Троицкий. общая геология. лекция.тема 1

Важно отметить, что уже на ранней стадии формирования Солнечной системы в ней происходила дифференциация элементов по массе и она оказалась существенно дифференцированной по химическому составу:легкие и летучие элементы были вынесены на ее периферию, а тяжелые элементы, наоборот, скопились вблизи центральной планеты. Этим объясняется явная зависимость состава и плотности планет Солнечной системы от их расстояния от Солнца.

.

Рис.1.10. Согласно современным космогоническим представлениям возникновение Солнечной системы произошло примерно 4,7-5,0 млрд. лет назад благодаря сгущению протопланетного облака межзвездного вещества. Последовательность формирования солнечной системывключала : сгущение газопылевого облака, возникновение диска благодаря ударной волне после взрыва сверхновой звезды, концентрация вещества на орбитах, возникновение зародышей планет, образование планет солнечной системы.

Солнце сосредоточило в себе 99,866 % всей массы Солнечной системы. Оставшиеся 0,134 % вещества системы представлены планетами и несколькими десятками спутников ,малыми планетами — астероидами ,кометами, огромным количеством мелких фрагментов — метеоритов и космической пылью.

Рис.1.11.Солнечная система находятся в

Галактики. (Дж.Б.Мерион). Вследствие положения Солнечной системы в Галактике, а также потому, что

плоской, мы наблюдаем эти звезды на небосводе (Млечном пути). Центральная часть Галактики скрыта от нас пылевыми облаками.

Солнце, представляющее собой небольшую звезду среднего возраста типа желтого карлика. Подсчитано, что каждую секунду в недрах нашего дневного светила 564 миллиона тонн водорода превращаются в 560 миллионов тонн гелия, а остальные 4 миллиона тонн водорода переходят в излучение. Такие термоядерные реакции будут происходить до тех пор, пока не иссякнут запасы водорода. В центре Солнца температура достигает 15 миллионов градусов, а давление в 200 миллиардов раз выше, чем у поверхности Земли.

Солнце можно условно разделить на четыре зоны, в которых происходят различные физические процессы. Энергия излучения и тепловая энергия Солнца возникают глубоко внутри него, в солнечном ядре, и затем передается внешним слоям посредством излучения (преимущественно в гамма и рентгеновском диапазоне). Ближе к поверхности в передаче тепла начинают участвовать конвективные потоки плазмы (солнечное вещество начинает "кипеть"). Слой, в котором это происходит, называется конвективной зоной. Здесь между конвективной и радиационной зонами располагается очень тонкая граница раздела, называемая тахоклином . Предполагается, что на ней формируются солнечные магнитные поля.Во время этого процесса горения водорода и производства гелия ядерные реакции производят элементарные частицы, называемые нейтрино. Эти эфемерные частицы проходят сквозь все слои Солнца и межпланетное пространство и могут быть зарегистрированы на Земле.

Солнечное строение включает тонкий пограничный слой, находящийся между лучистой зоной и конвективной зоной и, по-видимому играющий чрезвычайно важную роль в формировании солнечного магнитного поля. Есть основания полагать, что именно здесь наиболее эффективно работает так называемый механизм магнитного динамо. Суть этого механизма в том, что потоки плазмы вытягивают силовые линии магнитного поля и тем самым увеличивают его напряженность.

Рис.1.12. Протуберанцы на Солнце, волны расходящиеся от них по поверхности звезды и магнитосфера Солнца

Солнце – сферически симметричное тело, находящееся в равновесии. Плотность и давление быстро нарастают вглубь; рост давления объясняется весом всех вышележащих слоев. В каждой внутренней точке Солнца выполняется условие гидростатического равновесия. Это означает, что давление на любом расстоянии от центра уравновешивается гравитационным притяжением.

В центральной области с радиусом примерно в треть солнечного – ядре – происходят ядерные реакции. Затем через зону лучистого переноса энергия излучением переносится из внутренних областей Солнца к поверхности.

Химический состав Солнца примерно такой же, как и у большинства других звезд. Примерно 75 % – это водород, 25 % – гелий и менее 1 % – все другие химические элементы (в основном, углерод, кислород, азот и др.

