. Okazało się, że układ planetarny jest otoczony przez rój ciał skalisto-lodowych, rozciągający się na odległość 10 5 jednostek astronomicznych. (~1 szt.) i jest źródłem aktualnie obserwowanych komet. Istnienie obłoku kometowego stwierdził holenderski astronom J. Oort (1950). Wpływ pobliskich gwiazd może czasami zakłócić orbitę ciała skalisto-lodowego tak bardzo, że całkowicie opuszcza ono Układ Słoneczny, a czasami może przenieść je na orbitę przechodzącą w pobliżu Słońca. W pobliżu Słońca ciała lodowe zaczynają parować pod wpływem jego promieni i stają się widoczne - następuje zjawisko komety.

Asteroidy przetrwały do ​​dziś dzięki temu, że zdecydowana większość z nich porusza się w szerokich odstępach pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza. Podobne ciała skaliste, które kiedyś istniały w całej strefie planet ziemskich, dawno temu dołączyły do ​​​​tych planet lub zostały zniszczone podczas wzajemnych zderzeń, lub zostały wyrzucone z tej strefy na skutek działania sił grawitacyjnych. wpływ planet.

Największy z nowoczesnych asteroidy - o średnicy 100 km lub większej - powstały jeszcze w epoce formowania się układu planetarnego, a średnie i małe to przeważnie zjawiska. fragmenty dużych asteroid rozbitych podczas zderzeń. Dzięki zderzeniom ciał asteroid stale uzupełnia się zapas materii pyłowej w przestrzeni międzyplanetarnej. dr. źródło drobnych cząstek stałych. rozpad komet przelatujących w pobliżu Słońca.

Wnętrza „pierwotnych” dużych asteroid najwyraźniej zostały nagrzane do temperatury około 1000 o C, co miało wpływ na skład i strukturę ich materii. Wiemy o tym dzięki temu, że małe fragmenty asteroid spadają na powierzchnię Ziemi - meteoryty, skład i właściwości fizyczne Święci których wskazują, że przeszli etapy nagrzewania i różnicowania materii. Przyczyny nagrzewania się asteroid nie są do końca jasne. Być może ogrzewanie było związane z wydzielaniem ciepła w wyniku rozpadu krótkotrwałych izotopów promieniotwórczych; asteroidy mogą również nagrzewać się w wyniku wzajemnych zderzeń.

Niektóre meteoryty stanowią najlepsze dostępne dla nas przykłady „pierwotnej” materii planetarnej. W porównaniu ze skałami ziemskimi są one nieporównywalnie mniej zmieniane przez późniejsze procesy fizyczne i chemiczne. procesy. Wiek meteorytów, wyznaczony przez zawartość pierwiastków promieniotwórczych i produktów ich rozpadu, charakteryzuje jednocześnie wiek całego Układu Słonecznego. Okazuje się, że wynosi ok. 4,6 miliarda lat. W związku z tym czas trwania procesu powstawania planet jest nieznaczny w porównaniu z czasem ich dalszego istnienia.

Geneza układów regularnych satelitów planet, poruszających się w kierunku obrotu planety po niemal kołowych orbitach leżących w płaszczyźnie jej równika, autorzy kosmogonu. hipotezy są zwykle wyjaśniane poprzez powtórzenie na małą skalę tego samego procesu, który proponują wyjaśnić powstawanie planet Układu Słonecznego. Jowisz, Saturn i Uran mają systemy regularnych satelitów, które mają również pierścienie małych cząstek stałych. Neptun nie ma regularnego układu satelitów i wydaje się, że nie ma pierścieni. Nowoczesny Kosmogonia planetarna wyjaśnia powstawanie regularnych satelitów poprzez ewolucję protosatelitarnych rojów cząstek w kształcie dysku, które powstały w wyniku niesprężystych zderzeń w pobliżu danej planety planetozymali poruszających się po orbitach okołosłonecznych.

System regularnych satelitów Jowisza dzieli się na dwie grupy: krzemianowe i wodno-krzemianowe. Różnice w chemii. skład satelitów pokazuje, że młody Jowisz był gorący (nagrzewanie mogło być spowodowane uwalnianiem energii grawitacyjnej podczas akrecji gazu). W układzie satelitów Saturna, składającym się głównie z lodu, nie ma podziału na dwie grupy, co wynika z niższej temperatury w pobliżu Saturna, przy której może się skraplać woda.

