Урок 33

Тема: Происхождение Солнечной системы

Цель: Возраст Земли и других тел Солнечной системы. Радиоизотопный метод определения. Основные закономерности в Солнечной системе. Теории образования Солнечной системы (Канта, Лапласа, Шмидта и другие).

Задачи :
1. Обучающая : ввести понятия: радиоизотопного метода, возраста объектов Солнечной системы.

2. Воспитывающая : распространить идею развития (эволюции) от конкретные небесные тела (планеты) к Солнечной системе и всей Вселенной.

3. Развивающая : Формирование умений анализировать информацию, объяснять свойства систем и отдельных тел на основе важнейших физических теорий, использовать обобщенный план для изучения последовательности эволюции и делать выводы.
Знать:

– радиоизотопный метод определения возраста, возраст Солнечной системы (Солнца, Земли и Луны), некоторые закономерности в Солнечной системе, современную теорию образования Солнечной системы.
Уметь:

– вычислять возраст используя радиоизотопный метод.

Ход урока:

1. Новый материал

Раздел астрономии , занимающийся изучением происхождения и эволюции небесных тел, - звезд (в том числе Солнца), планет (в том числе Земли) и других тел планетной системы, называется космогонией.
1. Возраст тел Солнечной системы
Определение возраста основано на использовании радиоизотопного метода - исследования содержания радиоактивных элементов (изотопов химических элементов) в породах. Метод предложен в 1902г Пьером Кюри и разработан совместно с Эрнестом Резерфорд ().
Радиоактивный распад зависит от внешних факторов (Т, р, химических взаимодействий) и количество распавшихся атомов определяется формулой N=No.2-t/T , где Т - период полураспада. Так например U235 имеет период полураспада 710 млн. лет, а U,5 млрд. лет. Возраст оценивают по соотношению Pb206/U238, так как свинец конечный не радиоактивный продукт распада.
Метод абсолютного геохронологию для последних 60тыс лет - радиоуглеродный метод, основанный на излучении радиоактивного 14С, открытого при исследовании процесса фотосинтеза в 1941г в Беркли М. Камен и С. Рубен с периодом полураспада 5568 лет разработан Уилард Фрэнк Либби (1946г, США). На Земле для 94 химических элементов имеется 350 изотопов.
Возраст Солнца 4,9 млрд. лет, то есть оно относится к звездам второго поколения, возникшие из газо-пылевых комплексов.
Солнечная система считается имеет возраст порядка более 4,6 млрд. лет.
Последние исследования в конце 2005 года показали что возраст Луны составляет 4 млрд 527 млн лет. По оценкам ученых, ошибка измерения может составить максимум 20-30 млн лет.
Возраст самых древних пород на Земле (коры) составляет 3960 млн. лет.
Вулканические и осадочные породы комплекса Пилбара, что к западу от Большой песчаной пустыни в Австралии - одни из самых старых пород на 3емле, показывающая что жизнь на планете Земля появилась 3,416 миллиардов лет назад.

