книги / Опасные природные процессы. Вводный курс
.pdfГлава 2. Земля во Все генной
фикация галактик, опубликованная в 1925 г., принадлежит Эдвину Хабблу. В несколько модифицированном виде эта классификация используется и поныне. Введены следующие основные морфологические классы галактик: эллиптические (Е). спиральные (S), спиральные с перемычкой (SB), лин зообразные (So), неправильные (1г) и пекулярные (рис. 2.3, 2.4). На самом деле существует множество галактик, не укладывающихся в эту схему.
L = - >
Нормальные спиральные галактики
Пересеченные спиральные галактики
Примечание. Стрелки показывают, что в ходе эволюции галактики меняют свой
тип, перемещаясь от Е к S, возможны преобразования и по вертикали [Хаббл Э. с до бавлениями Джинса Дж., 1932]
Рис. 2.3. Морфологическая классификация галактик
Рис. 2.4. Диаграмма Арпа (1932). Связь морфологического типа галактик с их
массой и угловым моментом. При переходе от эллиптических галактик (ЕО) к спи
ральным (S) масса галактик в среднем убывает, а их угловой момент растет
71
Раздел /. Принципы зволюции и взаимодействия сложных систем
Спиральные галактики имеют хорошо заметное плоское спиральное распределение яркости вокруг утолщенного ядра. Эта форма обусловлена более быстрым, чем у эллиптических галактик, вращением. Галактики могут иметь две и более спиральных ветвей (рукавов), исходящих либо прямо из ядра, либо из двух концов бара (перемычки), отходящего от ядра. По этому признаку выделено два основных подтипа: нормальные спиральные галак тики (S) и пересеченные спиральные галактики (SB). Спиральные галакти ки различаются по массе и размерам. Большинство из них имеет массу око ло 10,() масс Солнца. Это массы видимого звездного населения галактик. Невидимая масса — в 5—10 раз больше.
К неправильным галактикам Хаббл отнес все объекты, отличающиеся от перечисленных выше. Их характерная особенность — фрагментарность. В настоящее время выделяют еше и пекулярные галактики.
Наша Галактика — гигантская звездная система, состоящая из 100 млрд звезд, в число которых входит и наше Солнце. Она является галактикой про межуточного типа — Sb или Sa. В нашей Галактике есть спиральные рукава, диск, центральное утолщение, корона. Размер Галактики в поперечнике — 100 000 световых лет. Центральная выпуклость занимает пространство 20000 световых лет в поперечнике и 3 000 световых лет в толщину. Гало простирается на 150 000 световых лет. Масса Галактики в пределах объема радиуса 15 килопарсек — около 15 х 10|() масс Солнца. Земляне видят диск «с ребра», поэтому огромное количество дальних звезд сливается в одну по лосу, которая видна в ночном небе как Млечный Путь (galacticos — млеч ный). Диск Галактики состоит из спиральных рукавов. Наша Галактика по хожа на галактику 2997 (рис. 2.5).
Солнечная система сейчас находится в зоне коротации между рукава ми Персея и Стрельца и движется в сторону рукава Персея со скоростью около 220 км/с. Ее период обращения, или галактический год, составляет примерно 200 млн лет. Время пребывания между рукавами оценивается в 7,8 млрд лет. В спиральных рукавах происходят вспышки «сверхновых» звезд, поэтому спокойный период Солнечной системы начался после ухо да ее из места своего рождения (рукав Стрельца) и вхождения в межрукав ное пространство.
Стрелец А — объект в самом центре Галактики — является источни ком самого сильного излучения. Его размер около 1,2 млрд км (размер ор биты Юпитера). Энергия его гамма-излучения составляет 511 тыс. эВ (энергия фотона видимого света — 2 эВ), что соответствует аннигиляции огромного количества антивещества (около 10 млрд т позитронов в 1 с). Интенсивность излучения сильно варьирует. Все это говорит о необычно сти источника излучения. Такое излучение может генерироваться вблизи очень плотных объектов типа нейтронных звезд или «черной дыры»
72
Pasriei /. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем
нечной системы в зоне коротации возникают ситуации их пересечения, и Солнечная система испытывает повышенное галактическое воздействие.
