Вопрос №5.

1) Космология (космос + логос) — раздел астрономии, изучающий свойства и эволюцию Вселенной в целом. Основу этой дисциплины составляет математика, физика и астрономия. В своих задачах она часто пересекается с философией и богословием.

История космологии

Ранние формы космологии представляли собой религиозные мифы о сотворении (космогония) и уничтожении (эсхатология) существующего мира.

В китайской космологии считалось, что Земля — своего рода чаша, прикрытая небом, состоящим из полусфер, вращающихся на очень низком расстоянии от Земли.

Античность

Большинство древнегреческих учёных поддерживали геоцентрическую систему мира, согласно которой в центре Вселенной находится неподвижная шарообразная Земля, вокруг которой обращаются пять планет, Солнце и Луна. Предложенная Аристархом Самосским гелиоцентрическая система мира, по видимому, не получила поддержки большинства древнегреческих астрономов.

Мир считался ограниченным сферой неподвижных звёзд. Иногда добавлялась ещё одна сфера, отвечающая за прецессию. Предметом споров был вопрос о том, что находится за пределами мира: перипатетики вслед за Аристотелем полагали, что вне мира нет ничего (ни материи, ни пространства), стоики считали, что там находится бесконечное пустое пространство, атомисты (Левкипп, Демокрит, Метродор, Эпикур, Лукреций) полагали, что за пределами нашего мира находятся другие миры. Особняком стоят взгляды Гераклида Понтийского, согласно которому звёзды являются далёкими мирами, включающими в себя землю и воздух. Атомисты и Гераклид полагали Вселенную бесконечной. На закате античности появилось религиозно-мистическое учение герметизм, согласно которому вне мира может находиться область нематериальных существ — духов.

Многие досократики полагали, что движением светил управляет гигантский вихрь, давший начало Вселенной. Oднaко после Аристотеля большинство античных астрономов считали, что планеты переносятся в своём движении материальными сферами, состоящими из особого небесного элемента — эфир, свойства которого не имеют ничего общего с элементами земли, воды, воздуха и огня, составляющих «подлунный мир». Широко было распространено мнение о божественной природе небесных сфер или светил, их одушевлённости.

Средневековье

В Средние века в астрономии и философии как христианских, так и мусульманских стран доминировала космология Аристотеля, дополненная птолемеевой теорией движения планет, вместе с представлением о материальных небесных сферах. Некоторые философы XIII—XIV вв. считали, что бесконечно всемогущий Бог мог создать, помимо нашего, и другие миры; тем не менее, эта возможность считалась сугубо гипотетической: хотя Бог и мог создать другие миры, он не сделал этого. Некоторые философы (например, Томас Брадвардин и Николай Орем) считали, что за пределами нашего мира находится бесконечное пространство, служащее обителью Бога (модификация космологии герметистов, также полагавших внемировое пространство относящимся к духовной сфере).

Эпоха Возрождения

Новаторский характер носит космология Николая Кузанского, изложенная в трактате Об учёном незнании. Он предполагал материальное единство Вселенной и считал Землю одной из планет, также совершающей движение; небесные тела населены, как и наша Земля, причём каждый наблюдатель во Вселенной с равным основанием может считать себя неподвижным. По его мнению, Вселенная безгранична, но конечна, поскольку бесконечность может быть свойственна одному только Богу. Вместе с тем, у Кузанца сохраняются многие элементы средневековой космологии, в том числе вера в существование небесных сфер, включая внешюю из них — сферу неподвижных звёзд. Однако эти «сферы» не являются абсолютно круглыми, их вращение не является равномерным, оси вращения не занимают фиксированного положения в пространстве. Вследствие этого у мира нет абсолютного центра и чёткой границы (вероятно, именно в этом смысле нужно понимать тезис Кузанца о безграничности Вселенной).

Первая половина XVI века отмечена появлением новой, гелиоцентрической системы мира Николая Коперника. В центр мира Коперник поместил Солнце, вокруг которого вращались планеты (в числе которых и Земля, совершавшая к тому же ещё и вращение вокруг оси). Вселенную Коперник по-прежнему считал ограниченной сферой неподвижных звёзд; по-видимому, сохранялась у него и вера в существование небесных сфер.

Модификацией системы Коперника была система Томаса Диггеса, в которой звёзды располагаются не на одной сфере, а на различных расстояниях от Земли до бесконечности. Некоторые философы (Франческо Патрици, Ян Ессенский) заимствовали только один элемент учения Коперника — вращение Земли вокруг оси, также считая звёзды разбросанными во Вселенной до бесконечности. Воззрения этих мыслителей несут на себе следы влияния герметизма, поскольку область Вселенной за пределами Солнечной системы считалась ими нематериальным миром, местом обитания Бога и ангелов.