Pochodzenie nieregularnych satelitów Jowisza, Saturna i Neptuna, czyli satelitów o ruchu wstecznym, a także małych zewnętrznych. Satelita Neptuna, który porusza się bezpośrednio po wydłużonej orbicie, można wytłumaczyć przechwytywaniem.

Wolno rotujące planety Merkury i Wenus nie mają satelitów. Najwyraźniej doświadczyli hamowania pływowego z planety i ostatecznie spadli na jej powierzchnię. Efekt tarcia pływowego objawił się także w układach Ziemia-Księżyc i Pluton-Charon, gdzie satelity tworzące z planetą układ podwójny są zawsze zwrócone w stronę planety przez tę samą półkulę.

Wyjaśnienie pochodzenia Księżyca wymagało szczegółowych badań przyziemnego roju cząstek, którego istnienie utrzymywało się podczas całej akumulacji Ziemi poprzez niesprężyste zderzenia cząstek w jej sąsiedztwie.

Utworzenie roju o wystarczającej masie jest możliwe tylko dzięki dużej liczebności. zderzenia najmniejszej frakcji cząstek międzyplanetarnych. Dynamika roju pozwala nam przybliżyć się do wyjaśnienia różnic w chemii. skład Księżyca i Ziemi, który pobrał materię z tej samej strefy. Zalety. przedostawanie się drobnych cząstek do roju mogłoby jednocześnie prowadzić do wzbogacenia roju w substancję krzemianową, gdyż to ciała skaliste podczas zderzeń tworzą drobny pył (w przeciwieństwie do ciał metalicznych). Na etapie substancji drobno rozproszonych mogły zostać częściowo utracone także substancje lotne, których niedobór odkryto w skałach księżycowych. Z roju satelitów można utworzyć system składający się z kilku. duże satelity, których orbity ewoluowały z różnymi prędkościami pod wpływem tarcia pływowego i które ostatecznie połączyły się w jedno ciało - Księżyc. Analiza składu i określenie wieku tych dostarczonych w latach 70-tych. XX wiek do Ziemi skał księżycowych pokazało, że Księżyc nawet w trakcie formowania się lub wkrótce po nim był podgrzewany i przechodził przez materię magmową. różnicowanie, w wyniku którego powstała skorupa księżycowa. Obfitość dużych kraterów uderzeniowych w kontynentalnej części powierzchni Księżyca pokazuje, że skorupa miała czas stwardnieć, zanim jeszcze ustało intensywne bombardowanie Księżyca przez ciała, które ją utworzyły. Połączenie Księżyca z kilku duże ciała (proto-księżyc) powodują szybkie nagrzewanie się do 1000 K jego warstwy powierzchniowej o grubości setek kilometrów, co lepiej odpowiada wczesnemu różnicowaniu substancji Księżyca. Podczas powolnej akumulacji Księżyca z małych cząstek uwalniane są siły grawitacyjne. Nie ma wystarczającej ilości energii, aby ogrzać Księżyc w wymaganym zakresie. Alternatywne hipotezy dotyczące nagrzewania Księżyca w wyniku rozpadu krótkotrwałych izotopów promieniotwórczych i ogrzewania elektrycznego. prądy indukowane przez intensywny wiatr słoneczny wymagają niedopuszczalnie szybkiego powstania Księżyca na najwcześniejszym etapie formowania się Układu Słonecznego. Tak więc utworzenie Księżyca na orbicie okołoziemskiej wydaje się najbardziej prawdopodobne, ale w literaturze nadal dyskutuje się o mało prawdopodobnych hipotezach dotyczących przechwycenia przez Ziemię ukończonego Księżyca i oddzielenia Księżyca od Ziemi.

Zauważalna różnica zob. Gęstość planet ziemskich jest najwyraźniej powiązana z różnica w całkowitej zawartości Fe i zawartości metali. Fe. Wysoka gęstość rtęci (5,4 g/cm3) wskazuje, że zawiera ona do 60-70% metali. żelazo niklowe, natomiast niska gęstość Księżyca (3,34 g/cm3) wskazuje na brak w nim żelaza. ilości metalu żelazo (mniej niż 10-15%). Zawartość stopu bogatego w żelazo w Ziemi wynosi ok. 32%, na Wenus – ok. 28%.