Рис.1.13.Химический состав Солнца

13

Рис.1.14.Внутреннее строение Солнца

Солнце является источником постоянного потока частиц. Нейтрино, электроны, протоны, альфа-частицы, а также более тяжелые атомные ядра все вместе составляют корпускулярное излучение Солнца. Значительная часть этого излучения представляет собой более или менее непрерывное истечение плазмы, так называемый солнечный ветер, являющийся продолжением внешних слоев солнечной атмосферы – солнечной короны. Поток заряженных частиц выбрасывается из Солнца через корональные дыры – области в атмосфере Солнца с открытым в межпланетное пространство магнитным полем.

ПЛАНЕТЫ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Центральное тело нашей планетной системы — Солнце — сосредоточило в себе 99,866 % всей массы Солнечной системы. Оставшиеся 0,134 % вещества системы представлены планетами и несколькими десятками спутников ,малыми планетами — астероидами ,кометами , огромным количеством мелких фрагментов — метеороидов и космической пылью .

Дифференциация протовещества солнечной системы и его последующая конденсация привели к образованию двух групп планет. Ближние планеты, или планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс), сконденсировали в себе преимущественно кислородные железо-магнезиально- силикатные компоненты. Им уступали концентрации соединений других элементов - алюминия, кальция, натрия, калия и др. Одновременно на периферии солнечной системы сформировалась группа дальних планет (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Плутон, обычно рассматривают отдельно, так как по своим характеристикам она заметно отличается от планет внешней группы. В слагающем веществе внешних планет оказались сосредоточенными в разных пропорциях более легкие соединения и газы (водород, гелий, диоксид углерода, метан, вода). Железосиликатные и другие тяжелые компоненты присутствуют в них в незначительных количествах.

14

Между орбитами Марса и Юпитера образовался пояс астероидов. Их состав соответствует составу каменных, железо-каменных, железных и других метеоритов, падающих на Землю. Часть планет окружена спутниками.

Орбиты планет — эллиптические с Солнцем в фокусе. Орбиты ,как и их спутников лежат более или менее в одной плоскости, называемой эклиптикой и определяемой плоскостью орбиты Земли. Все планеты облетают Солнце по орбитам в одном и том же направлении .Однако это не распространяется на кометы и астероиды. Орбита Плутона больше всех отклоняется от плоскости эклиптики — на 17°. Это явилось основанием вывести Плутон из числа планет.

Рис.1.13. Планеты солнечной системы

Предполагается, что условия возникновения внутренних и внешних планет существенно различались. Внутренние планеты образовались путем слипания планетезималей, расположенных на соответствующих орбитах, внешние могли образоваться путем сгущения и последующего сжатия (коллапса) протовещества. Важно отметить, что все планеты Солнечной системы в настоящее время оказались расслоенными на отдельные оболочки.Особенно это характерно для внутренних планет , сложенных более плотными, более тяжелыми соединениями. Например, на Земле это выразилось в обособлении ядра, мантии и коры. Аналогичные оболочки образовались и на других планетах. В связи с подобными особенностями внутреннего слоистого строения планет, в том числе и Земли,

15

возникает естественный вопрос о путях развития планет, составе и механизме дифференциации исходного протовещества при образовании их слоистой модели.

В настоящее время сосуществуют две основные гипотезы образования и последующего развития планет. Согласно теории гомогенной аккреции образование планет произошло из хорошо перемешанного межзведного протовещества путем сгущения и слипания планетезималей. Позднее на планетарной стадии развития это гомогенное вещество разделяется в гравитационном поле планет на отдельные оболочки, как это наблюдается сейчас на Земле (ядро, мантия, кора, гидросфера и атмосфера). Теория гетерогенной аккреции допускает последовательное фракционирование и дифференциацию исходного вещества по составу. В результате первоначально в центре протопланеты обособились более тяжелые массы, образовавшие ее ядро, а затем возникла внешняя оболочка. Предполагается, что аккреция протовещества происходила в условиях несовершенной дифференциации, при которой лишь только наметилось разделение вещества по составу. И только позднее, на геологической стадии развития, т.е. за более 4 млрд. лет ее истории, произошло формирование и четкое обособление оболочек Земли, образование внутреннего и внешнего ядра, нижней, средней и верхней мантии, астеносферы, литосферы, земной коры, гидросферы и атмосферы.

Поиски источников энергии и механизмов подобной дифференциации, обоснование петрохимического состава оболочек Земли является важнейшей проблемой в науках о Земле. Ее решение служит ключом к реконструкции геологической истории Земли, восстановлении череды геологических процессов и событий на любом из этапов ее необратимой эволюции.