2. Закономерности в Солнечной системе
Космологическая гипотеза образования Солнечной системы должна объяснить закономерности, наблюдаемые в ней. Вот некоторые из них:
1 . Орбиты всех планет лежат практически в одной плоскости, которая называется плоскостью Лапласа .
2 . Эксцентриситеты орбит планет очень малы.
3 . Среднее расстояние планет от Солнца подчиняется определенной закономерности, которая называется правилом Тициуса-Боде .
4 . Планеты движутся вокруг Солнца в направлении его вращения, как и большинство их спутников.
5 . Астероиды (Главный пояс) расположены на таком расстоянии от Солнца, где, согласно правилу Тициуса-Боде, должна быть планета.
6 . Все планеты Солнечной системы, кроме планет ближайших к Солнцу, Меркурия и Венеры, имеют естественные спутники.
7 . Наблюдается положительная корреляция угловой скорости вращения планет с их массой: чем больше масса, тем больше и скорость вращения. Исключения - снова Меркурий и Венера.
8. В параметрах движений планет и их спутников выдерживаются соизмеримости, указывающие на явления резонанса.
9. Большинство планет (исключая Венеру и Уран) вращаются в направлении обращения вокруг Солнца.
10. На долю планет приходится 98% количества движения в Солнечной системе при всего 0,1 массы Солнца.
11. По своим физическим характеристикам планеты резко делятся на земную группу и гиганты.
12. Равенство угловых размеров Солнца и Луны при наблюдениях с Земли, привычное с детства и обеспечивающее нам возможность наблюдать полные (не кольцеобразные) солнечные затмения.
13. Равенство отношений диаметра Солнца к диаметру Земли и расстояния от Солнца до Земли к диаметру Солнца с точностью до 1%: 1390000: 12751 = 109 и: 1390000 = 108
14. Равенство периода обращения Луны вокруг Земли периоду ее вращения вокруг оси (сидерический лунный месяц, 27.32 сут.) и кэррингтоновскому периоду вращения Солнца (27.28 сут.). Шугрин и Обут указывают, что 600-650 млн. лет назад синодический лунный месяц был равен 27 современным суткам, т. е. был точный резонанс с Солнцем.
15. "Солнечный квадрат". Интересное свойство периодичности солнечной активности, датированная 1943 годом. Приводится среднее значение продолжительности цикла солнечной активности за 17 циклов (128 лет), среднее значение для послемаксов (период максимум-минимум солнечного цикла) Р=6.52 лет, а также среднее значение для передмаксов (период минимум-максимум солнечного цикла) N=4.61 года. При этом наблюдается следующая закономерность: (6.52)2/(4.61)2=42.51/21.25=2 или P/N=√2.
И другие закономерности. Создавая гипотезу образования Солнечной системы, необходимо все закономерности учесть и объяснить.