W latach 70 W XX wieku, wraz z rozwojem idei sekwencyjnej kondensacji różnych substancji w stygnącym obłoku protoplanetarnym, pojawiła się hipoteza o niejednorodnej (heterogenicznej) akumulacji planet, zgodnie z którą całkowite nagromadzenie substancji nielotnych w kilka dużych ciała - jądra przyszłych planet - zdążyły nastąpić przed zauważalnym dalszym ochłodzeniem chmur i kondensacją innych, bardziej lotnych substancji. Zgodnie z tą hipotezą, powstające planety od samego początku okazują się być warstwowe. W połączeniu z założeniem kondensacji najpierw metalicznej. żelazo, a następnie krzemiany, hipoteza heterogenicznej akumulacji wyjaśniała pojawienie się żelaznych rdzeni w pobliżu Ziemi i Wenus. Zignorowała jednak wiarygodną astrofizykę. szacunki szybkości ochładzania chmury: schładzanie powinno następować nieporównywalnie szybciej niż gromadzenie się produktów kondensacji. Postawiono także hipotezę, że jądra Ziemi i Wenus składają się głównie z krzemianów i tlenków, które pod wpływem ciśnienia z leżących nad nimi warstw przekształciły się w gęstą materię metaliczną. państwo. W tym przypadku jądra Ziemi i Wenus zawierałyby tylko kilka. % metaliczny żelazo, tj. w przybliżeniu takie samo jak jądro Księżyca, ale mniejsze niż jądro Marsa (ciśnienie we wnętrzu Marsa i Księżyca jest oczywiście zbyt niskie, aby krzemiany mogły przejść w stan metaliczny). Eksperymenty na statyce kompresji materii do ciśnień bliskich ciśnieniom w jądrach Ziemi i Wenus, nie pozwalają jeszcze na wyciągnięcie jednoznacznego wniosku o możliwości wystąpienia takich przejść fazowych przy wystarczająco dużym skoku gęstości.

Najwyraźniej powstawanie jąder na planetach ziemskich nastąpiło w wyniku oddzielenia stopu bogatego w żelazo od krzemianów ferromagnezu. Fizyczna chemia procesu oddzielania stopionego żelaza i dynamika jego opadania do centrum planety nie zostały jeszcze dostatecznie zbadane. W pracach poświęconych analizie procesu separacji planet przede wszystkim jednorodnych najwięcej obliczeń przeprowadza się dla Ziemi.

Planety Układu Słonecznego powstały z fragmentów mgławic, które oderwały się od centralnej gromady pod wpływem sił odśrodkowych. To tutaj powstają warunki sprzyjające oddzieleniu lekkich i ciężkich cząstek mgławicy. Coś podobnego dzieje się z naszą starożytną metodą wydobywania złota poprzez wypłukiwanie złotonośnego piasku lub przesiewanie ziarna w młocarniach. Strumień wody lub powietrza unosi lekkie cząstki, pozostawiając ciężkie. Chmury satelitarne znajdują się w bardzo różnych odległościach od Słońca. Prawie nie ogrzewa odległych planet. Ale na pobliskich planetach jego ciepło odparowuje wszystko, co może odparować. A jego oślepiające, jasne światło, działające jak swego rodzaju „wiatr”, wydmuchuje wszystko, co z nich wyparowało, w ogóle wszystko, co lekkie, pozostawiając jedynie to, co cięższe, czego „nie można ruszyć”. Dlatego prawie nie ma tu już lekkich gazów - wodoru i helu, głównego składnika mgławicy gazowo-pyłowej. Pozostało niewiele innych „lotnych” substancji. Wszystko to unosi gorący „wiatr” w dal. W rezultacie po pewnym czasie skład chemiczny chmur satelitarnych staje się zupełnie inny. Na odległych planetach prawie się nie zmieniło. A w tych, które krążą w pobliżu Słońca, które emanuje ciepłem i światłem, pozostaje jedynie „kalcynowany” i „dmuchany” materiał - oddzielna „cenna domieszka witalna” ciężkich pierwiastków. Materiał do stworzenia nadającej się do zamieszkania planety jest gotowy. Rozpoczyna się proces przekształcania „materiału” w „produkt”, cząstek mgławicy w planety.

