Kako su nastale planete Sunčevog sistema? Kada i kako je nastala Zemlja? Kuglice kosmičke prašine
Na skali svemira, planete su samo zrnca pijeska, koja igraju beznačajnu ulogu u grandioznoj slici razvoja prirodnih procesa. Međutim, ovo su najraznovrsniji i najsloženiji objekti u svemiru. Nijedna druga vrsta nebeskih tijela nema sličnu interakciju astronomskih, geoloških, hemijskih i bioloških procesa. Nijedno drugo mjesto u svemiru ne može stvoriti život kakav poznajemo. Samo u posljednjoj deceniji, astronomi su otkrili više od 200 planeta.
Formiranje planeta, koje se dugo smatralo mirnim i stacionarnim procesom, u stvarnosti se pokazalo prilično haotičnim.
Zapanjujuća raznolikost masa, veličina, sastava i orbita navela je mnoge da se zapitaju o njihovom porijeklu. 1970-ih godina formiranje planeta se smatralo uređenim, determinističkim procesom - cevovodom u kojem se amorfni diskovi gasa i prašine pretvaraju u kopije Sunčevog sistema. Ali sada znamo da je ovo haotičan proces, sa različitim ishodom za svaki sistem. Planete koje su se rodile preživjele su haos suprotstavljenih mehanizama formiranja i uništenja. Mnogi objekti su umrli, izgorjeli u vatri svoje zvijezde ili su bačeni u međuzvjezdani prostor. Naša Zemlja je mogla imati davno izgubljene blizance koji sada lutaju mračnim i hladnim svemirom.
Nauka o formiranju planeta nalazi se na raskrsnici astrofizike, planetarne nauke, statističke mehanike i nelinearne dinamike. Generalno, planetarni naučnici razvijaju dva glavna pravca. Prema teoriji progresivne akrecije, sićušne čestice prašine se lijepe i formiraju velike nakupine. Ako takav blok privuče mnogo plina na sebe, pretvara se u plinovitog giganta, poput Jupitera, a ako ne, u kamenitu planetu poput Zemlje. Glavni nedostaci ove teorije su sporost procesa i mogućnost disipacije gasa prije formiranja planete.
U drugom scenariju (teorija gravitacijske nestabilnosti), navodi se da plinski divovi nastaju iznenadnim kolapsom, što dovodi do uništenja primarnog oblaka plina i prašine. Ovaj proces oponaša formiranje zvijezda u minijaturi. Ali ova hipoteza je vrlo kontroverzna, jer pretpostavlja postojanje jake nestabilnosti, koja se možda neće dogoditi. Osim toga, astronomi su otkrili da su najmasivnije planete i najmanje masivne zvijezde razdvojene "prazninom" (tijela srednje mase jednostavno ne postoje). Takav "neuspjeh" ukazuje da planete nisu samo zvijezde male mase, već objekti potpuno drugačijeg porijekla.
Uprkos činjenici da se naučnici i dalje raspravljaju, većina smatra da je scenario uzastopne akrecije vjerovatniji. U ovom članku ću se osloniti na to.
1. Međuzvjezdani oblak se smanjuje
Vrijeme: 0 (početna tačka procesa formiranja planeta)
Naš solarni sistem se nalazi u galaksiji u kojoj ima oko 100 milijardi zvijezda i oblaka prašine i plina, uglavnom ostataka zvijezda prethodnih generacija. U ovom slučaju, prašina su samo mikroskopske čestice vodenog leda, gvožđa i drugih čvrstih materija koje su se kondenzovale u spoljašnjim, hladnim slojevima zvezde i izbačene u svemir. Ako su oblaci hladni i dovoljno gusti, oni počinju da se urušavaju pod silom gravitacije, formirajući jata zvijezda. Takav proces može trajati od 100 hiljada do nekoliko miliona godina.
Oko svake zvijezde nalazi se disk preostale materije, dovoljan da formira planete. Mladi diskovi sadrže uglavnom vodonik i helijum. U njihovim toplim unutrašnjim područjima čestice prašine isparavaju, dok u hladnim i razrijeđenim vanjskim slojevima ostaju čestice prašine i rastu kako se para kondenzira na njima.
Astronomi su pronašli mnoge mlade zvijezde okružene takvim diskovima. Zvijezde stare između 1 i 3 miliona godina imaju plinovite diskove, dok one starije od 10 miliona godina imaju slabe diskove siromašne plinom, jer gas "izduvava" ili sama novorođena zvijezda ili obližnje sjajne zvijezde. Ovaj vremenski raspon je upravo epoha planetarne formacije. Masa teških elemenata u takvim diskovima je uporediva sa masom ovih elemenata na planetama Sunčevog sistema: prilično jak argument u odbranu činjenice da se planete formiraju od takvih diskova.
rezultat: novorođena zvijezda je okružena plinom i sitnim česticama prašine (veličine mikrometara).
