2962

4.4. Планеты-гиганты

Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун относятся к газообразным планетам-гигантам. Они не имеют твердой поверхности, их плотность 0,7–1,7 г/см3.

Юпитер – самая крупная планета Солнечной системы, пятая по удалению от Солнца. Наблюдаемая поверхность Юпитера состоит из облаков и других атмосферных образований и пересечена многочисленными темными полосами (поясами), разделенными светлыми зонами, расположенными параллельно экватору. В атмосфере спектроскопическим методом были обнаружены метан CH4, аммиак NH3, молекулярный водород H2, пары воды H2O, ацетилен C2H2, этан C2H6, фосфин PH3. Она по мощности превосходит земную атмосферу в 8–10 раз. Если попытаться высадиться на Юпитер, то космический аппарат будет долго тонуть в атмосфере, однако посадки так и не произойдет. Юпитер – мощный источник теплового радиоизлучения, обладает радиационным поясом и обширной магнитосферой. К началу третьего тысячелетия у Юпитера известно 28 спутников. Четыре из них (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто) отличаются большими размерами и массой и были открыты еще Галилеем.

Сатурн – шестая по порядку от Солнца и вторая по размерам и массе планета Солнечной системы. Он имеет атмосферу, в состав которой входят метан CH4, молекулярный водород Н2, гелий He, аммиак NH3, фосфин РН3. В атмосфере Сатурна бушуют ветры, скорость которых достигает 1 800 км/ч. Сатурн известен своими плоскими концентрическими кольцами, которые впервые наблюдал в 1610 г. Галилей с помощью созданного им телескопа. В начале 1980-х гг. с помощью космического зонда «Вояджер» было выяснено, что кольца Сатурна состоят из огромного количества отражающих солнечный свет кусков льда различного размера – от пылинок до глыб. Толщина колец менее 1 км, а внешний диаметр достигает 300 000 км. Помимо колец Сатурн имеет 30 спутников, из которых 12 безымянных, обнаруженных в 2001 г. и радиационные пояса.

Уран – седьмая по порядку удаления от Солнца планета. Уран имеет атмосферу, ее верхние слои состоят из крошечных кристаллов метана CH4, нижние – из водорода Н2 (83 % от общего объема), гелия Не (15 %), метана СН4 (1,99 %), около 0,01 % приходится на аммиак NH3. Ниже атмосферы располагается мантия. Она представляет собой жидкую, с высокой плотностью смесь, состоящую

31

из растворенного в воде аммиака. Вся эта масса плотно окутывает твердое ядро из кремния и металлов. Уран – самая холодная планета из всех газовых гигантов, средняя температура верхних слоев атмосферы 49 К. Газовый гигант движется вокруг Солнца «как бы лежа на боку». Из-за такой «кособокой» позиции то северный, то южный полюса Урана получают от Солнца больше энергии, нежели экватор. Однако температура на экваторе выше, чем на полюсах – это одна из загадок газового гиганта. Еще одной характерной особенностью Урана является то, что направление его вращения вокруг собственной оси противоположно направлению обращения вокруг Солнца. Планета Уран имеет 15 спутников (5 открыты с Земли – Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания, Оберон; 10 открыты с космического аппарата «Вояджер-2») и систему из 13 колец.

Нептун – восьмая по порядку от Солнца планета Солнечной системы, одна из самых удаленных от Солнца. Орбита Нептуна – одна из наиболее округлых в Солнечной системе. Нептун имеет атмосферу, в состав которой входит молекулярный водород Н2 (82 % от общего объема), гелий Не (17 %) и оставшийся процент приходится на метан CH4. На Нептуне дуют ветры со скоростью до 2 400 км/ч, направленные против вращения планеты вокруг собственной оси. Это самые мощные ветры в Солнечной системе. Полагают, что Нептун имеет твердое ядро, состоящее из железа, никеля и силикатов, окруженное мантией из частично расплавленной смеси аммиака, воды и метана, где формируется мощное магнитное поле планеты. Нептун имеет восемь спутников (Тритон и Нереида – открытые с Земли, остальные шесть – с борта космического аппарата «Вояджера-2») и шесть колец.

Контрольные вопросы

1.К какой галактике относится Солнечная система?

2.Какова структура Солнечной системы?

3.Чем отличаются планеты земной группы от планет-гигантов?

4.Какие процессы протекают в недрах Солнца?

5.Какие планеты Солнечной системы не имеют естественных спутников?

5. Земля – планета Солнечной системы

Особое место в Солнечной системе занимает Земля – единственная планета, на которой в течение миллиардов лет развиваются различные формы жизни.

32

5.1. Форма и внутренние сферы Земли

Планета Земля по форме представляет собой сплющенный со стороны полюсов и растянутый в экваториальной зоне (полярный радиус меньше экваториального на 21,4 км) эллипсоид, получивший вследствие своей уникальной геометрической формы назва-

ние геоид.

Геоид – это фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести. Поверхность геоида совпадает с уровнем Мирового океана при условии, что вода находится в полном покое.

В результате дифференциации вещества Земли, под действием ее гравитационного поля, в условиях разогрева земных недр возникли и развились различные по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам оболочки – сферы (рис. 14). Непосредственному наблюдению доступны только самые верхние (до глубин 15–20 км) горизонты земной коры, выходящие на поверхность или вскрытые рудниками, шахтами и буровыми скважинами. Суждения о составе и физическом состоянии более глубоких оболочек основываются на данных геофизических методов, то есть имеют предположительный характер. Из этих методов особое значение имеет сейсмический метод, основанный на регистрации скорости распространения в теле Земли волн, вызываемых землетрясениями или искусственными взрывами.

Рис. 14. Внутреннее строение Земли

33

Внутренняя структура Земли неоднородна. В ней выделяют три главные оболочки:

•земная кора – средняя мощность около 50 км;

•мантия – простирается до глубины ~ 2 900 км;

•ядро – радиусом около 3 500 км.

5.1.1. Земная кора

Земная кора, масса которой составляет около 1 % от массы Земли, подразделяется на материковую (мощность 35–45 км на равнинной части планеты и 70–80 км в области гор) и океаническую (мощность 8–10 км). Плотность земной коры увеличивается с глубиной в среднем от 2,7 до 3,0 г/см3, а температура примерно по 3 °С на каждые 100 м. Химический состав земной коры имеет некоторые особенности. Наиболее распространены следующие химические элементы, составляющие в сумме более 99 % по весу: кислород О2 (47,0 %), кремний Si (29,5 %), алюминий Al (8,05 %),

железо Fe (4,65 %), кальций Са (2,96 %), магний Mg (1,87 %),

натрий Na (2,5 %), калий К (2,5 %). Остальные – около 80 элементов таблицы Д.И. Менделеева – составляют менее 1 %. В земной коре преобладают легкие атомы, находящиеся в начале периодической системы Д.И. Менделеева. Действительно, после 26Fe нет ни одного распространенного элемента. Также надо отметить, что в земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами и атомными массами (правило Оддо – Гаркинса).

Структура материковой земной коры существенно отличает-

ся от структуры океанической. Более сложной считается материковая кора, которая состоит из трех слоев: верхнего – осадочного, среднего – гранитного и нижнего – базальтового. Осадочный слой, содержащий основные запасы угля, нефти и газа, по мощности неодинаков в различных районах суши. Гранитный слой, мощность которого составляет 15–20 км, содержит бóльшую часть рудных запасов земной коры. Нижняя граница гранитного слоя определяется по изменению скорости сейсмических волн и называется границей Конрада. Мощность базальтового слоя около 20 км, он содержит основные запасы тяжелых металлов. Нижняя граница базальтового слоя, которая является и границей земной коры, также прослеживается по изменению скорости сейсмических волн и называется границей Мохоровичича.

Океаническая кора имеет мощность 8–10 км и состоит из рыхлого осадочного слоя, лежащего на тонком базальтовом основании. Гранитный слой в океанической коре отсутствует.

34

5.1.2. Мантия Земли

Ниже базальтового слоя начинается мантия Земли, состоящая из верхней мантии мощностью 800–850 км и нижней мантии мощностью около 2 000 км. Плотность вещества к границе мантии с ядром достигает 5,5 г/см3, давление – 1,3 млн атмосфер, температура – 2 900 °С. Мантия состоит преимущественно из минералов, богатых кремнием и железом. Под действием высокого давления мантия Земли, несмотря на высокую температуру, находится, вероятно, в кристаллическом состоянии, за исключением нижней части верхней мантии, где влияние температуры сказывается сильнее, чем действие давления. Эта область, находящаяся либо в расплавленном, либо в аморфном состоянии,

называется астеносферой.

Внешний слой твердой Земли, включающий земную кору и часть верхней мантии, носит название литосферы. Литосфера лежит на астеносфере и расколота примерно на десять больших плит, по границам которых расположено подавляющее большинство очагов вулканической деятельности и землетрясений.

