Климишин І. А., Крячко І. П. Астрономія: Підручник для 11 класу загальноосвітніх навчальних закладів



Скачати 137.63 Kb.
Дата конвертації26.04.2016
Розмір137.63 Kb.


Міністерство аграрної політики та продовольства України
Лубенський фінансово-економічний коледж

Полтавської державної аграрної академії

МАТЕРІАЛИ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО ВИВЧЕННЯ

З ДИСЦИПЛІНИ „АСТРОНОМІЯ”

ДЛЯ СТУДЕНТІВ 1 КУРСУ
Тема 2. Малі тіла Сонячної системи.

Етапи формування нашої планетної системи.


Спеціальність „Бухгалтерський облік”

„Економіка підприємства”

„Комерційна діяльність”

„Фінанси і кредит”

Розглянуто і схвалено на засіданні

циклової комісії природничо-математичних дисциплін

Протокол № ___ від _____________________

Голова циклової комісії _________________Л.І.Крят



Питання для самостійної підготовки

  • Малі тіла Сонячної системи – астероїди, комети, метеори.

  • Процес формування Сонячної системи


Поняття та терміни, які необхідно знати:

астероїд, пояс астероїдів, пояс Койпера, болід, метеор, метеорит, комета, хмара Оорта, протозоря, планетезималі, метероїд



Питання для самоперевірки

1. Що називають малими тілами Сонячної системи?

2. Що таке космічне сміття?

3. В якому році відкрили перший астероїд (малу планету)? Як його назвали?

4. Між орбітами яких планет розміщений пояс астероїдів?

5. Що називають болідом? Чим спричиняється це явище?

6. У чому полягає різниця між метеором і метеоритом?

7. Які є види метеоритів?

8. Які складові виділяють у будові комети, коли вона проходить поблизу Сонця? З чого вони складаються?

9. Опишіть гіпотезу формування Сонячної системи.



Рекомендована література:

  1. Климишин І. А., Крячко І. П. Астрономія: Підручник для 11 класу загальноосвітніх навчальних закладів. — К.: Знання України, 2002 та 2004 р. — §16-17.

  2. Пришляк М. П. Астрономія: Підручник для 11 класу загальноосвітніх навчальних закладів. — Х.: Видавництво "Ранок", 2011 — §11.


Малі тіла Сонячної системи — астрономічні об'єкти Сонячної системи менші за планети.

У Сонячній системі, окрім Сонця і восьми великих планет, є так звані малі тіла. Це малі планети або астероїди, комети, метеорні тіла і міжпланетний пил. У наш час доводиться говорити і про космічне сміття – сукупність штучних об'єктів та їхніх фрагментів у космосі, які не функціонують, але здатні пошкодити або навіть зруйнувати штучний супутник чи міжпланетні станції.



Астероїди. Астероїди або малі планети, здебільшого обертаються між орбітами Марса і Юпітера й невидимі неозброєним оком. Першу малу планету відкрито в 1801 р., і за традицією її назвали одним з імен греко-римської міфології — Церера. Незабаром було знайдено й інші малі планети, названі Палладою, Вестою і Юноною. У наш час відомо понад 3000 астероїдів. Протягом мільярдів років астероїди час від часу стикаються один з одним. Сумарна маса астероїдів оцінюється лише як 0,1 маси Землі.



Астероїд Веста. Фото NASA

Найяскравіший астероїд — Веста. Найбільший астероїд — Церера. Його діаметр близько 800 км, і за орбітою Марса навіть у найсильніші телескопи на такому малому диску нічого не можна побачити. Діаметр найменших відомих астероїдів становить лише близько кілометра. Звичайно, астероїди не мають атмосфери. На небі малі планети схожі на зорі, тому їх назвали астероїдами, що в перекладі з давньогрецької означає «зореподібні». Як і для планет, для них характерне петле подібне переміщення на фоні зоряного неба. Орбіти деяких астероїдів мають незвичайно великі ексцентриситети. Внаслідок цього в перигелії астероїди підходять до Сонця ближче, ніж Марс і Земля, а Ікар — ближче, ніж Меркурій. У 1968 р. Ікар наблизився до Землі на відстань менш як 10 млн. кілометрів, але його зовсім незначне притягання ніяк не вплинуло на Землю. Часом близько підходять до Землі Гермес, Ерот та інші малі планети.

Нові астероїди відкривають щороку. Першовідкривач має переважне право вибрати назву відкритої ним планети. У наш час найчастіше астероїдам присвоюють імена відомих учених, героїв, діячів науки і мистецтва.