Kuglice kosmičke prašine
Čak su i gigantske planete počele kao skromna tijela - čestice prašine mikronske veličine (pepeo davno mrtvih zvijezda) koje su plutale u okretnom disku plina. S udaljavanjem od novorođene zvijezde, temperatura plina opada, prolazeći kroz "liniju leda", iza koje se voda smrzava. U našem solarnom sistemu, ova granica odvaja unutrašnje kamenite planete od vanjskih plinovitih divova.
- Čestice se sudaraju, lijepe se i rastu.
- Male čestice se odnose na plin, ali one veće od milimetra usporavaju se i spiralno kreću prema zvijezdi.
- Na liniji leda uslovi su takvi da sila trenja mijenja smjer. Čestice imaju tendenciju da se drže zajedno i lako se ujedine u veća tijela - planetezimale.
2. Disk dobija strukturu
Vrijeme: oko 1 milion godina
Čestice prašine u protoplanetarnom disku, krećući se haotično zajedno sa tokovima gasa, sudaraju se jedna sa drugom i ponekad se lepe, ponekad kolabiraju. Zrnca prašine upijaju svjetlost iz zvijezde i ponovo je emituju u dalekom infracrvenom spektru, prenoseći toplinu na najtamnije unutrašnje dijelove diska. Temperatura, gustina i pritisak gasa generalno opadaju sa rastojanjem od zvezde. Zbog ravnoteže pritiska, gravitacije i centrifugalne sile, brzina rotacije gasa oko zvijezde je manja od brzine rotacije slobodnog tijela na istoj udaljenosti.
Kao rezultat toga, čestice prašine veće od nekoliko milimetara su ispred plina, pa ih čeoni vjetar usporava i tjera da se spiralno spuštaju prema zvijezdi. Što ove čestice postaju veće, brže se kreću prema dolje. Blok veličine metar može prepoloviti svoju udaljenost od zvijezde za samo 1.000 godina.
Kako se čestice približavaju zvijezdi, zagrijavaju se, a voda i druge tvari niskog ključanja zvane hlapljive tvari postepeno isparavaju. Udaljenost na kojoj se to događa - takozvana "linija leda" - je 2-4 astronomske jedinice (AJ). U Sunčevom sistemu, ovo je samo nešto između orbite Marsa i Jupitera (poluprečnik Zemljine orbite je 1 AJ). Linija leda dijeli planetarni sistem na unutrašnju regiju, lišenu isparljivih tvari i koja sadrži čvrsta tijela, i vanjsku regiju, bogatu isparljivim tvarima i koja sadrži ledena tijela.
Molekuli vode ispareni iz čestica prašine akumuliraju se na samoj liniji leda, što služi kao okidač za čitav niz pojava. U ovoj regiji nastaje jaz u parametrima gasa i dolazi do skoka pritiska. Ravnoteža sila uzrokuje da gas ubrza svoje kretanje oko centralne zvijezde. Kao rezultat toga, čestice koje ovdje ulaze nisu pod utjecajem čeonog vjetra, već vjetra u rep, koji ih tjera naprijed i zaustavlja njihovu migraciju u disk. A budući da čestice i dalje teku iz njegovih vanjskih slojeva, linija leda se pretvara u traku njegove akumulacije.
Akumulirajući, čestice se sudaraju i rastu. Neki od njih probijaju liniju leda i nastavljaju svoju migraciju prema unutra; kada se zagriju, prekrivaju se tekućim blatom i složenim molekulima, što ih čini ljepljivijim. Neka područja su toliko ispunjena prašinom da međusobno gravitaciono privlačenje čestica ubrzava njihov rast.
Postepeno se zrnca prašine skupljaju u kilometarska tijela nazvana planetezimali, koja u posljednjoj fazi formiranja planeta sakupljaju gotovo svu primarnu prašinu. Same planetezimale je teško vidjeti u formiranju planetarnih sistema, ali astronomi mogu nagađati o njihovom postojanju iz fragmenata njihovih sudara (vidi: Ardila D. Nevidljivi planetarni sistemi // VMN, br. 7, 2004).
rezultat: mnogo kilometara dugi "građevni blokovi" zvani planetezimali.
Uspon oligarha
Milijarde kilometara dugih planetezimala formiranih u fazi 2 zatim se sastavljaju u tijela veličine Mjeseca ili Zemlje, nazvana embrioni. Mali broj njih dominira svojim orbitalnim zonama. Ovi "oligarsi" među embrionima se bore za preostalu supstancu
3. Nastaju embrioni planeta
Vrijeme: 1 do 10 Ma
Površine Merkura, Mjeseca i asteroida prekrivene kraterima ne ostavljaju sumnju da tokom perioda formiranja planetarni sistemi izgledaju kao streljana. Međusobni sudari planetezimala mogu stimulirati i njihov rast i uništenje. Ravnoteža između koagulacije i fragmentacije dovodi do distribucije veličine u kojoj su mala tijela uglavnom odgovorna za površinu sistema, dok velika određuju njegovu masu. Orbite tijela oko zvijezde u početku mogu biti eliptične, ali s vremenom usporavanje u plinu i međusobni sudari pretvaraju orbite u kružne.