3. Гипотезы образования Солнечной системы

Гипотезы об образовании нашей Солнечной системы можно разбить на две группы: катастрофические и эволюционные . Космогонические гипотезы
Первые гипотезы появились задолго до того, как стали известны многие важные закономерности Солнечной системы. Отбрасывая теории создания Солнечной системы как одновременный акт божественного творения, остановимся на наиболее значимых теориях в которых происхождение небесных тел объясняется результатом естественного процесса и содержали правильные идеи.
1 . Гипотеза Канта - первая универсальная естественно-философская концепция, разработанная в гг. В его гипотезе небесные тела произошли из гигантского холодного пылевого облака под действием тяготения. В центре облака образовалось Солнце, а на периферии - планеты. Таким образом, изначально высказывалась мысль, что Солнце и планеты возникли одновременно .
2 . Гипотеза Лапласа - в 1796г выдвинул гипотезу о происхождении Солнечной системы из единой раскаленной вращающейся газовой туманности, не зная теории И. Канта . Планеты зарождались на границе туманности путем конденсации охлажденных паров в плоскости экватора и от охлаждения туманности постепенно сжималась, вращаясь все быстрее и когда центробежная сила становится равной силе тяготения, образуются многочисленные кольца, которые, уплотняясь, делясь на новые кольца, создали сперва газовые планеты, а центральный сгусток превратился в Солнце. Газовые планеты, остывали и сжимались, образуют вокруг кольца из которых затем возникли спутнике планет (кольцо Сатурна считал верностью своих рассуждений). В теории одновременно происходит формирование всех тел Солнечной системы: Солнца, планет, спутников. Приводит 5 фактов (явно недостаточно)- особенностей Солнечной системы, исходя из закона тяготения. Это первая, разработанная в математической форме, теория и существовала почти 150 лет, вплоть до теории .
Гипотеза Канта-Лапласа не могла объяснить, почему в солнечной системе более 98% момента количества движения принадлежит планетам. Подробно эту проблему изучил английский астрофизик Хойл . Он указал на возможность передачи момента количества движения от "протосолнца" к окружающей среде с помощью магнитного поля.
3. Одной из самых распространенных катастрофических гипотез была гипотеза Джинса . Согласно этой гипотезе вблизи Солнца прошла звезда, которая своим притяжением вырвала с поверхности Солнца струю газа, из которой образовались планеты. Главный недостаток этой гипотезы состоит в том, что вероятность того, что звезда окажется на близком расстоянии от Солнца очень мала. Кроме того, в сороковых-пятидесятых годах, когда обсуждалась эта гипотеза, считалось не требующим доказательства существование множественности миров, а, следовательно, вероятность образования планетной системы не должна быть малой. Советский астроном Николай Николаевич Парийский своими расчетами убедительно показал ничтожно малую вероятность образования планетной системы, а следовательно и жизни на других планетах, что противоречило господствующим в те времена взглядам философов. Представление об исключительности солнечной планетной системы приводила, якобы, к идеалистической концепции антропоцентризма, с чем ученый-материалист не может согласиться.
4. Еще одна современная катастрофическая гипотеза. В начальный момент существовали Солнце, протопланетная туманность и звезда, которая в момент прохождения около Солнца взорвалась и превратилась в сверхновую. В формировании планет из этого протопланетного облака сыграли определяющую роль ударные волны. Сильную поддержку эта гипотеза получила, как пишет в книге "Парад планет", в результате анализа химического состава большого метеорита Альенде. В нем оказалось аномально много кальция, бария и неодима.
5. Еще интереснее катострофическая гипотеза российского астрофизика профессора Санкт-Петербургского университета Кирилла Павловича Бутусова, предсказавшего начале 70-х наличие планет за Нептуном. Американцы, наблюдая кометы с долгими периодами обращения вокруг Солнца, пришли к выводу о наличии на большом расстоянии от нашего светила некоего массивного тела, «коричневого карлика» и назвали его Люцифер. Эту предполагаемую вторую звезду Солнечной системы Бутусов назвал Раджа-Солнцем с массой около 2% солнечной. Сведения о ней хранят тибетские легенды. Ламы считают ее металлической планетой, тем самым подчеркивая ее огромную массу при небольших сравнительно размерах. Она движется по очень вытянутой орбите и появляется в наших краях раз в 36 тысяч лет. Бутусов предполагает, что Царь-Солнце когда-то опережало в своем развитии Солнце и было главной звездой двойной системы. Потом, следуя естественным процессам, прошло фазу красного гиганта, взорвалось и превратилось в конце концов в белого, а затем коричневого карлика. Планетная система включала в себя Юпитер, Нептун, Землю и Меркурий. Возможно, на них имелась жизнь, опережавшая современную на пару сотен миллионов лет (иначе как объяснить наличие следов человека рядом со следами динозавров?). Остальные планеты принадлежали Солнцу. Сильно потеряв в массе, Раджа-Солнце передало свою «свиту» нынешнему Солнцу. Во время всех этих космических пертурбаций Земля перехватила Луну у Марса. Многие легенды гласят, что раньше у нашей планеты спутника не было. Возможно, возле Раджи-Солнца до сих пор сохранились несколько планет с несоизмеримо более высокой цивилизацией, чем наша. И они оттуда инспектируют Землю. Но против Раджи-Солнца говорит тот факт, что Бутусов ожидал его появления к 2000 году, но оно так и не появилось.
5 . Общепризнанная нынешняя теория - теория Шмидта .
Космологические модели