Боліди і метеорити. Болідом називається досить рідкісне явище — летюча по небу вогненна куля. Це явище спричиняється вторгненням у щільні шари атмосфери великих твердих частинок, які називають метеорними тілами. Рухаючись в атмосфері, частинка нагрівається внаслідок гальмування, і навколо неї утворюється обширна світна оболонка з розжарених газів. Боліди часто мають помітний кутовий діаметр, і їх видно навіть удень. Від сильного опору повітря метеорне тіло нерідко розколюється і з гуркотом падає на Землю у вигляді осколків. Рештки метеорних тіл, що впали на Землю, називаються метеоритами.



Болід

Метеорне тіло невеликих розмірів іноді повністю випаровується в атмосфері Землі. Здебільшого його маса за час польоту дуже зменшується й до Землі долітають тільки рештки, які звичайно встигають охолонути, коли космічну швидкість погасив опір повітря. Іноді випадає навіть метеоритний дощ. Під час польоту метеорити оплавляються й покриваються чорною кірочкою. Відомо три види метеоритів: кам’яні, залізні та залізо-кам’яні. Іноді метеорити знаходять через багато років після їхнього падіння. За вмістом радіоактивних елементів і свинцю визначають вік метеоритів. Він різний, а найстаріші метеорити мають вік 4,5 млрд. років.

Деякі дуже великі метеорити при великій швидкості падіння вибухають і утворюють метеоритні кратери, які нагадують місячні. Найбільший з виявлених кратерів знаходиться в Арізоні в США. Його діаметр 1200 м і глибина 200 м. Цей кратер виник, очевидно, близько 5000 років тому. Знайдено сліди ще більших і давніших метеоритних кратерів.

Оскільки відкрито чимало невеликих астероїдів, які перетинають орбіту Марса, можна гадати, що метеорити — це осколки астероїдів з орбітами, які перетинають орбіту Землі. Структура деяких метеоритів свідчить про те, що на них впливали високі температури й тиски, отже, метеорити могли існувати в надрах зруйнованої планети або великого астероїда.

У складі метеоритів виявлено значно менше мінералів, ніж у земних гірських породах. Це свідчить про примітивний характер метеоритної речовини. Однак багато мінералів, що входять до складу метеоритів, не зустрічаються на Землі. Наприклад, більшість кам’яних метеоритів містить округлі зерна — хондри, хімічний склад яких майже такий самий, як у Сонця. Ця найдавніша речовина дає відомості про початковий етап формування планет Сонячної системи.

Комети, їх відкриття і рух. Перебуваючи в просторі далеко від Сонця, комети мають вигляд дуже слабких, розмитих, світлих плям з ядром у центрі. Стають дуже яскравими й утворюють хвости лише ті комети, які проходять порівняно близько від Сонця. Вигляд комети із Землі залежить також від відстані до неї, кутової відстані від Сонця, світла Місяця тощо. Великі комети — туманні утворення з довгим блідим хвостом — вважалися провісниками всіляких бід, воєн і т. ін.

Уперше І. Ньютон обчислив орбіту комети, спостерігаючи її переміщення на фоні зір, і переконався, що вона, подібно до планет, рухалася в Сонячній системі під дією тяжіння Сонця. Його сучасник, англійський учений Е. Галлей (1656—1742), обчисливши орбіти кількох комет, висловив припущення, що в 1531, 1607 і 1682рр. спостерігалась одна й та сама комета, яка періодично повертається до Сонця, і вперше передбачив її появу. У 1758 р., як і передбачив Галлей (через 16 років після його смерті), вона справді з’явилася і дістала назву комети Галлея. В афелії вона виходить за орбіту Нептуна і через 75—76 років знову повертається до Землі і Сонця. У 1986 р. комета Галлея також пройшла на найкоротшій відстані від Сонця. На зустріч з нею вперше було направлено автоматичні міжпланетні станції з науковою апаратурою.





Комета Галлея

Комета Галлея належить до періодичних комет. Нині відомо багато короткоперіодичних комет з періодами обертання від трьох (комета Енке) до десяти років, їхні афелії знаходяться біля орбіти Юпітера. Наближення комет до Землі та їхній майбутній видимий шлях по небу обчислюють заздалегідь з великою точністю. Разом з тим є комети, які рухаються по дуже витягнутих орбітах з великими періодами обертання. Ми беремо їхні орбіти за параболи, хоч насправді вони, очевидно, є дуже витягнутими еліпсами, але відрізнити ці криві, знаючи тільки малий відрізок шляху комет поблизу Землі і Сонця, нелегко. Більшість комет не мають хвоста і видно їх тільки в телескоп.