В период пребывания Солнца в струйном потоке (около 1 млн лет) один раз в миллион лет поблизости проходит звезда. Она будоражит обла ко Орта, и на Землю выпадает от 100 до 1000 комет. Основные события на Земле за последние 700 млн лет (эпохи горообразования, трансгрессии и регрессии океанов, резкие климатические изменения, вымирания биоты и др.) коррелируют с этими прохождениями и повторяются с новым галак тическим годом, оцениваемым в 250 млн лет. Последний раз Солнце во шло в струйный поток — рукав Ориона — Лебедя около 3 млн лет назад и вышло из него 0,6 млн лет назад. Интервалы попадания в струйные пото ки в течение фанерозоя изменяются от 19 млн (кембрий, пермь) до 37 млн лет (юра, силур, рифей). Все сильные воздействия в фанерозое (послед ние 600 млн лет) падают на периоды пересечения Солнечной системой зон газоконденсации в ветвях Персея и Киля — Стрельца. Периоды таких про хождений сопровождаются массовым воздействием комет на Землю, что су щественно влияет на климат планеты. Это позволяет по-новому взглянуть на проблему происхождения и ритмику земной гидросферы (рис. 2.6. 2.7).
180°
II
IV 4кпс
Примечание. Положение Солнца отмечено кружком. I, II, III. IV — ло!арифмиче-
ски закрученные спиральные нет ни [Баренбаум А.А., 1993). Штрихами помечен коротационный круг (круг, по которому движется Солнечная система].
Рис. 2.6. Аппроксимация распределений на галактическую тоск ость (малая астрономическая энциклопедия) гигантских молекупярных облаков (точки) и обла стей эмиссии газа (прямоугольники)
74
Гwea 2. Зе\ия во Все генной
230 |
220 |
210 200 190 180° 170 160 150 |
140 |
Рис. 2.7. Логарифмические (сплошные линии) и архимедовская спираль (пун ктирная линия), рассчитанные А.А. Баренбаумом в 1993 г
Авторы полагают, что кометы могли давать до Ю2 г воды, что могло вызывать трансгрессию океана до 20—30 м Одновременно кометы прино сили на планету значительное количество углерода (102()—102) г) и других тяжелых элементов, образующихся за счет взрывов близких «сверхновых» звезд. Это вещество поглощалось живыми организмами, включалось в об щий круговорот и затем, спустя некоторое время, отлагалось и преобразо вывалось в виде геохимически аномальных черных сланцев. Следует отме тить, что это лишь гипотеза авторов.
2.3
Эволюция звезд
Звезды возникали в ходе эволюции галактик. Боль шинство астрономов считают, что это происходило в результате сгущения (конденсации) облаков диффузной материи, которые постепенно форми
75
Ра и)е 1 /. Принципы эво иоции и взаимодействия сложных систем
ровались внутри галактик. Одна из исходных предпосылок такой гипотезы состоит в том, что, как показывают наблюдения, «молодые» звезды всегда тесно связаны с газом и пылью. Эти звезды и диффузная материя концен трируются в спиральных ветвях галактик. Местами наиболее интенсивно го звездообразования считаются массы холодного межзвездного вещества, которые называются газовоп ы левы м и ком п лексам и . Наиболее изученный га зовопылевой комплекс нашей Галактики находится в созвездии Ориона, он включает туманность в Орионе, более плотные газовопылевые облака и другие объекты. Представим себе холодное газовопылевое облако. Силы тяготения или взрыв «сверхновой» поблизости сжимают его, и оно прини мает шарообразную форму. При сжатии будут возрастать плотность и тем пература облака. Возникнет будущая, рождающаяся звезда (протозвезда). Температура поверхности протозвезды пока еще мала, но она уже излучает в инфракрасном диапазоне, поэтому рождающиеся звезды можно попытать ся обнаружить среди довольно многочисленных источников инфракрасного излучения. Поиски протозвезд (и протогалактик) сейчас ведутся на многих обсерваториях.