Возникновение современной космологии

Возникновение современной космологии связано с развитием в XX веке общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна и физики элементарных частиц. Первое исследование на эту тему, опирающееся на ОТО, Эйнштейн опубликовал в 1917 году под названием «Космологические соображения к общей теории относительности». В ней он ввёл 3 предположения: Вселенная однородна, изотропна и стационарна. Чтобы обеспечить последнее требование, Эйнштейн ввёл в уравнения гравитационного поля дополнительный «космологический член». Полученное им решение означало, что Вселенная имеет конечный объём (замкнута) и положительную кривизну.

В 1922 году А. А. Фридман предложил нестационарное решение уравнения Эйнштейна, в котором изотропная Вселенная расширялась из начальной сингулярности. Подтверждением теории нестационарной вселенной стало открытие в 1929 году Э. Хабблом космологического красного смещения галактик. Таким образом, возникла общепринятая сейчас теория Большого взрыва.

2) Планетология — это комплекс наук, изучающих планеты и их спутники, а также солнечную систему в целом и другие планетные системы с их экзопланетами. Сфера её интересов включает в себя очень разнообразные объекты, от микрометеоритов до газовых гигантов. Планетология изучает физические свойства, химический состав, строение поверхности, внутренних и внешних оболочек планет и их спутников, а также условия их формирования и развития.

Планетология относится к междисциплинарной области науки, первоначально развившейся из наук о Земле и астрономии. Но на сегодняшний день она включает в себя множество дисциплин, таких как планетарная геология (вместе с геохимией и геофизикой), физическая география (геоморфология и картография, применительно к планетам), атмосферные науки, теоретическая планетология и исследование экзопланет. Есть и другие дисциплины, смежные с ней, например, физика космоса, астробиология и науки изучающие влияние Солнца на планеты солнечной системы.

В планетологии связаны между собой экспериментальные и теоретические отрасли. Данные наземных наблюдений могут позже проверяться и уточняться с помощью экспериментальных исследований космического пространства: в первую очередь автоматическими космическими аппаратами, а также с помощью дистанционного зондирования и сравнительного изучения метеоритов в земных лабораториях. Большую роль играет теоретический подход, который включает в себя использование компьютерного и математического моделирования.

Учёным, занимающимся планетологией, приходиться разбираться в смежных с ней отраслях, таких как астрономия, физика и геология. На сегодняшний день существует довольно много научно-исследовательских центров и университетов, на которых есть кафедры, занимающиеся вопросами планетологии, а также существует несколько научных институтов по всему миру, работающих в данной области. Ежегодно проводится несколько крупных научных конференций и публикуется масса журналов, посвящённых данной тематике.

Дисциплины

Планетарная астрономия

Здесь есть две отрасли: теоретическая и наблюдательная. Наблюдательные исследования в первую очередь связаны с изучением малых тел Солнечной системы с помощью оптических и радиотелесков. Они позволяют выяснить такие характеристики как форма тела, вращение, состав и рельеф поверхности и т. п.

Теоретические исследования связаны с динамикой: использование законов небесной механики применительно к телам Солнечной системы и внесолнечным планетным системам.

Планетарная геология

Больше всего данных планетарная геология имеет о телах, которые располагаются в непосредственной близости от Земли: Луна и две соседние с Землёй планеты Венера и Марс. Луна стала первым объектом для исследований. Её изучали теми же методами, которые были разработаны ранее для изучения Земли.

Геоморфология

Геоморфология исследует особенности строения поверхности планет и реконструирует историю их формирования, делает заключения о физических процессах, которые действовали на данную поверхность. Планетарная геоморфология включает в себя изучение нескольких типов поверхностей:

Структуры, возникающие под действием давления (многоканальные бассейны, кратеры)

Вулканические и тектонические структуры (Лавовые потоки, трещины, борозды на поверхности Луны)

Космическое выветривание — эрозионные процессы в условиях открытого космоса (непрерывная бомбардировка микрометеоритов, воздействие частиц высоких энергий, ударное садоводство). Например, тонкая пыль (реголит), покрывающая поверхность Луны является результатом действия микрометеоритов.

Структуры, возникающие под действием жидкости, которой могут являться как вода, так и замёрзшие углеводороды, в зависимости от расстояния от Солнца и температуры на поверхности тела.

Геологическая история поверхности может расшифрована за счёт сопоставления пород, залегающих на разной глубине. Так как согласно принципу суперпозиции породы в разрезе следуют в порядке их образования: в верхних слоях залегают самые молодые, а в нижних — самые древние. Этот закон был открыт Нильсом Стенсеном и впервые применён им при изучении пластов Земли. Так, например, на стратиграфические исследования, выполненные астронавтами в программе Апполон и снимки КА Лунар орбитер были затем использованы при создании стратиграфической колонки и геологической карты Луны.