Слои земной коры состоят из горных пород и минералов. Минерал – природное химическое соединение или самород-

ные химические элементы, которые возникли в результате определенных физико-химических процессов, протекающих в земной коре и на ее поверхности.

Горные породы – природные агрегаты минералов более или менее определенного состава и строения, являющиеся продуктами геологических процессов и образующие в земной коре самостоятельные тела.

В зависимости от условий формирования горные породы делятся на три генетические группы:

1)магматические – образуются в процессе охлаждения и затвердевания или кристаллизации естественного высокотемпературного расплава – магмы, излившейся как на глубине в пределах земной коры (интрузивные породы), так и на ее поверхности (эффузивные породы);

2)осадочные – образуются в поверхностных экзогенных условиях в результате взаимодействия физических, химических и биологических процессов;

3)метаморфические – породы, возникшие за счет преобразования в градиентном поле температуры и давления различных

35

видов пород, утратившие признаки первичного минерального состава, но сохранившие твердое состояние и в главных чертах свой химический состав.

5.1.3. Ядро Земли

Нижние слои мантии граничат с ядром Земли, которое состоит из двух условно выделяемых частей: внешнее ядро (содержит 52 % железа и 48 % смеси железа с серой) и внутреннее ядро, или так называемое субъядро (содержит 80 % железа и 20 % никеля). Ядро по массе составляет 34 % от массы Земли. Внешнее ядро находится в жидком состоянии с плотностью от 9,5 до 12,3 г/см3. Субъядро находится в твердом состоянии с плотностью 13–14 г/см3. Температура в центре ядра достигает 5 000 °С. Благодаря большому давлению и высокой температуре внутри ядра Земли многие электроны атомов и молекул становятся свободными и, образуя гигантские вихри, формируют магнитное поле планеты.

5.2.Внешние сферы Земли

Квнешним оболочкам Земли относится гидросфера и атмо-

сфера.

Гидросфера – водная оболочка Земли (70,8 % поверхности Земли), включающая в себя всю химически несвязанную воду. На ранних этапах эволюции Земли гидросфера на ее поверхности отсутствовала. Вода выделилась из недр Земли в результате ее тектонической активности. Выделение воды и формирование гидросферы продолжается и в настоящее время. Вода присутствует на Земле в трех фазовых состояниях: твердом, жидком и газообразном. Из 1,4 млрд км3 общего объема вод гидросферы 94 % приходится на Мировой океан (непрерывная водная оболочка Земли, окружающая материки и острова и имеющая общий солевой состав); 4 % – на подземные воды; около 1,6 % – на ледники и постоянные снега; 0,4 % – на поверхностные воды (реки, озера, болота и др.).

Атмосфера – это воздушная оболочка Земли, которая состоит из смеси газов (воздуха), водяного пара и примесей (аэрозолей). Атмосфера в процессе эволюции Земли претерпела существенные изменения. Около 3,8 млрд лет назад атмосфера Земли, как предполагают ученые, состояла в основном из углекислого газа, азота и водорода. Кислород начал появляться в атмосфере около 2,0–2,5 млрд лет назад. Его содержание тогда не превыша-

36

ло десятых долей процента. Сейчас атмосфера у поверхности Земли содержит (по объему) более 78 % азота, 21 % кислорода и менее 1 % остальных газов, в том числе 0,93 % аргона. Ее масса составляет 5,15∙1018 кг. Состав и масса атмосферы в настоящее время во многом определяются жизнедеятельностью растений, животных и человека.

Контрольные вопросы

1.Какую форму имеет Земля?

2.Какова внутренняя структура Земли?

3.Какие основные типы земной коры выделяют в настоящее время?

4.В каких фазовых состояниях присутствует вода на Земле?

5.Каков состав современной атмосферы?

Тестовые задания для самостоятельного контроля знаний

Ответы на тестовые задания предполагают один правильный ответ из четырех предложенных вариантов.

№ 1. Космология изучает:

а) происхождение и развитие небесных тел; б) устройство Солнечной системы;

в) Вселенную в целом, ее свойства и эволюцию; г) происхождение жизни и разума во Вселенной.

№2. Открытие Э. Хабблом того, что скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию между ними, явилось наблюдательным подтверждением модели:

а) Большого взрыва; б) стационарного состояния Вселенной;

в) расширяющейся Вселенной; г) пульсирующей Вселенной.

№3. Смещение спектральных линий излучения далеких галактик

вобласть низких частот в космологии получило название:

а) красной границы фотоэффекта; б) частотного сдвига; в) ультрафиолетовой катастрофы; г) красного смещения.

№ 4. Метагалактика – это:

а) упорядоченное скопление звезд; б) видимая часть Вселенной;

в) галактика, в которой находится Солнечная система; г) ячеистая структура Вселенной.

37

№ 5. Наша галактика относится к … галактикам. а) шаровым; б) неправильным;

в) эллиптическим; г) спиральным.

№6. Наша Галактика называется: а) Солнечная туманность; б) Млечный путь; в) Метагалактика;

г) Туманность Андромеды.

№7. К обязательным признакам (атрибутам) планеты относится: а) протекание в ее недрах термоядерных реакций; б) шарообразная форма; в) наличие спутников и колец; г) наличие атмосферы.

№8. Парсек – это:

а) фундаментальная частица, передающая взаимодействие; б) единица измерения расстояния в микромире;

в) элементарная частица, лежащая в основе структуры вещества; г) единица измерения межгалактических расстояний.

№9. Согласно небулярной гипотезе Канта – Лапласа, формирование Солнечной системы…

а) произошло благодаря столкновению Солнца с огромной кометой, вырвавшей из него фрагмент, который затем распался на планеты; б) произошло благодаря взрыву первичного компактного тела –

протозвезды; в) было сложным комплексом процессов – механических, элек-

тромагнитных, ядерных, тепловых; г) происходило в результате эволюционного развития пылевой

туманности, образующейся из вещества, рассеянного во Вселенной.

№10. В число слоев, выделяемых внутри нашей планеты Земля, не входит:

а) промежуточное ядро; б) внутреннее ядро; в) мантия; г) кора.

№11. Основную информацию о составе и динамике глубоких недр Земли приносит:

а) просвечивание Земли рентгеновскими лучами; б) анализ распространения сейсмических волн; в) глубокое бурение земной коры;

г) изучение состава продуктов извержения вулканов.

38

№12. Форма Земли – это: а) шар;

б) уплощенный в центре диск; в) геоид; г) эллипсоид.

№13. Солнечная система устроена так, что…

а) планеты-гиганты в среднем в десятки раз дальше от Солнца, чем планеты земной группы;

б) все планеты имеют спутники; в) планеты земной группы обращаются вокруг Солнца в одну

сторону, а планеты-гиганты – в противоположную; г) все планеты имеют окружающие их яркие кольца.

№ 14. По современным научным данным о возрасте Земли можно утверждать, следующее:

а) он составляет 4,5–4,7 млрд лет; б) он не превышает 10 тыс. лет, иначе это противоречило бы Библии;

в) Земля, как и другие планеты, сформировалась раньше Солнца; г) Земля – самая молодая из планет Солнечной системы.

Библиографический список

1.Вселенная / Под ред. М. Риса; Пер. с англ. И.Н. Алгеева, М.Я. Рутковской. М.: Астрель, 2006. 512 с.

2.Гриб А.А. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. 311 с.

3.Дубкова С.И. Солнце в интерьере Галактики. М.: Белый город, 2005.

192 с.

4.Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник.

/Под ред. М.Ф. Жукова. Новосибирск: ЮКЕА, 1997. 832 с.

5.Карпенков С.Х. Современное естествознание. М.: Академический проект, 2003. 312 с.

6.Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов. / Под ред. Л.А. Михайлова. СПб.: Питер, 2009. 335 с.

7.Романов В.П. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. М.: Вузовский учебник, 2008. 282 с.

8.Файг О. Вселенная: от Большого Взрыва до черных дыр. М.: Эксмо, 2012. 320 с.

9.Фейгин О.О. Поразительная Вселенная. М.: Эксмо, 2011. 288 с.

39

Учебное издание

Современная концепция астрономической картины мира

Методические указания к семинарским занятиям и самостоятельной работе

Составители: Никитина Екатерина Ивановна Паули Ирина Анатольевна

Редактор Д.И. Пенчук Компьютерная верстка Ю.В. Борцовой

Изд. лиц. ЛР № 021277 от 06.04.98 Подписано в печать 13.11.2015

2,5 печ. л. 2,0 уч.-изд. л. Тираж 150 экз. Заказ № 2962

Издательство Сибирского государственного университета путей сообщения

630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191 Тел. / факс: (383) 328-03-81. E-mail: bvu@stu.ru

40