Одно из основных отличий протозвезды от звезды заключается в том, что в протозвезде еще не происходят термоядерные реакции, т.е. в ней нет еще основного источника энергии обычных звезд. Излучение идет за счет гравитационного сжатия и аккреции. Когда в процессе сжатия протозвезды температура в ее недрах достигнет величины около 107 К, начнутся термо ядерные реакции. С этого времени стадия сжатия звезды прекращается — сила внутреннего давления газа теперь уже может уравновесить силу тяготе ния внешних частей звезды.
Стадия сжатия звезд, массы которых значительно больше массы Солн ца, продолжается всего сотни тысяч лет, а звезды, массы которых меньше солнечной, сжимаются в течение сотен миллионов лет. Чем больше масса звезды, тем при большей температуре достигается равновесие. Поэтому массивные звезды обладают большей светимостью.
Стадию сжатия сменяет стационарная стадия, сопровождающаяся по степенным «выгоранием» водорода. В стационарной стадии звезда проводит большую часть своей жизни. Именно в этой стадии эволюции находятся звезды, которые располагаются на главной последовательности диаграммы «спектр — светимость» Таких звезд больше всего. Время пребывания звез ды на главной последовательности пропорционально массе звезды, так как от этого зависит запас ядерного горючего, и обратно пропорционально све тимости, которая определяет темп расхода ядерного горючего. А поскольку светимость звезды пропорциональна примерно ее массе в четвертой степе ни, то массивные звезды, массы которых в несколько раз больше массы Солнца, эволюционируют быстрее. Они находятся в стационарной стадии
76
Глава 2. Земля во Все генной
только несколько миллионов лег. а звезды, подобные Солнцу, — милли арды лет.
Когда весь водород в центральной области звезды превратится в гелий, внутри звезды образуется гел и ево е ядро . Теперь водород будет превращать ся в гелий не в центре звезды, а в слое, прилегающем к очень горячему ге лиевому ядру. Пока внутри гелиевого ядра нет источников энергии, оно будет постепенно сжиматься и при этом еше более разогреваться. Когда температура внутри звезды превысит 1,5 х 107 К, гелий начнет превращать ся в углерод (с последующим образованием все более тяжелых химических элементов). Светимость и размеры звезд будут возрастать. В результате обыч ная звезда постепенно превратится в красного гиганта или сверхгиганта. Многие звезды не сразу становятся стационарными гигантами, некоторое время они пульсируют, как бы проходя в своем развитии стадию цефеид (пульсирующих звезд).
Заключительный этап жизни звезды, как и вся ее эволюция, решаю щим образом зависит от массы звезды. Внешние слои звезд, подобных нашему Солнцу (но массой не больше 1,2 массы Солнца), постепенно расширяются и, в конце концов, совсем покидают ядро звезды. Вместо гиганта остается маленький и горячий белый карлик. Белых карликов в мире звезд много. Таким образом, многие звезды превращаются в белых карликов, которые затем постепенно остывают, становясь потухшими звездами.
Иная судьба у более массивных звезд. Если масса звезды примерно вдвое превышает массу Солнца, то такие звезды на последних этапах сво ей эволюции теряют устойчивость. В частности, они могут взорваться, как «сверхновые», обогащая межзвездную среду тяжелыми химическими эле ментами (которые образовались внутри звезды и во время ее взрыва), а за тем катастрофически сжаться до размеров щаров радиусом в несколько ки лометров, т.е. превратиться в нейтронные звезды.
Внутри звезд в ходе термоядерных реакций может образоваться до 30 хи мических элементов, а во время взрыва «сверхновых» — остальные элемен ты Периодической системы. Из обогащенной тяжелыми элементами меж звездной среды образуются звезды следующих поколений.