U početku se rast tijela događa zbog slučajnih sudara. Ali što planetezimal postaje veći, to je njegova gravitacija jača, intenzivnije apsorbuje svoje susjede male mase. Kada mase planetezimala postanu uporedive s masom Mjeseca, njihova gravitacija se toliko povećava da potresaju okolna tijela i odbiju ih u strane čak i prije sudara. To ograničava njihov rast. Tako nastaju "oligarsi" - embrioni planeta uporedivih masa, koji se međusobno takmiče za preostale planetezimale.
Zona hranjenja svakog embrija je uska traka duž njegove orbite. Rast prestaje kada embrion apsorbuje većinu planetezimala iz svoje zone. Elementarna geometrija pokazuje da se veličina zone i trajanje izumiranja povećavaju s udaljenosti od zvijezde. Na udaljenosti od 1 AJ embrioni dostižu masu od 0,1 Zemljine mase u roku od 100 hiljada godina. Na udaljenosti od 5 AJ dostižu četiri Zemljine mase za nekoliko miliona godina. Embrioni mogu postati još veći u blizini ledene linije ili na rubovima ruptura diska gdje su koncentrirani planetezimali.
Rast "oligarha" ispunjava sistem viškom tijela koja teže da postanu planete, ali samo rijetki uspijevaju. U našem Sunčevom sistemu, planete su, iako raspoređene na velikom području, što bliže jedna drugoj. Ako se još jedna planeta mase Zemlje smjesti između zemaljskih planeta, to će dovesti do debalansa cijelog sistema. Isto se može reći i za druge poznate planetarne sisteme. Ako vidite šoljicu kafe napunjenu do vrha, gotovo možete biti sigurni da ju je neko prepunio i prosuo malo tečnosti; malo je vjerovatno da možete napuniti posudu do vrha, a da ne prolijete ni kapi. Jednako je vjerovatno da planetarni sistemi imaju više materije na početku svog života nego na kraju. Neki objekti se izbacuju iz sistema prije nego što dođe do ravnoteže. Astronomi su već posmatrali slobodno lebdeće planete u mladim zvezdanim jatima.
rezultat:"oligarsi" su embrioni planeta sa masama u rasponu od mase Mjeseca do mase Zemlje.
Gigantski skok za planetarni sistem
Formiranje takvog plinovitog diva kao što je Jupiter najvažniji je trenutak u istoriji planetarnog sistema. Ako se formira takva planeta, ona počinje kontrolirati cijeli sistem. Ali da bi se to dogodilo, jezgro mora sakupljati gas brže nego što se spiralno kreće prema centru.
Formiranje džinovske planete ometaju talasi koje pobuđuje u okolnom gasu. Djelovanje ovih valova nije uravnoteženo, usporava planetu i uzrokuje je da migrira prema zvijezdi.
Planeta privlači gas, ali se ne može slegnuti dok se ne ohladi. I za to vrijeme može se spiralno približiti zvijezdi. Džinovska planeta se možda neće formirati u svim sistemima
4. Rođen je plinski gigant
Vrijeme: 1 do 10 Ma
Vjerovatno je Jupiter započeo s embrionom koji je po veličini usporediv sa Zemljom, a zatim je akumulirao još oko 300 zemaljskih masa plina. Takav impresivan rast je rezultat različitih konkurentskih mehanizama. Gravitacija jezgra izvlači plin iz diska, ali plin koji se kompresuje prema jezgru oslobađa energiju, a da bi se slegnuo, mora se ohladiti. Stoga je brzina rasta ograničena mogućnošću hlađenja. Ako se to dogodi presporo, zvijezda može otpuhati plin natrag u disk prije nego što jezgro oko njega stvori gustu atmosferu. Usko grlo u uklanjanju topline je prijenos zračenja kroz vanjske slojeve rastuće atmosfere. Toplotni tok tamo je određen neprozirnošću plina (uglavnom ovisi o njegovom sastavu) i temperaturnim gradijentom (zavisi od početne mase jezgra).
Rani modeli su pokazali da bi embrion planete trebao imati masu od najmanje 10 Zemljinih masa da bi se dovoljno brzo ohladio. Ovako veliki primjerak može rasti samo blizu linije leda, gdje se prethodno nakupilo mnogo materije. Možda se zato Jupiter nalazi odmah iza ove linije. Velika jezgra se također mogu formirati bilo gdje drugdje ako disk sadrži više materije nego što planetarni naučnici obično pretpostavljaju. Astronomi su već uočili mnoge zvijezde, diskovi oko kojih su nekoliko puta gušći nego što se mislilo. Za veliki uzorak, prijenos topline ne predstavlja ozbiljan problem.