Планеты земной группы. В последнее время резко возрос интерес к изучению планет земной группы - Меркурию, Венере, Земле, Луне и Марсу. Их отличают разные размеры, массы, средняяя плотность, разные скорости вращения и др. Вместе с тем их сближает общность внутреннего строения, главным образом наличие металлического ядра и силикатной оболочки, морфология рельефа поверхности планет. Этим открываются большие возможности познания механизма их формирования и развития. Важно заметить,что, за исключением Земли, строение этих планет отражает древние события, происходившие более 3.5 млрд.лет тому назад. Тем самым появляется возможность моделировать геологические процессы ранней Земли в глубоком докембрии.

Планеты земной группы по химическому составу, по-видимому, близки к Земле. Эти планеты по-разному вращаются вокруг своей оси: один оборот длится от 24 часов для Земли и до 243 суток у Венеры. У планет есть атмосферы: довольно плотная у Венеры и почти незаметная у Меркурия. В атмосферах Земли, Венеры, Марса можно обнаружить углекислый газ, водяные пары, азот. Схож и химический состав планет первой четверки. Они в основном, состоят из

16

соединений кремния и железа. Остальные элементы тоже присутствуют, но их относительно немного.

В центре планет есть железные ядра разной массы. Выше ядра планет располагается слой, который называют мантией. Мантия тоже может подразделяться на слои: внешний — твердый и внутренний — жидкий. Почти у всех планет имеются спутники. Юпитер и Сатурн сами являются миниатюрными подобиями Солнечной системы. Некоторые из их спутников (Ганимед, Титан) по размерам превосходят планету Меркурий. Сатурн, помимо 17 больших спутников, обладает системой колец, состоящих из огромного числа небольших тел ледяной или силикатной природы.Все планеты Солнечной системы, помимо того что они, подчиняясь притяжению Солнца, вращаются вокруг него, имеют и собственное вращение.

Рис.1.14. Сравнительная характеристика размеров и плотности планет земной группы

17

Меркурий. Ближайшим к Солнцу является Меркурий. В начальный период своей истории планета испытала сильный внутренний разогрев, за которым последовала одна или несколько эпох интенсивного вулканизма.

Рис.1.15.Поверхность Меркурия несет следы падений многочисленных астероидов. На более детальных снимках видны потоки лавы, стрелки указывают на

края этих потоков

18

Рис.1.16.Разрез Меркурия

Атмосфера Меркурия очень разрежена по сравнению с земной атмосферой. В составе атмосферы обнаружено небольшое количество водорода, гелия и кислорода, присутствуют и некоторые инертные газы, например аргон и неон. Близость к Солнцу указывает на то, что на обращенном к нему полушарии планеты должна быть очень высокая температура. Немногочисленные измерения подтверждают это. Обнаружено слабое магнитное поле, напряженность которого меньше, чем у Земли, и больше, чем у Марса.

Средняя плотность Меркурия значительно выше лунной (5,4 г/см3), почти равна средней плотности Земли. Предполагается, что Меркурий имеет мощную силикатную оболочку (500-600 км), а оставшиеся 50 % объема занимает железистое ядро.

Рис.1.16.Элементы рельефа Меркурия. – система поднятий, вероятно, обусловленных коллизией

19

Рис.1.17.Гигантский уступ Дискавери длиной 350 км и высотой 3 км образовался при надвигании верхних слоев коры Меркурия в результате деформации коры при остывании ядра (проект

Messenger )

На Меркурии, как и на других планетах, установлено наличие двух групп структур-кратеризированных «континентов» и менее кратеризированных бассейнов («морей»), покрытых потоками лавы. Частично факт вулканической активности ученые объясняют мощными ударами метеоритов о поверхность планеты, что провоцировало сейсмическую активность. В свете последних открытий, ученые утверждают, что вулканическая активность на планете была не 1-2 млрд лет, а около 3 млрд лет, причем завершилась она не более чем миллиард лет назад. К сожалению, планета изучена значительно слабее, чем другие земные планеты.

Венера-вторая от Солнца и ближайшая к Земле планета Солнечной системы. На Венере выделяются три оболочки. Первая из них — кора — имеет

толщину примерно 16 км. Далее — мантия, силикатная оболочка, погружающаяся на глубину порядка 3300 км до границы с железным ядром. Радиус железного ядра - около 3000 км.Его масса составляет около четверти всей массы планеты.Магнитное поле практически отсутствует. Это указывает на отсутствие жидкого железного ядра.

20