Если масса звезды вдвое превышает массу Солнца, то такая звезда, поте ряв равновесие и начав сжиматься, либо превратится в нейтронную звезду, либо вообще не сможет достичь устойчивого состояния. В процессе неогра ниченного сжатия (коллапса) она, вероятно, способна превратиться в «черную дыру». Такое название связано с тем, что могучее поле тяготения сжавшейся звезды не выпускает за ее пределы никакое излучение (свет, рентгеновские лу чи и т.д.). Поэтому «черную дыру» нельзя увидеть ни в каком диапазоне элек тромагнитных волн.
77
Pcndei /. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем
2.4
Солнечная система. Активность Солнца
В современной планетарной космологии представле ние о совместном происхождении Солнца и планет из единой вращающей ся туманности сочетается с идеей О.Ю. Шмидта об образовании планет в околосолнечном протопланетном облаке путем аккреции (аккумуляции) твердых частиц и тел. Установлено [Сафронов и др., 1982], что первона чально однородная и равномерно вращающаяся протосолнечная туман ность коллапсирует в звезду солнечного типа, окруженную протопланетным диском, при величине момента количества движения КГ2—10V' г см2 / с. При меньших значениях момента образуется одиночная звезда, а при боль ших — двойная звезда. Чтобы коллапс завершился образованием Солнца и вращающегося вокруг него газопылевого диска, необходим эффективный перенос углового момента из центральной области наружу. В современных моделях главная роль в этом процессе отводится турбулентной вязкости. Согласно расчетам, за 10"— 106 лет масса центральной части становится доста точной для начала реакций термоядерного синтеза и составляет около 1027 г (масса Юпитера). Для удержания и развития ядерного горения нужна масса не менее 10™ г (масса самых маленьких звезд).
В протосолнечном диске химическая дифференциация управлялась в ос новном магнитным, гравитационным и тепловым полями. В этих условиях нейтральные молекулы газов оттеснялись тепловым полем молодой звезды к периферии диска, а ионизированные радикалы и атомы тяжелых элементов стремились к внутренней части диска. Более ранние центры аккреции внут ри диска разрастались быстрее. Совместное действие всех механизмов приве ло к сепарированию вещества и образованию планет с разным химическим составом и, следовательно, различной плотностью, которые закономерно расположились в пространстве по направлению от внутренних, более плот ных, к внешним, менее плотным. В Солнечной системе образовалось 9 пла нет, 2 пояса астероидов (Койпера и «Фаэтона») и 1 облако комет (Оорта). Большинство планет имеют спутники.
Все 9 планет вращаются вокруг Солнца по орбитам примерно в одной плоскости (рис. 2.8). Солнце медленно вращается вокруг своей оси с запада на восток, и в ту же сторону вращаются все планеты, кроме Венеры и Урана. Венера вращается в обратную сторону, а ось вращения Урана находится в пло скости его орбиты.
Четыре планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс — относятся к вну тренним планетам, а Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон — к внеш
78
Гюва Зе\ия во Все генной
ним планетам-гигантам. Внутренние и внешние планеты разделены поя сом астероидов.
Рис. 2.8, Схема строения Солнечной системы и траектория кометы Галлея
Два важных свойства Солнечной системы подтверждают данный сце нарий образования.
Во-первых, все планеты Солнечной системы обращаются почти в од ной плоскости: орбиты всех планет, за исключением Меркурия и Плутона, наклонены не более чем на 30 к плоскости земной орбиты, называемой экнштикой. Средняя орбитальная плоскость планет наклонена не более чем на 60 к экваториальной плоскости Солнца. Следовательно, все планеты сформировались из единой дискообразной структуры — протосолнечной туманности. Все планеты вращаются вокруг Солнца против часовой стрел ки. Планеты движутся по почти круговым орбитам (хотя для Меркурия и Плутона это не совсем так). Это свидетельствует об определенной упоря доченности внутри родительского диска. В табл. 2.1 приведены основные параметры планет Солнечной системы.
Во-вторых, отмечается закономерное изменение химического состава по мере удаления от Солнца. Внешние планеты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон) в основном состоят из относительно легких, летучих эле ментов. Внутренние — из более тяжелых элементов, таких, как кремний, железо и др. Объяснение этого различия состоит в том, что внутренняя часть протосолнечной туманности была достаточно горячей для того, что бы летучие элементы находились там в газообразном состоянии. Они, бу дучи нейтральными по отношению к магнитному полю, вытеснялись тептовым давлением на периферию. Более того, на ранней стадии формиро вание планет происходило за счет аккумуляции твердого вещества при важной роли воды, поскольку она широко распространена и конденсиру ется при относительно высокой температуре по сравнению со средней тем пературой туманности. В тех областях, где температура была 270 К или ни же (точка конденсации водяного льда), образовались планеты-гиганты.
79
оо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т аблица 2.1 |
о |
|
|
|
Параметры планет Солнечной системы |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
Планета |
Диаметр, |
Среднее |
Период |
Период вра |
Наклон |
Число |
Относи |
Плот |
Состав |
Температура |
|
км |
расстоя |
обраще |
щения вок |
оси враще- |
спут |
тельная |
ность |
атмос |
поверхности, |
|
|
ние от |
ния по |
руг своей |
щения от |
ников |
масса |
(плот |
феры |
С |
|
|
Солнца, |
орбите |
оси |
носитель |
(лун) |
(масса |
ность |
|
|
|
|
млн км |
|
|
но эклип |
|
Земли=1) |
воды= 1) |
|
|
|
|
|
|
|
тики |
|
|
|
|
|
Меркурий |
4880 |
57,9 |
88 сут. |
59 |
сут. |
||
Венера |
12258 |
108,2 |
224,7 сут. |
243 |
сут. |
||
|
|
|
|
|
(обратное) |
||
Земля |
12756 |
149,6 |
365,26 |
|
23 ч |
||
|
|
|
|
сут. |
56 мин 4 с |
||
Марс |
6774 |
227,9 |
687 сут. |
|
24 ч |
||
|
|
|
|
|
37 мин 23 с |
||
Юпитер |
142800 |
778,3 |
11,86 |
лет |
9 ч 30 мин |
||
|
|
|
|
|
|
30 |
с |
Сатурн |
120000 |
1427 |
29,46 |
лет |
10 ч 14 |
мин |
|
Уран |
51800 |
2870 |
84,01 |
лет |
|
11 ч |
|
|
|
|
|
|
(обратное) |
||
Нептун |
49500 |
4497 |
164,8 |
лет |
|
16 |
ч |
Плутон |
5800 |
5900 |
247,7 |
лет |
6 сут. 9 |
ч |
|
28° |
0 |
0,055 |
5,4 |
|
3' |
0 |
0,815 |
5,2 |
23с27‘ |
1 |
1.000 |
5,52 |
|
23°59 |
2 |
0,108 |
3,9 |
|
Зс05 |
13 |
317,9 |
1,314 |
|
26°44° |
11 |
95,2 |
0,704 |
|
82 |
05 |
5 |
14,6 |
1,21 |
28 |
48° |
2 |
17,2 |
1,67 |
|
7 |
0 |
П,И?) |
2<?) |
нет |
днем 350, |
|
|
ночью - |
170 |
со2 |
облака — 33, |
|
|
твердая |
поверх |
|
ность — 480 |
|
N, О, |
поверхность |
|
СО,, Аг, |
грунта — 22 |
|
н2о |
|
|
СО,, |
твердая |
поверх |
Art?) |
ность — 23 |
|
Н, Не |
облака — 150 |
|
Н, Не |
облака — 180 |
|
Н, Не, |
облака — 210 |
|
СН4 |
|
|
Н, Не, |
облака — 220 |
|
СН4 |
|
|
не обна |
- 230(?) |
|
ружена |
|
|
систем сложных взаимодействия и эволюции Принципы .I Раздел