1. Глоба, в которой возникает протозвезда (в частности наше Солнце), сжимается, увеличивая скорость вращения. В ходе более быстрого сжатия протозвезды, она образует диск из вещества, окружающего будущую звезду. Часть в первую очередь близлежащего вещества диска падает на образующуюся звезду под действием силы тяготения. Газ и пыль, оставшаяся в диске и обладающая избыточным моментом вращения, постепенно охлаждается. Вокруг протозвезды формируется газопылевой протопланетный диск.
2. Охлажденное вещество в диске становясь более плоским, уплотняясь, начинает собираться в небольшие сгустки – планетезимали, образуя рой миллиардов сгустков размером около километра, которые при своем движении сталкивались, разрушаясь и объединяясь. Наиболее крупные сохранились - образуя планетные ядра, а с их ростом увеличивающаяся сила тяготения способствовала поглощению близко расположенных планетезималей и притяжению окружающего газа и пыли. Таким образом через 50 млн. лет образовались гигантские газовые планеты. В центральной части диска происходило дальнейшее развитие протозвезды - сжимается и разогреваться.
3. Через 100 млн. лет протозвезда превращается в звезду. Возникшее излучение нагревает облако до 400К, образуется зона испарения и начинается выталкивание водорода и гелия на более удаленное расстояние, оставляя вблизи более тяжелые элементы и имеющиеся крупные планетезимали (будущие планеты земной группы). В процессе гравитационной дифференциации вещества (разделения на тяжелые и легкие) образуется ядро планеты и ее мантия.
4. В наружной, более удаленной от Солнца части Солнечной системы на 5 а. е. образуется зона намерзания с температурой примерно 50К и здесь образовались большие планетные ядра, которые оказались способными удержать некоторое количество газа в виде первичного облака. В нем в дальнейшем сформировалось большое число спутников, а из остатков кольца.
5. Луна и спутники Марса (как и некоторые спутники планет гигантов) бывшие планетезимали (позже астероиды) удержанные (захваченные) силами гравитации планет.
Вот еще одна из теорий образования Солнечной системы :
На первых порах Солнце двигалось по орбите вокруг центра галактики в полном одиночестве.
Материальные тела с признаками планет, входящими в настоящее время в состав нашей солнечной системы также существовали сами по себе, без какой-либо связи друг с другом, хотя и располагались в относительной близости от Солнца и перемещались в одном с ним направлении. Каждый из этих объектов, находившийся на определённой стадии развития, был окружён глубоким разряжением, уровень которого напрямую зависел от размеров небесного тела. Наибольшей массой обладало Солнце, что, естественно, обуславливало существование вокруг него самого сильного разряжения. Поэтому именно туда были устремлены и самые мощные потоки гравитационного вещества, которые, повстречав на своем пути планеты, начинали медленно сдвигать их к Солнцу.
Первым в зону действия околосолнечной гравитации попал Меркурий. С приближением к светилу он начинал испытывать с солнечной стороны нехватку гравитационных масс, необходимых для собственной эволюции, что вынуждало его уклоняться в сторону от прямолинейного направления и огибать Солнце стороной. Миновав последнее, Меркурий удалялся от него, но под напором встречных потоков материи вынужден был поворачивать обратно, вновь и вновь повторяя возвратно-вращательные движения вокруг центра образующейся системы тел по своей эллиптической орбите, добавляя при этом к околосолнечной пустоте собственное разряжение. Это выражается в существовании пустоты не только вокруг самой планеты, но и в её образовании на всём протяжении орбиты, по которой движется Меркурий.
Так начала создаваться наша Солнечная система.
Второй в окружении Солнца появилась Венера, которая практически в точности повторила судьбу Меркурия, заняв следующую за ним орбиту. Своё отличающееся от других планет вращение вокруг собственной оси Венера приобрела в процессе своего формирования, и оно никак не связано с образованием Солнечной системы.
Земля и другие материальные объекты, обладающие спутниками, были вовлечены в орбитальное движение вокруг Солнца, уже имея собственную систему тел.
Существующий за Марсом пояс астероидов, расположенный на орбите, ранее, несомненно, принадлежал небольшой, практически не вращающейся вокруг оси, планете Фаэтон, разрушившейся около 65 млн. лет назад. Аналогичную природу имеют и кольца вокруг некоторых планет. Основная масса взорвавшихся космических объектов собралась и равномерно распределилась по всему орбитальному разряжению, образовавшемуся при их вращении до катастрофы.
Непрекращающееся движение гравитационных масс к центру Солнечной системы по-прежнему не только изменяет качественное состояние последней, но и перемещает к ней свободные материальные объекты, которым предстоит в отдалённом будущем стать спутниками Солнца.
Так сформировалась наша Солнечная система, но процесс её пополнения новыми небесными телами не завершился, он будет продолжаться ещё многие миллионы лет.
Но каков же возраст Солнечной системы? Учёные установили, что около трёхсот миллионов лет Земля была ледяным шаром. В связи с этим, можно предположить, что в этот период температура Солнца была относительно невысокой и его энергии было недостаточно, чтобы обеспечить на нашей планете тепловой режим, сопоставимый с нынешним. Но подобное предположение совершенно неприемлемо, так как даже Марс, находящийся на значительно большем расстоянии от Солнца, чем Земля, и получающий гораздо меньше тепловой энергии , до столь низкой температуры так и не остыл.
Более правдоподобным выглядит объяснение феномена глобального обледенения Земли тем, что она тогда находилась очень далеко от Солнца, т. е. за пределами пространства современной Солнечной системы. Из этого вытекает важный вывод: триста миллионов лет назад Солнечной системы, как таковой не существовало, Солнце двигалось по просторам Вселенной в одиночестве, в лучшем случае, в окружении Меркурия и Венеры.
Таким образом, можно доказательно утверждать - приблизительный возраст Солнечной системы значительно меньше трёхсот миллионов лет!

Одна из современных теорий образования Земли

4. Планеты у других звезд (экзопланеты) в Википедии
Мысли о существовании других миров высказывались еще древнегреческими философами: Ливкипп, Демокрит, Эпикур. Также мысль о существовании у звезд других планет высказал в 1584г Джордано Бруно (1548-17.02.1600, Италия). По состоянию на 24.04.2007 года открыто 219 внесолнечных планет в 189 планетных системах, 21 многочисленная планетная система. Первая экзопланета открыта в 1995 году у звезды 51 Pegasi, находящейся в 14,7 пк от нас астрономами Женевской обсерватории Мишель МАЙОР (M. Mayor) и Дидье КВЕЛОЦ (D. Queloz).
Профессор астрономии Калифорнийского университета в Беркли Джеффри Марси (Geoffrey Marcy) и астроном Пол Батлер (Paul Butler) из Университета Карнеги объявили 13 июня 2002г об открытии планеты класса Юпитера, которая обращается вокруг своей звезды на расстоянии приблизительно равном тому, на котором наш Юпитер облетает Солнце. Звезда 55 Cancri удалена от Земли на расстоянии 41 светового года и относится к типу солнцеподобных звезд. Открытая планета удалена от звезды на. 5,5 астрономических единицы (Юпитер на 5,2 астрономические единицы). Период ее обращения составляет 13 лет (для Юпитера - 11,86 лет). Масса - от 3,5 до 5 масс Юпитера. Так впервые за 15 лет наблюдений международной команде "охотников за планетами у других звезд" удалось обнаружить планетарную систему, напоминающую нашу. Сейчас известно таких систем семь.
С помощью орбитального телескопа Hubble студент Университета Пенсильвании Джон Дебес (John Debes), работавший над проектом по поиску звезд в других системах, в начале мая 2004 г впервые в истории сфотографировал планету в другой системе, расположенную на расстоянии примерно 100 световых лет от Земли, подтвердив наблюдение в начале 2004 году телескопом VLT (Чили) и впервые полученную фотографию спутника у звезды 2M 1207 (красный карлик). Его массу оценивают в 5 масс Юпитера, а радиус орбиты в 55 а. е.

Дома:

Закономерность в распределении расстояний планет от Солнца выражается эмпирической зависимостью а. е. , которое называют правилом Тициуса-Боде. Ее не объясняет ни одна из существующих космогонических гипотез, но интересно, что в таблице ее иллюстрирующую явно не вписывается Плутон. Возможно это тоже одна из причин решения МАС (какие положены в определение планеты? ) об исключении Плутона из числа больших планет? [В определение планеты включены три положения: 1) обращается вокруг Солнца, 2) достаточна велика (больше 800 км) и массивна (выше 5x1020 кг), чтобы принять шарообразную форму, 3) рядом с ее орбитой нет тел сравнимых размеров. Эта причина также подходит, так как в поясе Койпера есть тела по своим размерам превосходящие Плутон.]