Щороку з’являються відомості про відкриття кількох невідомих раніше комет, яким дають назву за прізвищем ученого, що їх відкрив. До каталогів занесено близько тисячі комет, які спостерігалися.

Фізична природа комет. Маленьке ядро діаметром кілька кілометрів — єдина тверда частина комети, і в ньому практично зосереджена вся її маса. Маса комет надто мала й зовсім не впливає на рух планет. А планети спричиняють великі збу­рення в русі комет. Ядро комети, очевидно, складається із суміші пилинок, твердих грудочок речовини й замерзлих газів, таких, як вуглекислий газ, аміак, метан. З наближенням комети до Сонця ядро прогрівається і з нього виділяються гази й пил. Вони утворюють газову оболонку — голову комети. Газ і пил, що входять до складу голови, під дією тиску сонячного випромінювання і корпускулярних потоків утворюють хвіст комети, завжди спрямований у протилежний від Сонця бік. Чим ближче до Сонця підходить комета, тим вона яскравіша і тим довший її хвіст внаслідок її опромінювання та інтенсивного виділення газів. Найчастіше він прямий, тонкий, струменистий. У великих і яскравих комет іноді спостерігається широкий, вигнутий віялом хвіст. Деякі хвости досягають у довжину відстані від Землі до Сонця, а голова комети — розмірів Сонця. З віддаленням від Сонця вигляд і яскравість змінюються у зворотному порядку і комета зникає з поля зору, досягнувши орбіти Юпітера.

У 1910 р. Земля пройшла крізь хвіст комети Галлея, де є чадний газ. Однак його домішку в приземному повітрі не вдалось виявити, бо навіть у голові комети гази надзвичайно розріджені. Зіткнення Землі з ядром комети дуже мало­ймовірне. Можливо, таке зіткнення спостерігалося в 1908 р. як падіння Тунгуського метеорита. При цьому на висоті кількох кілометрів стався потужний вибух, повітряна хвиля якого повалила ліс на величезній площі.



Метеори і метеорні потоки. Давно помічено, що ядра періодичних комет виснажуються, з кожним обертом вони світяться дедалі слабше. Не раз спостерігався поділ кометних ядер на частини. Це руйнування спричиняли або сонячні припливи, або зіткнення з метеоритними тілами. Комету, відкриту чеським ученим Біелою ще в 1772 р., спостерігали під час повторних повернень із семирічним періодом. У 1846 р. її ядро розпалося, і вона перетворилася у дві слабкі комети, яких після 1852 р. не вдалося побачити. Коли в 1872 р., за розрахунками, зниклі комети повинні були пройти поблизу Землі, спостерігався дощ «падаючих зір». З тих пір 27 листопада це явище повторюється щороку, хоч і менш ефектно. Дрібні тверді частинки ядра колишньої комети Біели, яке розпалося, розсіялись уздовж її орбіти, і, коли Земля перетинає їх потік, вони влітають в її атмосферу. Ці частинки спричиняють в атмосфері явище метеорів і повністю руйнуються, не долітаючи до Землі. Відомий ряд інших метеорних потоків, ширина яких незмірно більша за розмір ядер комет, що їх породили.

З кометою Галлея пов’язані два метеорні потоки, один з яких спостерігається у травні, другий — у листопаді.

За розрахунками, маса метеорних тіл — порядку міліграмів, а розмір — частки мілі­метрів. Очевидно, метеорні тіла — це пористі частинки, заповнені кометним льодом, що випаровується першим.

Вдається визначити швидкість метеорів. Метеорні тіла, які наздоганяють Землю, влі­тають у її атмосферу зі швидкістю, не меншою за 11 км/с, а ті що летять назустріч Землі, мають швидкість близько 60— 70 км/с.



Формування планетної системи

Впродовж останніх 300 років, починаючи з Декарта (1596-1650), було висловлено кілька десятків космогонічних гіпотез і розглянуто найрізноманітніші варіанти ранньої історії Сонячної системи. Серед мислителів минулого, які намагалися пояснити її походження, були Ж. Бюффо (1707-1788), І. Кант (1724-1804), П. Лаплас (1749-1827), Дж. Джінс (1877-1946) та інші. Але всі гіпотези мали один недолік – добре пояснюючи одну частину спостережних фактів, вони виявлялися безпорадними перед іншою. Наприклад, гіпотеза Лапласа, що припускала виникнення планет із розжареної туманності, не змогла пояснити особливості розподілу моменту кількості руху між планетами і Сонцем.