Još jedan faktor koji ometa rađanje plinovitih divova je kretanje embrija u spirali prema zvijezdi. U procesu koji se naziva migracija tipa I, embrij pobuđuje valove u plinovitom disku, koji zauzvrat gravitacijski utiču na njegovo orbitalno kretanje. Talasi prate planetu, baš kao što njen trag prati čamac. Gas na vanjskoj strani orbite rotira sporije od embrija i vuče ga nazad, usporavajući njegovo kretanje. A plin unutar orbite rotira brže i vuče naprijed, ubrzavajući ga. Vanjski dio je veći, tako da pobjeđuje u bitci i uzrokuje da klica izgubi energiju i potone u centar orbite za nekoliko astronomskih jedinica na milion godina. Ova migracija se obično zaustavlja na liniji leda. Ovdje se nadolazeći plinski vjetar pretvara u stražnji vjetar i počinje gurati embrion naprijed, kompenzirajući njegovo usporavanje. Možda je i zbog toga Jupiter upravo tamo gde jeste.
Rast jezgra, njegova migracija i gubitak plina iz diska odvijaju se gotovo istom brzinom. Koji proces će pobediti zavisi od sreće. Moguće je da će nekoliko generacija embrija proći kroz proces migracije, a da ne budu u stanju da završe svoj rast. Iza njih, nove grupe planetezimala kreću se od vanjskih dijelova diska do njegovog centra, i to se ponavlja sve dok se konačno ne formira plinski gigant, ili dok se sav plin ne apsorbira, a plinski gigant se više ne može formirati. Astronomi su otkrili planete poput Jupitera oko 10% zvijezda nalik suncu koje su proučavali. Jezgra takvih planeta mogu biti rijetki embrioni koji su preživjeli iz mnogih generacija - posljednji od Mohikanaca.
Rezultat svih ovih procesa ovisi o početnom sastavu tvari. Otprilike jedna trećina zvijezda bogatih teškim elementima ima planete poput Jupitera. Moguće je da su takve zvijezde imale guste diskove, što je omogućilo stvaranje masivnih sjemenki koje nisu imale problema s odvođenjem topline. I, naprotiv, planete se rijetko formiraju oko zvijezda koje su siromašne teškim elementima.
U nekom trenutku, masa planete počinje da raste monstruozno brzo: za 1000 godina, planeta poput Jupitera dobije polovinu svoje konačne mase. Istovremeno, emituje toliko toplote da sija skoro kao Sunce. Proces se stabilizuje kada planeta postane toliko masivna da preokrene migraciju tipa I. Umjesto da disk mijenja orbitu planete, sama planeta počinje mijenjati kretanje plina u disku. Gas unutar orbite planete rotira brže od nje, pa njegova privlačnost usporava gas, tjerajući ga da padne prema zvijezdi, odnosno dalje od planete. Gas izvan orbite planete rotira sporije, pa ga planeta ubrzava, tjerajući ga da se kreće prema van, opet dalje od planete. Tako planeta stvara jaz u disku i uništava zalihe građevinskog materijala. Gas pokušava da ga napuni, ali kompjuterski modeli pokazuju da planeta dobija bitku ako je na udaljenosti od 5 AJ. njegova masa premašuje masu Jupitera.
Ova kritična masa zavisi od ere. Što se planeta ranije formira, to će njen rast biti veći, jer u disku još uvijek ima puno plina. Saturn ima manju masu od Jupitera jednostavno zato što je nastao nekoliko miliona godina kasnije. Astronomi su otkrili nedostatak planeta čija se masa kreće od 20 Zemljinih masa (to je masa Neptuna) do 100 Zemljinih masa (masa Saturna). Ovo može biti ključ za rekonstrukciju slike evolucije.
rezultat: Planeta veličine Jupitera (ili nedostatak iste).
5. Plinski gigant postaje nemiran
Vrijeme: 1 do 3 Ma
Začudo, mnoge ekstrasolarne planete otkrivene u posljednjih deset godina kruže oko svoje zvijezde na vrlo malim udaljenostima, mnogo bližim nego što Merkur kruži oko Sunca. Ovi takozvani "vrući Jupiteri" nisu se formirali tamo gdje se sada nalaze, jer bi orbitalna zona hranjenja bila premala da bi opskrbila neophodan materijal. Možda je za njihovo postojanje potreban slijed događaja u tri faze, koji se iz nekog razloga nisu materijalizirali u našem Sunčevom sistemu.
Prvo, gasni gigant se mora formirati u unutrašnjem delu planetarnog sistema, blizu linije leda, dok još ima dovoljno gasa u disku. Ali za ovo mora biti puno čvrste materije na disku.
Drugo, džinovska planeta se mora preseliti na svoju trenutnu lokaciju. Migracija tipa I to ne može pružiti, jer djeluje na embrije čak i prije nego što nakupe mnogo plina. Ali moguća je i migracija tipa II. Div u nastajanju stvara prazninu u disku i zadržava protok gasa kroz njegovu orbitu. U ovom slučaju, mora se boriti protiv tendencije turbulentnog plina da se širi u susjedne regije diska. Gas nikada neće prestati prodirati u jaz, a njegova difuzija prema centralnoj zvijezdi će uzrokovati da planeta izgubi orbitalnu energiju. Ovaj proces je prilično spor: potrebno je nekoliko miliona godina da se planeta pomjeri za nekoliko astronomskih jedinica. Zbog toga se planeta mora početi formirati u unutrašnjem dijelu sistema ako završi u orbiti blizu zvijezde. Kako se ova i druge planete kreću prema unutra, one guraju preostale planetezimale i klice ispred sebe, moguće stvarajući "vruće Zemlje" u još bližim orbitama do zvijezde.
Treće, nešto mora zaustaviti kretanje prije nego što planeta udari u zvijezdu. To može biti magnetno polje zvijezde, koje čisti prostor u blizini zvijezde od plina, a bez plina kretanje prestaje. Možda planeta pobuđuje plimu na zvijezdi, a one zauzvrat usporavaju pad planete. Ali ovi limiteri možda neće raditi u svim sistemima, tako da mnoge planete mogu nastaviti svoje kretanje prema zvijezdi.
rezultat: džinovska planeta u bliskoj orbiti ("vrući Jupiter").
Kako zagrliti zvezdu
U mnogim sistemima, džinovska planeta se formira i počinje spiralno kretati prema zvijezdi. To se događa zato što plin u disku gubi energiju zbog unutrašnjeg trenja i taloži se prema zvijezdi, povlačeći sa sobom planetu, koja se na kraju toliko približi zvijezdi da stabilizira svoju orbitu.
6. Pojavljuju se druge džinovske planete
Vrijeme: 2 do 10 Ma
Ako je jedan plinski gigant uspio da se formira, onda to doprinosi rađanju sljedećih divova. Mnoge, a možda i većina poznatih džinovskih planeta, imaju blizance slične mase. U Sunčevom sistemu, Jupiter je pomogao Saturnu da se formira brže nego što bi bez njega. Osim toga, "pružio je ruku pomoći" Uranu i Neptunu, bez kojih ne bi dostigli svoju sadašnju masu. Na njihovoj udaljenosti od Sunca, proces formiranja bez vanjske pomoći išao bi vrlo sporo: disk bi se rastvorio čak i prije nego što planete dobiju masu.
Prvi plinski gigant se pokazao korisnim iz nekoliko razloga. Na vanjskoj ivici jaza koji se njime formira, materija je koncentrisana, općenito, iz istog razloga kao i na liniji leda: razlika tlaka uzrokuje ubrzanje plina i djeluje kao stražnji vjetar na čestice prašine i planetezimale, zaustavljajući se njihova migracija iz vanjskih područja diska. Osim toga, gravitacija prvog plinskog giganta često baca susjedne planetezimale u vanjski dio sistema, gdje se od njih formiraju nove planete.
Druga generacija planeta formirana je od materijala koji je za njih prikupio prvi plinski gigant. Istovremeno, tempo je od velike važnosti: čak i malo kašnjenje u vremenu može značajno promijeniti rezultat. U slučaju Urana i Neptuna, akumulacija planetezimala bila je pretjerana. Embrion je postao prevelik, 10-20 zemaljskih masa, što je odložilo početak akrecije gasa do trenutka kada gasa u disku gotovo da i nije bilo. Formiranje ovih tijela je završeno kada su prikupili samo dvije zemaljske mase gasa. Ali to više nisu plinovi, već ledeni divovi, koji se mogu pokazati kao najčešći tip.
Gravitaciona polja planeta druge generacije povećavaju haos u sistemu. Ako se ova tijela formiraju preblizu jedno drugom, njihova interakcija jedno s drugim i s plinskim diskom mogla bi ih baciti u više eliptične orbite. U Sunčevom sistemu planete imaju gotovo kružne orbite i dovoljno su udaljene jedna od druge, što smanjuje njihov međusobni uticaj. Ali u drugim planetarnim sistemima, orbite su obično eliptične. U nekim sistemima su rezonantni, odnosno orbitalni periodi su povezani kao mali cijeli brojevi. Malo je vjerovatno da je to položeno tokom formiranja, ali je moglo nastati tokom migracije planeta, kada ih je postepeno uzajamni gravitacijski utjecaj povezao jedne s drugima. Razlika između ovakvih sistema i solarnog sistema mogla bi se odrediti različitim početnim distribucijama gasa.