W odległych obłokach satelitarnych liczne cząsteczki lekkich gazów i rzadkie lekkie ziarna pyłu stopniowo gromadzą się w ogromne, luźne kule o niskiej gęstości. W przyszłości będą to planety grupy Jowisza. W chmurach satelitarnych blisko Słońca ciężkie cząsteczki pyłu sklejają się, tworząc gęste skaliste grudki. Łączą się w ogromne, masywne bloki skaliste, monstrualne szare, kanciaste masy unoszące się na orbicie wokół swojej gwiazdy. Poruszając się po różnych, czasem przecinających się orbitach, te „asteroidy”, każda o wielkości kilkudziesięciu kilometrów, zderzają się. Jeśli przy małej prędkości względnej, to wydają się być „wciśnięte” w siebie, „nawarstwiają się”, „przyklejają się” do siebie. Łączą się w większe. Jeśli z dużą prędkością miażdżą się i miażdżą, tworząc nowe „drobiazgi”, niezliczone fragmenty, fragmenty, które ponownie przechodzą długą drogę zjednoczenia. Proces łączenia małych cząstek w duże ciała niebieskie trwa od setek milionów lat. W miarę wzrostu stają się coraz bardziej kuliste. Wraz ze wzrostem masy wzrasta siła ciężkości działająca na ich powierzchnię. Górne warstwy naciskają na warstwy wewnętrzne. Wystające części okazują się cięższym obciążeniem i stopniowo zagłębiają się w grubość leżących pod nimi mas, rozpychając je pod sobą. Te, przesuwając się na boki, wypełniają zagłębienia. Szorstka „grudka” ulega stopniowemu wygładzeniu. W rezultacie w pobliżu Słońca powstaje kilka stosunkowo małych, ale bardzo gęstych, składających się z bardzo ciężkiego materiału, planet ziemskich. Wśród nich jest Ziemia. Wszystkie znacznie różnią się od planet grupy Jowisza bogatym składem chemicznym, obfitością ciężkich pierwiastków i wysokim ciężarem właściwym. Spójrzmy teraz na Ziemię. Na rozgwieżdżonym tle, oświetlonym z jednej strony jasnymi promieniami słońca, przed nami unosi się ogromna kamienna kula. Jeszcze nie jest gładko, nawet nie. Występy bloków, które go oślepiły, nadal wystają tu i ówdzie. Można też „odczytać” nie do końca zamknięte „szwy” pomiędzy nimi. To wciąż ciężka praca. Ale oto co jest interesujące. Jest już atmosfera. Lekko pochmurno, oczywiście od pyłu, ale bez chmur. To wodór i hel wyciśnięte z wnętrzności planety, które kiedyś przykleiły się do cząstek skalistych i jakimś cudem przetrwały, nie będąc „zdmuchnięte” przez promienie słoneczne. Pierwotna atmosfera Ziemi. Ona nie wytrzyma długo. „Jeśli tego nie umyjemy, to po prostu zwiniemy”. Słońce to zniszczy. Lekkie, mobilne cząsteczki wodoru i helu pod wpływem ogrzewania przez promienie słoneczne będą stopniowo wyparowywać w przestrzeń kosmiczną. Proces ten nazywany jest „rozpraszaniem”.

Wewnątrz planety, w mieszaninie z innymi, substancje radioaktywne są wyciskane, „zamykane”. Różnią się tym, że stale emitują ciepło i lekko się nagrzewają. Ale w głębi planety to ciepło nie ma dokąd uciec, nie ma wentylacji, nie ma wilgoci podczas prania. Nad nimi znajduje się gruby „płaszcz” nakładających się warstw. Ciepło gromadzi się. To radioaktywne ogrzewanie zaczyna zmiękczać całą grubość planety. W zmiękczonej formie substancje, które kiedyś chaotycznie, niesystematycznie go zaślepiały, teraz zaczynają być rozprowadzane wagowo. Ciężkie stopniowo toną, opadając w kierunku środka. Płuca są przez nie wyciskane, unoszą się wyżej i unoszą bliżej powierzchni. Stopniowo planeta nabiera struktury podobnej do naszej obecnej Ziemi - w środku, ściśniętym potwornym ciężarem warstw ułożonych na wierzchu, ciężkie jądro. Jest otoczony „płaszczem” – grubą warstwą lżejszej substancji. I wreszcie na zewnątrz znajduje się bardzo cienka „skorupa”, o grubości zaledwie kilkudziesięciu kilometrów, złożona z najlżejszych skał. Substancje radioaktywne występują głównie w lekkich skałach. Dlatego teraz zgromadziły się w „korze” i rozgrzały ją. Główne ciepło z powierzchni planety trafia w przestrzeń kosmiczną – z planety wydobywa się „lekki powiew ciepła”. A na głębokości kilkudziesięciu kilometrów ciepło jest zatrzymywane, podgrzewając skały.

W niektórych miejscach wnętrze planety rozżarza się do czerwoności. Potem jeszcze więcej. Kamienie topią się i zamieniają w rozżarzoną do czerwoności, ognistą masę, „magmę”, świecącą pomarańczowo-białym światłem. Jest ciasny w grubości kory. Jest pełen sprężonych gazów, które mogłyby eksplodować, rozrzucając całą magmę we wszystkich kierunkach w postaci ognistych rozprysków. Ale nie ma na to dość siły. Skorupa otaczająca planetę, która naciska na górę, jest zbyt mocna i ciężka. A ognista magma, próbując jakoś wyrwać się na górę, na wolność, szuka słabych punktów pomiędzy ściskającymi ją blokami, wciska się w szczeliny, topiąc swoim ciepłem ich ściany. I stopniowo, z biegiem lat, zyskując na sile przez wieki, unosi się z głębin powierzchni planety. A oto zwycięstwo! „Kanał” jest uszkodzony! Trzęsąc skałami, z głębin z hukiem wydobywa się kolumna ognia. Do nieba wznoszą się kłęby dymu i pary. Kamienie i popiół lecą w górę. Ognista magma, zwana obecnie „lawą”, wylewa się na powierzchnię planety i rozprzestrzenia się na boki. Wybucha wulkan. Na planecie jest wiele takich „dziur wyciętych od środka”. Pomagają młodej planecie „walczyć z przegrzaniem”. Za ich pośrednictwem uwalnia się od nagromadzonej ognistej magmy, „wydycha” rozrywające ją gorące gazy – głównie dwutlenek węgla i parę wodną, ​​a wraz z nimi różne zanieczyszczenia, takie jak metan, amoniak. Stopniowo wodór i hel prawie zniknęły z atmosfery i zaczęły składać się głównie z gazów wulkanicznych. Nie ma w nim jeszcze śladu tlenu. Ta atmosfera jest całkowicie nieodpowiednia do życia. Bardzo ważne jest, aby wulkany emitowały na powierzchnię duże ilości pary wodnej. To idzie w chmury. Z nich deszcz leje się na powierzchnię planety. Woda spływa na niziny i gromadzi się. Stopniowo na planecie powstają jeziora, morza i oceany, na których może rozwinąć się życie.

Na ziemi zbiegło się kilka sprzyjających okoliczności do życia. Nie każda gwiazda staje się Słońcem otoczonym planetami. Gdyby mgławica obracała się wolniej, nie powstałaby siła odśrodkowa, kawałki nie oddzieliłyby się od centralnej bryły i nie powstałyby planety. I taka samotna „bezdzietna” gwiazda unosiłaby się w czarnej otchłani, bezowocnie marnując swoje ciepło i światło… Nie każda gwiazda, która zrodziła planety, jest w stanie stworzyć na nich warunki odpowiednie do powstania życia. Powstawanie i rozwój życia trwa bardzo długo, miliardy lat. Przez cały ten czas gwiazda powinna palić się równomiernie, spokojnie, równomiernie. Wtedy warunki na planecie będą stałe - a życie będzie w stanie się do nich dostosować. Ale nie wszystkie gwiazdy są tak spokojne jak nasze Słońce. Młode gwiazdy czasami rozbłyskują. Fala skwierczącego ciepła uderza w otaczające planety, spalając i wyparowując wszystko, co może się zapalić i zagotować. Życie na planecie po tak ognistym huraganie z pewnością zginie, a na pustej, nagiej kuli trzeba będzie zacząć wszystko od nowa.

Pochodzenie Układu Słonecznego

Układ Słoneczny składa się z centralnego ciała niebieskiego - gwiazdy Słońca, 8 dużych planet krążących wokół niego, ich satelitów, wielu małych planet - asteroid, licznych komet i ośrodka międzyplanetarnego. Główne planety są ułożone według odległości od Słońca w następujący sposób: Merkury, Wenus, Ziemia, Mars, Jowisz, Saturn, Uran, Neptun. Dwie ostatnie planety można obserwować z Ziemi jedynie przez teleskopy. Pozostałe są widoczne w postaci mniej lub bardziej jasnych kręgów i są znane ludziom od czasów starożytnych.

Znanych jest już wiele hipotez na temat pochodzenia Układu Słonecznego, w tym te zaproponowane niezależnie przez niemieckiego filozofa I. Kanta (1724–1804) oraz francuskiego matematyka i fizyka P. Laplace’a (1749–1827). Z punktu widzenia Immanuela Kanta powstał ewolucyjny rozwój mgławicy zimnego pyłu, podczas którego najpierw powstało centralne, masywne ciało - Słońce, a następnie narodziły się planety. P. Laplace uważał, że pierwotna mgławica była gazowa i bardzo gorąca, w stanie szybkiej rotacji. Zagęszczając się pod wpływem powszechnej grawitacji, mgławica, zgodnie z zasadą zachowania momentu pędu, obracała się coraz szybciej. Pod wpływem dużych sił odśrodkowych powstających podczas szybkiego obrotu w pasie równikowym, pierścienie sukcesywnie oddzielały się od niego, zamieniając się w planety w wyniku ochłodzenia i kondensacji. Zatem, zgodnie z teorią P. Laplace'a, planety powstały przed Słońcem. Pomimo tej różnicy między dwiema rozważanymi hipotezami, obie wychodzą z tej samej idei - Układ Słoneczny powstał w wyniku naturalnego rozwoju mgławicy. Dlatego też pomysł ten nazywany jest czasem hipotezą Kanta-Laplace’a.

Według współczesnych koncepcji planety Układu Słonecznego powstały z zimnej chmury gazu i pyłu, która otaczała Słońce miliardy lat temu. Ten punkt widzenia najkonsekwentniej znajduje odzwierciedlenie w hipotezie rosyjskiego naukowca, akademika O.Yu. Schmidta (1891–1956), który wykazał, że problemy kosmologii można rozwiązać wspólnym wysiłkiem astronomii i nauk o Ziemi, przede wszystkim geografii, geologii i geochemii. Hipoteza opiera się na O.Yu. Schmidt to idea powstawania planet poprzez łączenie ciał stałych i cząstek pyłu. Chmura gazu i pyłu, która powstała w pobliżu Słońca, początkowo składała się w 98% z wodoru i helu. Pozostałe pierwiastki skondensowały się w cząstki pyłu. Przypadkowy ruch gazu w chmurze szybko ustał: został zastąpiony spokojnym ruchem chmury wokół Słońca.

Cząsteczki pyłu skupiają się w płaszczyźnie środkowej, tworząc warstwę o zwiększonej gęstości. Kiedy gęstość warstwy osiągnęła pewną wartość krytyczną, jej własna grawitacja zaczęła „konkurować” z grawitacją Słońca. Warstwa pyłu okazała się niestabilna i rozpadła się na osobne kępy pyłu. Zderzając się ze sobą, utworzyły wiele solidnych, gęstych ciał. Największe z nich uzyskały niemal okrągłe orbity i zaczęły wyprzedzać inne ciała w swoim rozwoju, stając się potencjalnymi zarodkami przyszłych planet. Jako masywniejsze ciała, nowe formacje wchłonęły pozostałą materię chmury gazu i pyłu. Ostatecznie powstało dziewięć dużych planet, których orbity pozostawały stabilne przez miliardy lat.

Biorąc pod uwagę ich cechy fizyczne, wszystkie planety są podzielone na dwie grupy. Jedna z nich składa się ze stosunkowo małych planet ziemskich - Merkurego, Wenus, Ziemi i Mapca. Ich substancja ma stosunkowo dużą gęstość: średnio około 5,5 g/cm 3, czyli 5,5 razy większą niż gęstość wody. Drugą grupę stanowią planety-olbrzymy: Jowisz, Saturn, Uran i Neptun. Planety te mają ogromne masy. Zatem masa Urana jest równa 15 mas Ziemi, a Jowisza – 318. Planety-olbrzymy składają się głównie z wodoru i helu, a średnia gęstość ich substancji jest zbliżona do gęstości wody. Najwyraźniej planety te nie mają stałej powierzchni jak powierzchnia planet ziemskich.

Procesu powstawania Układu Słonecznego nie można uznać za dokładnie zbadany, a proponowanych hipotez za doskonałe. Na przykład rozważana hipoteza nie uwzględniała wpływu interakcji elektromagnetycznych podczas powstawania planet. Wyjaśnienie tej i innych kwestii jest kwestią przyszłości.

Do chwili obecnej znanych jest kilka hipotez na temat pochodzenia Ziemi. Prawie wszystkie sprowadzają się do tego, że substancją wyjściową do powstania planet Układu Słonecznego, w tym Ziemi, był szeroko rozpowszechniony we Wszechświecie pył i gazy międzygwiazdowe. Nadal jednak nie ma jednoznacznej odpowiedzi na pytania: w jaki sposób cały zestaw pierwiastków chemicznych układu okresowego znalazł się w składzie planet i co było impulsem do rozpoczęcia kondensacji gazu i pyłu w mgławicy protosłonecznej . Niektórzy naukowcy sugerują, że pojawienie się różnorodności pierwiastki chemiczne związane z czynnikiem zewnętrznym - eksplozją supernowej w pobliżu przyszłego Układu Słonecznego. Taka eksplozja masywnej gwiazdy, w głębinach i otoczce gazowej, w której w wyniku reakcji jądrowych syntetyzowano pierwiastki chemiczne (nukleosynteza gwiazd), mogłaby doprowadzić do powstania całej gamy pierwiastków chemicznych, w tym także radioaktywnych. Potężna eksplozja wraz z falą uderzeniową mogłaby pobudzić początek kondensacji materii międzygwiezdnej, z której powstało Słońce i dysk protoplanetarny, które następnie rozpadły się na oddzielne planety grupy wewnętrznej i zewnętrznej, przedzielone pasem asteroid. Ta ścieżka początkowego etapu powstawania Układu Słonecznego nazywana jest katastrofalną, ponieważ eksplozja supernowej jest klęską żywiołową. W astronomicznej skali czasu eksplozje supernowych nie są zjawiskiem tak rzadkim: zdarzają się średnio co kilka miliardów lat.

Przyjmuje się, że powstawanie planet z dysku protoplazmatycznego poprzedzone było pośrednią fazą powstawania stałych i dość dużych, dochodzących do setek kilometrów średnicy, ciał zwanych planetozymalami, których późniejsza akumulacja i oddziaływanie było procesem akrecja (wzrost) planety. Akrecji towarzyszyła zmiana sił grawitacyjnych.

Ryc.1. Widok Ziemi z kosmosu

Poglądy na temat stanu termicznego nowonarodzonej Ziemi uległy zmianom w XX wieku. zasadnicze zmiany. W przeciwieństwie do dominującej od dawna opinii o „ognisto-płynnym stanie początkowym Ziemi”, opartej na klasycznej hipotezie Kanta-Laplace’a, już w XX wieku, a szczególnie aktywnie w latach 50., idea początkowo zimna Ziemia, której głębiny później zaczęły się nagrzewać, zaczęła powstawać w wyniku ciepła powstałego w wyniku rozpadu naturalnie występujących substancji radioaktywnych. Jednak koncepcja ta nie uwzględnia wydzielania ciepła podczas akrecji, a zwłaszcza podczas zderzeń dużych planetozymali. W związku z tym obecnie dyskutuje się pomysł bardzo znaczącego nagrzania Ziemi do temperatury topnienia jej materii już w fazie akrecji. Zakłada się, że przy takim nagrzaniu rozpoczyna się różnicowanie Ziemi na powłoki, a przede wszystkim na płaszcz krzemianowy i żelazny rdzeń. Jednocześnie nie można wykluczyć radioaktywnego źródła ciepła, które powstało w wyniku rozpadu substancji radioaktywnych znajdujących się w planetozymali.

Uwolnione ciepło doprowadziło do powstania gazów i pary wodnej, które wychodząc na powierzchnię zapoczątkowały powstawanie powłoki powietrznej - atmosfery i środowiska wodnego naszej planety.

Metodą radioaktywną ustalono, że wiek najstarszych skał znajdujących się w skorupie ziemskiej wynosi około 4 miliardów lat. Naukowcy szacują, że powstawanie Ziemi trwało od 5 do 6 miliardów lat. Powstanie naszej planety, Ziemi, zajęło miliardy lat. Obracająca się ta kula, spłaszczona na biegunach, leci w przestrzeni kosmicznej po ogromnej eliptycznej krzywej wokół Słońca.