На сьогодні найбільш імовірним видається варіант, за яким планети утворились із того ж газово-пилового диска, що й Сонце. Велика роль у розробці цього варіанту належить О.Ю. Шмідту (видатний математик і астроном, 1891-1956), котрий першим висунув гіпотезу про те, що Земля та інші планети сформувалися з холодних допланетних тіл – планетезималей.

Спостережні дані, отримані за допомогою космічних і найпотужніших земних телескопів, підтверджують, що біля багатьох молодих зір головної послідовності справді є навколо зоряні пилові оболонки дисковидної форми, які утворилися разом із зорею під час її формування з протозоряної туманності.

Розглянемо можливий сценарій утворення планетної системи, уточнений сучасними теоретиками. Найважливіше в цьому сценарії те, що він спирається не тільки на єдиний ще до недавнього часу приклад Сонячної системи, але і на приклади інших планетних систем, відкритих за останні роки. Теорія походження планетних систем біля зір, хоча і не сформульована ще остаточно, має тепер під собою надійну спостережну основу.
Етапи формування протопланетного диска

Маса газово-пилового диска, який оточує протозорю, становить кілька відсотків від маси Сонця і спочатку може мати розміри, порівняні з її розмірами. Хімічний склад такого диска відповідає складу міжзоряних туманностей – 99 % газу і 1 % пилових частинок розмірами від 0,1 мкм до 1 мм.

При підвищенні температури протозорі нагрівається і диск, частинки пилу випаровуються, молекули газу розпадаються на атоми, які іонізуються, а розміри диска за рахунок сильної турбуленції – різно-направленого хаотичного руху частинок – збільшуються до кількох десятків астрономічних одиниць.

Для подолання класичних труднощів з перерозподілом моменту кількості руху між Сонцем і планетами припускається, що Протосонце мало відчутне магнітне поле, яке, взаємодіючи з іонізованим газом, гальмувало його власне обертання і прискорювало обертальний рух протопланетної речовини. Далі диск охолоджується, турбулентність стихає. У ньому знову утворюються тверді пилові частинки – відбувається конденсація. При цьому основні космічні елементи – водень і гелій – залишаються у вигляді газу. А просторовий розподіл пилинок за їхнім хімічним складом залежить від розподілу температури, яка зменшується по мірі віддалення від Протосонця.

Такий перший етап еволюції протопланетного диска (ППД), який триває близько 1000 років.

На другому етапі формування ППД частинки збільшуються у розмірах, зіштовхуються одна з одною, злипаються. І коли густина пилу стає вищою за густину газу в десятки разів, пиловий диск переходить у стан гравітаційної нестійкості, за якою навіть дуже маленькі згустки, що виникли випадково, не розсіюються, а навпаки, з часом стають ще більшими.

Як наслідок, на третьому етапі еволюції ППД розпадається на безліч окремих малих згустків, які далі, зіштовхуючись і злипаючись, утворюють рій допланетних тіл різного розміру – планетезималі.
Акумуляція планет

Утворення планетезималей тривало десятки тисяч років. Подальше об'єднання їх у планети – набагато довший процес, який тривав сотні мільйонів років.

Допланетний рій був складною системою великої кількості планетезималей. Всі вони, окрім однакової швидкості для тіл на однаковій відстані від Сонця, мали ще й власні швидкості з випадковим розподілом напрямків. Планетезималі зіштовхуючись, дробились, і тільки найбільші серед них поступово збільшували свої маси за умови, що швидкість зіткнення не перевищувала 1м/с.

Внутрішню частину Сонячної системи утворили планети земної групи. Їхній ріст відбувався зв відсутності летких газів за рахунок кам'янистих частинок і тіл, що містили в собі залізо та інші метали. Основна маса газів розсіялась із зони планет земної групи через видування їх сонячним вітром, який очистив від них і віддалені простори Сонячної системи. Проте планети-гіганти Юпітер і Сатурн встигли увібрати в себе достатню кількість газів, як і взагалі переважну частину речовини всієї планетної системи. Причому спочатку, як і в планетах земної групи, у них утворилися ядра із кам'янистих і льодових планетезималей, а потім поверх них нарощувались воднево-гелієві оболонки.