Космохимия, геохимия и петрология

Одна из основных проблем при создании гипотез о формировании и эволюции объектов Солнечной системы является отсутствие образцов, которые могли бы быть проанализированы в крупных лабораториях, со всеми необходимыми инструментами, на основании всех доступных знаний земной геологии, которые могли бы быть здесь применены. К счастью, в распоряжении учёных имеются образцы доставленные с Луны астронавтами Аполлона и советскими луноходами, а также образцы астероидов и Марса, в виде метеоритов, выбитых когда-то из их поверхности. Некоторые из них были сильно изменены в результате окислительных процессов в атмосфере Земли и инфильтрационного действия биосферы, однако некоторые метеориты, например, те что были найдены в последние десятилетия в Антарктиде почти что не подверглись серьёзным изменениям.

Различные типы метеоритов, прилетевшие из пояса астероидов охватывают практически все части структуры астероидов, есть даже такие, которые образовались из ядра и мантии разрушенных астероидов (Палласит). Сочетание геохимии и наблюдательной астрономии также дают возможность проследить из каких именно астероидов был выбит данный метеорит.

Известно довольно мало марсианских метеоритов, которые могли бы предоставить сведения о составе марсианской коры, к тому же неизбежный недостаток информации о местах их образования на поверхности Марса дополнительно усложняет задачу построения теории эволюции марсианской литосферы. Всего до 2008 года было выявлено около 50 метеоритов с Марса.

За время программы Аполлон астронавтами было привезено на Землю более 350 кг лунного грунта, плюс ещё несколько сотен граммов было доставлено советскими луноходами. Эти образцы позволили составить самый полный отчёт о составе другого космического тела Солнечной системы. Всего до 2008 года было выявлено около 100 лунных метеоритов.

Геофизика

Космические зонды позволяют собирать информацию не только в области видимого света, но и в других областях электромагнитного спектра. Планеты можно охарактеризовать различными силовыми полями, такими как гравитационное и магнитное поле. Изучением этих полей занимается геофизика. Изменение ускорения КА, пролетающих рядом с планетой, позволяет гравитационные аномалии над различными областями планеты и, как следствие, сделать определённые выводы о составе и характеристиках пород в этих областях.

Подобные измерения проводились в 1970-х годах посредством лунных орбитальных аппаратов над лунными морями, которые позволили выявить концентрацию массы в районе Моря дождей, Моря Ясности и Моря Кризисов.

Если магнитное поле планеты достаточно велико, то его взаимодействие с солнечным ветром образует магнитосферу вокруг планеты. Исследования космическими зондами магнитного поля Земли показали, что оно простирается в сторону Солнца на огромное расстояние в 10 радиусов Земли. Солнечный ветер — это поток высокоэнергичных заряженных частиц (в основном протоны и электроны), истекающих с солнечной короны, благодаря магнитному полю они обтекают Землю и движутся дальше вдоль магнитного хвоста Земли, который может простираться дальше в космос на сотни радиусов планеты в направлении перпендикулярном к Солнцу. В магнитосфере существуют области (радиационные пояса), в которой накапливаются и удерживаются проникшие в неё заряженные частицы.

Атмосферные науки

Атмосфера является важной переходной зоной между твёрдой поверхностью и внешними радиационными поясами. Не все планеты имеют атмосферу: её существование зависит от массы планеты и расстояния от Солнца. Кроме четырёх газовых гигантов, почти все планеты земной группы имеют атмосферу (Венера, Земля, Марс). Атмосферы также обнаружены у двух спутников Титана и Тритона. Кроме того, очень разреженной атмосферой обладает Меркурий.

Скорость вращения планеты вокруг своей оси заметно влияет на потоки и течения в атмосфере. Особенно хорошо это видно на примере Юпитера и Сатурна, в атмосферах которых формируются системы полос и вихрей. Тоже самое можно увидеть и на примере планет земной группы, в частности на Венере.

Сравнительная планетология

В планетологии часто используется метод сравнения, чтобы дать более полное понимания изучаемого объекта, особенно когда по нему не хватает прямых данных. Сравнение атмосферы Земли и Титана (спутника Сатурна), развитие внешних объектов Солнечной системы на разных расстояниях от Солнца, геоморфология поверхности планет земной группы, — вот лишь несколько примеров использования данного метода.

Основным объектом для сравнения остаётся Земля, т.к. она лучше всего изучена и на ней можно провести все возможные измерения. Использование данных исследования Земли в качестве аналога для сравнения с другими телами, больше всего распространены в таких науках как планетарная геология, геоморфология и науки об атмосфере.