Većina zvijezda je rođena u jatima, a više od polovine njih su binarne. Planete se možda ne formiraju u ravni orbitalnog kretanja zvijezda; u ovom slučaju, gravitacija susjedne zvijezde brzo preuređuje i iskrivljuje orbite planeta, ne formirajući tako ravne sisteme kao što je naš Sunčev sistem, već sferne, nalik roju pčela oko košnice.
rezultat: kompanija džinovskih planeta.
Dodatak porodici
Prvi gasni gigant stvara uslove za rađanje sledećeg. Traka koju je on očistio djeluje kao jarak tvrđave, koji ne može savladati supstancu koja se kreće izvana prema centru diska. Skuplja se na vanjskoj strani pukotine, gdje formira nove planete.
7. Nastaju planete slične Zemlji
Vrijeme: 10 do 100 Ma
Planetolozi vjeruju da su planete slične Zemlji češće od džinovskih planeta. Dok rođenje plinovitog giganta zahtijeva preciznu ravnotežu konkurentskih procesa, formiranje kamenite planete mora biti mnogo teže.
Prije otkrića ekstrasolarnih planeta sličnih Zemlji, oslanjali smo se samo na podatke o Sunčevom sistemu. Četiri zemaljske planete – Merkur, Venera, Zemlja i Mars – uglavnom se sastoje od supstanci sa visokim tačkama ključanja, kao što su gvožđe i silikatne stene. To ukazuje da su se formirale unutar ledene linije i da se nisu primjetno migrirali. Na takvim udaljenostima od zvijezde, embrioni planeta mogu rasti u plinovitom disku do 0,1 Zemljine mase, odnosno ne više od Merkura. Za daljnji rast potrebno je da se orbite embrija ukrste, tada će se sudarati i spojiti. Uslovi za to nastaju nakon isparavanja gasa sa diska: pod dejstvom međusobnih poremećaja, tokom nekoliko miliona godina, orbite jezgara se razvlače u elipse i počinju da se ukrštaju.
Mnogo je teže objasniti kako se sistem ponovo stabilizuje i kako su zemaljske planete završile u svojim sadašnjim gotovo kružnim orbitama. Mala količina preostalog gasa bi to mogla da obezbedi, ali je takav gas trebalo da spreči početno "zamućenje" orbita jezgara. Možda, kada su planete skoro formirane, još uvijek postoji pristojan roj planetezimala. Tokom narednih 100 miliona godina, planete uklanjaju neke od ovih planetezimala, a ostale se odbijaju prema Suncu. Planete prenose svoje nestalno kretanje na osuđene planetezimale i kreću se u kružne ili skoro kružne orbite.
Prema drugoj ideji, dugotrajni uticaj Jupiterove gravitacije uzrokuje migriranje planeta u nastajanju, premještajući ih u regije sa svježom materijom. Ovaj uticaj bi trebao biti jači na rezonantnim orbitama, koje su se postepeno pomicale prema unutra kako se Jupiter spuštao na svoju trenutnu orbitu. Merenja radioizotopa pokazuju da su se prvo formirali asteroidi (4 miliona godina nakon formiranja Sunca), zatim Mars (nakon 10 miliona godina), a kasnije Zemlja (nakon 50 miliona godina): kao da je talas koji je podigao Jupiter prošao kroz Sunčev sistem . Da nije nailazio na prepreke, pomjerio bi sve planete zemaljske grupe u orbitu Merkura. Kako su uspjeli izbjeći tako tužnu sudbinu? Možda su već postali previše masivni, a Jupiter ih nije mogao mnogo pomjeriti, ili su ih snažni udari izbacili iz Jupiterovog dometa.
Imajte na umu da mnogi planetarni naučnici ne smatraju ulogu Jupitera odlučujućom u formiranju čvrstih planeta. Većina zvijezda nalik suncu su lišene planeta poput Jupitera, ali imaju diskove prašine oko sebe. To znači da postoje planetezimali i embrioni planeta od kojih se mogu formirati objekti poput Zemlje. Glavno pitanje na koje posmatrači moraju da odgovore u narednoj deceniji jeste koliko sistema ima Zemlje, ali nema Jupitera.
Najvažnija epoha za našu planetu bio je period između 30 i 100 miliona godina nakon formiranja Sunca, kada je embrion veličine Marsa pao u proto-Zemlju i stvorio ogromnu količinu krhotina od kojih je nastao Mjesec. . Takav snažan udarac, naravno, rasuo je ogromnu količinu materije po Sunčevom sistemu; stoga planete slične Zemlji u drugim sistemima takođe mogu imati satelite. Ovaj snažan udarac trebao je da poremeti primarnu atmosferu Zemlje. Njegova današnja atmosfera uglavnom je nastala od plina zarobljenog u planetezimalima. Od njih je nastala Zemlja, a kasnije je ovaj gas izašao tokom vulkanskih erupcija.
rezultat: zemaljske planete.
Objašnjenje nekružnog kretanja
U unutrašnjem području Sunčevog sistema, planetarni embrioni ne mogu rasti hvatanjem plina, pa se moraju spojiti jedan s drugim. Da bi to učinili, njihove orbite se moraju ukrštati, što znači da nešto mora poremetiti njihovo prvobitno kružno kretanje.
Kada se formiraju jezgra, njihove se kružne ili gotovo kružne orbite ne sijeku.
Gravitaciona interakcija jezgara međusobno i sa divovskom planetom remeti orbite.
Klice se spajaju u planetu zemaljskog tipa. Vraća se u kružnu orbitu, miješajući preostali plin i raspršujući preostale planetezimale.
8. Počinju operacije čišćenja
Vrijeme: 50 miliona do 1 milijardu godina
U ovom trenutku, planetarni sistem je skoro formiran. Nekoliko sekundarnih procesa se nastavlja: kolaps okolnog zvjezdanog jata, sposobnog da svojom gravitacijom destabilizira orbite planeta; unutrašnja nestabilnost koja se javlja nakon što zvijezda konačno uništi svoj plinoviti disk; i konačno kontinuirano raspršivanje preostalih planetezimala od strane džinovske planete. U Sunčevom sistemu, Uran i Neptun izbacuju planetezimale u Kuiperov pojas, ili prema Suncu. A Jupiter ih svojom moćnom gravitacijom šalje u Oortov oblak, na samu ivicu gravitacionog uticaja Sunca. Oortov oblak može sadržavati oko 100 Zemljinih masa materije. S vremena na vrijeme, planetezimali iz Kuiperovog pojasa ili Oortovog oblaka prilaze Suncu, formirajući komete.
Rasipajući planetesimale, same planete malo migriraju, i to može objasniti sinhronizaciju orbita Plutona i Neptuna. Možda se orbita Saturna nekada nalazila bliže Jupiteru, ali se potom udaljila od njega. Vjerovatno je s tim povezana takozvana kasna epoha snažnog bombardiranja - period vrlo intenzivnih sudara s Mjesecom (i, po svemu sudeći, sa Zemljom), koji se dogodio 800 miliona godina nakon formiranja Sunca. U nekim sistemima, grandiozni sudari formiranih planeta mogu se desiti kasno u razvoju.
rezultat: Kraj formiranja planeta i kometa.
Glasnici iz prošlosti
Meteoriti nisu samo svemirske stijene, već i svemirski fosili. Prema planetarnim naučnicima, ovo su jedini opipljivi svjedoci rođenja Sunčevog sistema. Vjeruje se da se radi o komadićima asteroida, koji su fragmenti planetezimala koji nikada nisu učestvovali u formiranju planeta i zauvijek su ostali u zamrznutom stanju. Sastav meteorita odražava sve što se dogodilo njihovim matičnim tijelima. Zapanjujuće je da su na njima vidljivi tragovi dugogodišnjeg gravitacionog uticaja Jupitera.
Gvozdeni i kameni meteoriti su očigledno nastali u planetezimalima koji su se topili, usled čega se gvožđe odvojilo od silikata. Teško gvožđe je potonulo u jezgro, dok su se laki silikati akumulirali u spoljnim slojevima. Naučnici vjeruju da je zagrijavanje uzrokovano raspadom radioaktivnog izotopa aluminija-26, koji ima vrijeme poluraspada od 700 hiljada godina. Eksplozija supernove ili obližnja zvijezda mogla bi "zaraziti" protosolarni oblak ovim izotopom, uslijed čega je u velikim količinama upao u prvu generaciju planetezimala u Sunčevom sistemu.
Međutim, željezni i kameni meteoriti su rijetki. Većina sadrži hondrule - mala zrna veličine milimetra. Ovi meteoriti - hondriti - nastali su prije planetezimala i nikada se nisu topili. Čini se da većina asteroida nije povezana s prvom generacijom planetezimala, koji su najvjerovatnije izbačeni iz sistema pod uticajem Jupitera. Planetarni naučnici su izračunali da je oblast sadašnjeg asteroidnog pojasa sadržavala hiljadu puta više materije nego sada. Čestice koje su pobjegle Jupiterovim kandžama ili su kasnije pale u asteroidni pojas spojile su se u nove planetezimale, ali do tada je u njima ostalo malo aluminija-26, tako da se nikada nisu istopile. Izotopski sastav hondrita pokazuje da su nastali oko 2 miliona godina nakon početka formiranja Sunčevog sistema.