Утворення астероїдів і комет

Оскільки загальна маса всіх астероїдів не перевищує 1/20 маси Місяця, то пояс астероїдів, подібно до кілець Сатурна, - це речовина, що не спромоглася стати планетою. Таке визначення дав свого часу О.Ю. Шмідт, який припустив, що процесові акумуляції завадило сусідство масивного Юпітера. Але чому ж тоді сам Юпітер сформувався не на місці поясу астероїдів, на відстані 3-4 а.о., а далі – на відстані 6 а.о.?

Як вказують розрахунки, на відстані 3-4 а.о. ще є леткі речовини у газоподібному стані, тоді як на відстані Юпітера пролягає межа конденсації водяної пари. Тому в його зоні гравітаційна нестійкість виявилась раніше, тверді згущення росли набагато стрімкіше, ніж у зоні астероїдів. А далі Протоюпітер, набравши масу, своїм гравітаційним збуренням не дав сформуватися планеті у поясі астероїдів.

Більше того, він змінив орбіти деяких із астероїдів так, що ті стали рухатися по витягнутих, а не колових орбітах, перетинаючи орбіти Марса, Землі і навіть Венери та Меркурія. Два таких невеликих астероїди свого часу були захоплені Марсом, перетворившись на його супутники. Деякі астероїди перетворилися з часом на супутники планет-велетнів і рухаються тепер навколо них не в прямому, а у зворотному напрямку (проти обертання планети навколо осі).

Астероїди продовжують зіштовхуватися, дробитись на менші уламки, даючи початок метеорним тілам – метеороїдам, які й у наш час випадають на Землю та на інші небесні тіла у вигляді метеоритів.

Щодо комет, то за сучасними уявленнями періодичні комети приходять до Сонця із поясу Койпера. Всі інші комети – це льодяні планетезималі, закинуті планетами-велетнями в період формування планетної системи на відстань 100-150 тисяч а.о., де вони утворюють уже згадану велетенську і дуже розріджену кометну хмару Оорта. Кометна речовина під час руху комет поблизу Сонця поповнює міжпланетний простір пилом та газом, який вимітається сонячним вітром за її межі.


Земля на початку історії

Початок геологічної історії Землі тісно пов'язаний з її утворенням. Розрахунки показують, що ріст Землі до сучасних розмірів і маси тривав не менше 100 млн. років. При цьому температура її поверхні не перевищувала 350-400 К. Її надра під дією гравітаційного стискання були дещо теплішими, але не набагато. Земля прогрілася завдяки тому, що в акумуляції брали участь дуже великі тіла радіусом до сотень кілометрів. Падіння таких тіл спричиняло утворення величезних кратерів, під якими до глибини 1-2 тис. км формувались зони високої температури до 1500-2500 К.

Іноді температура сягала точки плавлення гірських порід, і тоді вони розділялися за складом: важкі хімічні елементи (метали) опускалися до центра, а легкі спливали. Додатковий розігрів надр відбувався і за рахунок стиснення порід шарами, що лежали вище. Але основним джерелом розігріву планети був розпад радіоактивних елементів – урану, торію і калію, які в невеликих кількостях були в кам'янистій речовині.

Атмосфера і гідросфера поступово виділилися з твердої речовини планети, оскільки гази і вода входять як складові у гірські породи.

Аналізуючи хімічний склад Сонячної системи, ми знаходимо в планетах високий вміст тих хімічних елементів, які синтезуються під час термоядерних реакцій у надрах зір.

Як вони потрапили у протопланетний диск? Відповідь одна – під час появи наднових, які шаленою силою вибуху розкидають їх у навколишній простір. Отже, слід припустити, що перш ніж з'явилася Сонячна система, речовина, з якої вона формувалась, безперервно поповнювалась важкими хімічними елементами внаслідок спалахів наднових у Галактиці.



Ось такі основні риси сценарію, згідно з яким утворилась Сонячна планетна сім'я. Але цей сценарій дає відповіді не на всі запитання. Наприклад, не зовсім ясно, як утворився Місяць – супутник Землі; незрозуміло, чому у Венери і Меркурія супутники взагалі відсутні, тоді як навіть у деяких астероїдів і супутників планет, не кажучи вже про всі інші планети, супутники є? А зараз, коли відкрито інші планетні системи, ми знаходимо, що вони не зовсім схожі на Сонячну. Це свідчить про те, що в питанні походження та розвитку планет ще рано ставити крапку.




База даних захищена авторським правом ©shag.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка