9. Солнечная система. Солнце

Происхождение и структура Солнечной систе­мы. В центре Солнечной системы находится звезда Солнце. Вокруг него обращаются 9 больших планет вместе со своими спутниками, множество малых планет — астероидов. В Солнечную систему входят, кроме того, многочисленные кометы и межпланетная среда. Большие планеты располагаются в порядке удаления от Солнца следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон (рис. 5.2). Три последние планеты можно наблюдать с Земли только с помощью телескопа. Остальные видны, как яркие светящиеся диски не­больших диаметров, и известны людям с древних времен.

На протяжении многих веков и даже тысячелетий ученые пытались выяснить прошлое, настоящее и бу­дущее Вселенной, в том числе и Солнечной системы. Однако возможности планетной космологии и по сей день остаются весьма ограниченными — для эксперимента

в лабораторных условиях доступны пока лишь метеориты и образцы лунных пород.

К настоящему времени известны различные гипоте­зы о происхождении Солнечной системы. Так, француз­ский математик и физик Р. Декарт (1596— 1650), считая вихревое движение устойчивым, предполагал, что Сол­нце и планеты со спутниками образовались из первич­ных и вторичных вихрей. По мнению немецкого фило­софа И. Канта (1724— 1804), Солнечная система сфор­мировалась в результате конденсации вращающегося облака межпланетного газа. Развивая идею И. Канта, французский математик и физик П. Лаплас (1749 — 1827) полагал, что Солнечная система произошла из сжимающейся газовой туманности. При этом часть газообразного вещества отделялась от центрального сгустка под действием центробежной силы (в резуль­тате ускорения в ходе сжатия), и из него образовались планеты.

Согласно современным представлениям, планеты Солнечной системы образовались из холодного газопы­левого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет на­зад. Подобная точка зрения наиболее последовательно отражена в гипотезе российского ученого, академика О.Ю.Шмидта (1891 — 1956). По его мнению, планеты образовались в результате объединения пылевых час­тиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако сна­чала состояло из 98% водорода и гелия. Остальные эле­менты конденсировались в пылевые частицы. Беспоря­дочное движение газа в облаке быстро прекратилось и сменилось равномерным движением облака вокруг Солнца. Пылевые частицы сконцентрировались в цен­тральной плоскости, образовав слой повышенной плот­ности. Когда плотность слоя достигла некоторого кри­тического значения, его собственное тяготение стало «соперничать» с тяготением Солнца. Слой пыли ока­зался неустойчивым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них начинали двигаться по круговым орбитам и в сво­ем росте обгоняли другие тела, став потенциальными зародышами будущих планет. Как более массивные тела они присоединяли к себе оставшееся вещество газопы­левого облака. В конце концов сформировалось девять больших планет, движение которых по орбитам остается устой­чивым на протяжении миллиардов лет. В соответствии с этой гипотезой Солнце образовалось раньше планет. По современным оценкам, возраст Солнца не менее 5 млрд лет.

С учетом физических характеристик все планеты делятся на две группы. Одна из них состоит из срав­нительно небольших планет земной группы — Мерку­рия, Венеры, Земли и Марса. Их вещество отличается относительно высокой плотностью: в среднем около 5,5 г/см³, что в 5,5 раза превосходит плотность воды. Другую группу составляют планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огром­ными массами. Так, масса Урана равна примерно 14,5 земных, а Юпитера — 318. Состоят планеты-гиганты главным образом из водорода и гелия, а средняя плот­ность их вещества близка к плотности воды. По-види­мому, они не имеют твердой поверхности в отличие от планет земной группы.

Особое место занимает девятая планета — Плутон, открытая в марте 1930 г. По своим размерам она близ­ка к планетам земной группы. Сравнительно недавно обнаружено, что Плутон — двойная планета: она состо­ит из центрального тела и очень большого спутника. Оба небесных тела обращаются вокруг общего центра масс.

Солнце. Солнце - это ближайшая к нам звезда, центр Солнечной системы, в котором сосредоточена почти вся ее масса (99.85%). Оно представляет собой гигантский светящийся раскаленный плазменный шар, равновесие которого обеспечивается балансом между гравитационной силой и давлением горячего вещества (газа) и излучения, Масса Солнца равна 1.99-10³⁰ кг, а радиус-6.96-10^вм. Примерно 68% его массы составляет водород, 30% - гелий, 2% - другие химические элементы. Период обращения вокруг собственной оси для Солнца равен 25.4 земных суток, а скорость движения вокруг центра Млечного Пути - около 200 км/с. По оценкам ученых, каждая двухсотая звезда в нашей Галактике подобна Солнцу.

Впервые идею о том, что Солнце - не центр Вселенной, а рядовая звезда в ней, высказал Дж. Бруно (1548-1600). В настоящее время известно, что Солнце является средней звездой. Оно образовалось около 5 млрд. лет назад из облака водорода, гелия и космической пыли - остатков погибших звезд предыдущих поколений. Сжатие этого вещества под действием сил всемирного тяготения привело к его нагреванию, начались ядерные реакции превращения водорода в гелий, появилось устойчивое свечение. Считается, что Солнце будет светить еще приблизительно 5-7 млрд. лет, пока не закончатся запасы его водородного топлива.

Все планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца за счет гравитационного притяжения к нему. Солнце является основным источником энергии для большинства природных процессов, происходящих на Земле. Жизнь на Земле была бы невозможна без солнечного тепла и света. Солнечная энергия приводит в действие механизмы самоорганизации в атмосфере, гидросфере и биосфере Земли.

Солнце находится на расстоянии 149.6 млн. км от Земли. Когда Луна оказывается между Солнцем и Землей, она закрывает его: наступает солнечное затмение. В 1919 г. во время одного из таких затмений ученые впервые обнаружили искривление световых лучей вблизи Солнца, подтверждающее выводы общей теории относительности (ОТО) А.Эйнштейна (1879-1955) об искривлении пространства гравитационными полями, созданными массами. Смещение спектральных линий, излученных на Солнце, в сторону больших длин волн по сравнению с аналогичными линиями земного происхождения {красное смещение) подтвердило второе важное следствие ОТО - о гравитационном замедлении времени во Вселенной. Уменьшение частот спектральных линий при красном смещении свидетельствует об увеличении периодов колебаний их источников, т.е. о более медленном течении времени.

2. Источники солнечной энергии.

Источники тепла и света Солнца - реакции термоядерного синтеза гелия и других химических элементов из водорода, протекающие в его недрах с выделением огромного количества энергии. Силы гравитации стремятся сжать Солнце, и в его центре температура вещества достигает приблизительно 1.6-10⁷К. Этой температуры достаточно для синтеза гелия из водорода.

Возникающее электромагнитное излучение многократно поглощается и переизлучается, взаимодействуя с веществом и противодействуя сжатию Солнца. По мере удаления от центра температура и плотность солнечного газа падают. Излучение, покидающее Солнце, возникает в его тонком поверхностном слое -фотосфере, имеющем толщину 350 км. Его температура равна 5780 К. Полная мощность солнечного излучения составляет 3.86*10²⁶Вт. Над фотосферой располагаются хромосфера толщиной несколько тысяч километров и корона,простирающаяся на миллионы километров. Из короны вырываются потоки заряженных частиц - солнечный ветер.

Цвет Солнца определяется его поверхностной температурой Т, определяющей частоту излучения. В настоящее время оно является желтым карликом.

Излучение Солнца представляет собой сумму излучений разной температуры: рентгеновского, ультрафиолетового, оптического, инфракрасного и радиоизлучения. Основную долю потока солнечной энергии составляет оптическое излучение, которое совпадает с излучением тела, нагретого до 5780 К.

На поверхности Солнца в фотосфере периодически возникают холодные темные области {солнечные пятна), вызванные изменением магнитного поля. Солнечные пятна существуют в среднем 10-20 суток, имеют температуру около 4000 К, достигают размеров 200 тыс. км и обладают большим локальным магнитным полем до 4000 Э (13=79.6 А/м), превышающим среднее в несколько тысяч раз. Такое интенсивное поле тормозит движение газовых потоков из глубин Солнца, и на его поверхность поступает меньше энергии. Поэтому на ней и возникают холодные и темные участки.

Пятна на Солнце впервые обнаружил Г.Галилей (1564-1642) с помощью сконструированного им телескопа, дающего увеличение в 30 раз. По перемещению пятен он установил, что Солнце вращается и оценил скорость его вращения.

В хромосфере и короне над фотосферным пятном возникает дополнительный поток рентгеновского излучения и выбрасываются потоки горячей плазмы - вспышки и протуберанцы. Через 8 минут на Земле вследствие этого возникает внезапное ионосферное возмущение с изменением условий радиосвязи в отдельных частотных диапазонах.

Появление большого количества солнечных пятен вызывает изменения солнечной активности с характерным периодом, приблизительно равным 11.2 земного года. Нулевой номер присвоен циклу, максимум активности которого был в 1750 г. В настоящее время наблюдается 23-й цикл с максимумом в конце 2000 г. На годы, соответствующие максимуму активности Солнца, часто приходятся яркие природные и исторические события: изменение климата, катастрофы, эпидемии, войны, революции и т.д.

Зависимость между циклами солнечной активности и многими явлениями в биосфере была установлена в начале XX века русским ученым А.Л.Чижевским (1897-1964).

Солнце, излучающее за счет выделения ядерной энергии, медленно эволюционирует по мере изменения своего химического состава. После выгорания водорода в его центре и образования гелиевого ядра выделение ядерной энергии в нем прекратится, и ядро начнет интенсивно сжиматься. Когда его температура достигнет 100 млн. градусов, начнутся ядерные реакции превращения гелия в углерод. Водород будет продолжать гореть в тонкой оболочке, окружающей гелиевое ядро. Оболочка при этом расширится, поверхностная температура уменьшится, и оно станет красным гигантом.

Из-за недостаточной массы Солнце закончит свою эволюцию на стадии гелиевого горения. К концу своей жизни оно сбросит свою оболочку - планетарную туманность и превратится в белого карлика, сжавшись до размеров Земли или меньше и став горячей звездой. Через миллиарды лет белый карлик охладится и постепенно превратится в черного карлика, не излучающего свет. которого составляет 6370 км.

Планеты земной группы. Планеты этой группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс,— хотя и похожи друг на друга, но все же каждая из них имеет свои неповто­римые особенности. Планеты-гиганты. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун относятся к планетам-гигантам.

Юпитер — пятая по удалению от Солнца и самая большая планета Солнечной системы — находится на среднем расстоянии от Солнца 5,2 а. е. Он является мощным источником теплового радиоизлучения, об­ладает радиационным поясом и обширной магнитосфе­рой, имеет 28 спутников и два кольца, одно из которых шириной около 60 тыс. км.

Сатурн — вторая по величине планета Солнечной системы. Он имеет кольца, которые хорошо видны в телескоп. Их впервые наблюдал в 1610 г. Галилей с помощью созданного им телескопа, Кольца представ­ляют собой плоскую систему из мелких камней, льди­нок размером до 10 — 20 м. Сатурн имеет 30 спутников и радиационные пояса.

Уран — седьмая по порядку удаления от Солнца планета. Он имеет систему колец. Вокруг него обраща­ется 16 спутников: 6 из них обнаружены при наблюде­нии с Земли, а остальные — с помощью космических аппаратов.

Нептун — одна из самых удаленных от Солнца планет— имеет 13 спутников. Период его обраще­ния — 164,8 года. Нептун находится на сравнительно большом расстоянии от Земли (около 30 а. е.), что ог­раничивает возможность его детального исследования.

Современные астрономические средства наблю­дений, в том числе космические аппараты открывают большие возможности дальнейших исследований не только планет-гигантов, но и всей Солнечной систе­мы — наиболее изученной части Вселенной.