Возраст Земли определяют разными методами. Самый точный из них состоит в определении возраста горных пород. Он заключается в подсчете отношения количества радиоактивного урана к количеству свинца, находящихся в данной породе. Дело в том, что свинец является конечным продуктом самопроизвольного распада урана. Скорость этого процесса известна точно, и изменить ее нельзя никакими способами. Чем меньше урана осталось и чем больше свинца накопилось в породе, тем больше ее возраст. Самые древние горные породы в земной коре имеют возраст несколько миллиардов лет. Земля в целом возникла, очевидно, несколько раньше, чем земная кора. Изучение окаменелых остатков животных и растений показывает, что за последние сотни миллионов лет излучение Солнца существенно не изменилось. По современным оценкам возраст Солнца составляет около 5 млрд. лет. Солнце старше Земли

Есть звезды, которые много моложе, чем Земля, например - горячие сверхгиганты. По темпу расходования энергии горячими сверхгигантами можно судить о том, что возможные запасы их энергии позволяют им расходовать ее так щедро лишь короткое время. Значит, горячие сверхгиганты молоды - им 10 6 -10 7 лет.

Молодые звезды находятся в спиральных ветвях галактики, как и газовые туманности, из вещества которых возникают звезды. Звезды, не успевшие рассеяться из ветви, молоды. Выходя из ветви, они стареют.

Звезды шаровых скоплений, по современной теории внутреннего строения и эволюции звезд, самые старые. Им может быть более 10 10 лет Ясно, что звездные системы - галактики должны быть старше, чем звезды, из которых они состоят. Возраст большинства из них должен быть не меньше чем 10 10 лет

В звездной Вселенной происходят не только медленные изменения, но и быстрые, даже катастрофические. Например, за время порядка года обычная на вид звезда вспыхивает, как «сверхновая» (§ 24.3), и примерно за то же время ее яркость спадает.

В результате она, вероятно, превращается в крохотную звезду, состоящую из нейтронов и вращающуюся с периодом порядка секунды и быстрее, (нейтронную звезду). Ее плотность возрастает до плотности атомных ядер (10 16 кг/м), и она становится мощнейшим излучателем радио- и рентгеновских лучей, которые, как и ее свет, пульсируют с периодом вращения звезды. Примером такого пульсара , как их называют, служит слабая звездочка в центре расширяющейся Крабовидной радиотуманности ($ 24.3). Остатков вспышек сверхновых звезд в виде пульсаров и радиотуманностей, подобных Крабовидной, известно уже много.

Вопрос о происхождении Солнечной системы должен решаться вместе с проблемой происхождения и развития звезд. Пожалуй, ее трудно решить правильно без знания того, как формируются и развиваются галактики.

Современные теории внутреннего строения небесных тел, а также планетарная космогония, в качестве исходной, экспериментальной базы для оценок возраста небесных тел, используют результаты исследований возраста горных пород, солнечного нейтрино или других данных, полученных при изучении внешнего слоя небесного тела.

Так как на основании модели вихревой космогонии небесные тела создавались путем накопления космической материи, то отсюда следует вывод - каждый внутренний слой должен иметь собственный возраст, превышающий возраст наружного слоя этой же планеты или звезды. Следовательно, по данным исследований наружных пород или любых излучений исходящих от этих пород невозможно оценивать возраст внутреннего вещества или небесного тела в целом.

На основании вихревой гравитации и сотворения небесных тел, допустимо определять возраст планет простым делением массы планеты к соответствующему ежегодному приросту массы этой планеты.

С учетом вышеизложенного, возраст Земли составляет - 15,6 млрд. лет.

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ

Как известно, в середине прошлого века при изучении строения галактики было обнаружено несоответствие распределение звезд распределению гравитационного потенциала.

Научное мнение разделилось на две группы.

Некоторые ученые утверждали, что теория гравитации Ньютона, созданная на базе наблюдений за планетами в солнечной системе, не верна в более крупных астрономических масштабах

Большинство исследователей сошлись во мнении, что часть материи (30%) не испускает фотоны, поэтому она не видна. Но именно эта материя уравновешивает гравитационный потенциал в галактике. Невидимая материя получила название темной материи.

Очевидно, что теория вихревой гравитации не испытывает затруднений в объяснение этого астрономического «парадокса», так как сила всемирной гравитации зависит не от масс звезд, а только от скорости вихревого вращения и градиента давления галактического эфира. Величину вихревой гравитации в любой галактике возможно определить в соответствии с гл. 2.1. Полученное значение силы гравитации полностью уравновешивает центробежные силы звезд и, тем самым, отпадает необходимость в использовании гипотетической темной материи.