Staklasta struktura nekih hondrula ukazuje da su prije ulaska u planetezimale bile oštro zagrijane, otopljene, a zatim brzo ohlađene. Valovi koji su pokretali Jupiterovu ranu orbitalnu migraciju morali su se pretvoriti u udarne valove i mogli su uzrokovati ovo iznenadno zagrijavanje.
Ne postoji jedinstven plan
Prije ere otkrića ekstrasolarnih planeta, mogli smo proučavati samo Sunčev sistem. Uprkos činjenici da nam je to omogućilo da razumijemo mikrofiziku najvažnijih procesa, nismo imali pojma o razvoju drugih sistema. Zapanjujuća raznolikost planeta otkrivenih u protekloj deceniji uvelike je proširila horizont našeg znanja. Počinjemo shvaćati da su ekstrasolarne planete posljednja preživjela generacija protoplaneta koje su iskusile formiranje, migraciju, uništenje i kontinuiranu dinamičku evoluciju. Relativni poredak u našem Sunčevom sistemu ne može biti odraz nekog opšteg plana.
Od pokušaja da otkriju kako se naš solarni sistem formirao u dalekoj prošlosti, teoretičari su se okrenuli istraživanju kako bi napravili predviđanja o svojstvima još neotkrivenih sistema koji bi mogli biti otkriveni u bliskoj budućnosti. Do sada su posmatrači primetili samo planete sa masama veličine Jupiterovih zvezda sličnih Suncu. Naoružani novom generacijom instrumenata, moći će da traže objekte zemaljskog tipa, koji bi, prema teoriji sukcesivnog prirasta, trebali biti široko rasprostranjeni. Planetarni naučnici tek počinju da shvataju koliko su različiti svetovi u svemiru.
Prijevod: V. G. Surdin
Dodatna literatura:
1) Ka determinističkom modelu planetarne formacije. S. Ida i D.N.C. Lin u Astrophysical Journal, Vol. 604, br. 1, strane 388-413; mart 2004.
2) Formiranje planeta: teorija, posmatranje i eksperimenti. Uredili Hubert Klahr i Wolfgang Brandner. Cambridge University Press, 2006.
3) Alven H., Arrhenius G. Evolucija Sunčevog sistema. M.: Mir, 1979.
4) Vityazev A.V., Pechernikova G.V., Safronov V.S. Zemaljske planete: Postanak i rana evolucija. Moskva: Nauka, 1990.
To je jedini način da se formiraju planete. Jedinstvene karakteristike svakog zvezdanog sistema povezane su sa karakteristikama njegovog formiranja.
Postoje dvije glavne teorije o nastanku planeta. Prvi pretpostavlja formiranje centara mase u protoplanetarnom oblaku, oko kojih se počinju skupljati prašina i plinovi iz oblaka. Ova teorija se zove teorija akrecije i trenutno je općeprihvaćena. Druga teorija - gravitaciona nestabilnost - sugerira da se planete formiraju kao rezultat iznenadnog kolapsa nestabilnih dijelova protoplanetarnog oblaka. Ova teorija ima niz ozbiljnih nedostataka.
Oko svakog novog formira se ogroman oblak gasa i prašine, koji pod uticajem gravitacionih sila počinje brže da se okreće oko zvezde i skuplja.
Otprilike milion godina nakon formiranja zvezde, oblak gasa i prašine se deli na dva dela, u jednom, bliže zvezdi, akumuliraju se teže čestice, u drugom, udaljenijem, uglavnom je gas. Ove oblasti su podeljene između orbite Marsa i Jupitera, odnosno čvrste planete se formiraju u jednoj zoni, a gasoviti divovi u drugoj.
U oblaku plina i prašine, kao rezultat akrecije, odnosno pada i prianjanja malih čestica na veće, pojavljuje se puno planetezimala, malih objekata koji privlače sve veću količinu materije. Što ih više postaje, njihova masa počinje brže rasti. Ponekad se sudare jedni s drugima i formiraju još masivnije objekte. Nekoliko miliona godina oko zvijezde se odvijaju aktivni nasilni procesi sudara, uništavanja i formiranja planetezimala koji se bore za ono što ostaje u oblaku. Kao rezultat toga, nastaju embrioni planeta.
Na stabilizaciju procesa utiče pojava velikih gasnih divova, koji svojim privlačenjem počinju da utiču na manja jezgra i stabilizuju njihove orbite. Još nekoliko desetina miliona godina, sistem se stabilizuje, embrioni planeta rastu i kao rezultat toga nastaje novi stabilan planetarni sistem.
Poreklo planeta, istorija nastanka Zemlje je tema koja je oduvek zaokupljala umove ljudi. Još u antici postojale su ideje o stvaranju svijeta. Prve naučne hipoteze zasnovane na astronomskim posmatranjima pojavile su se u 18. veku. Danas su naučnici naoružani modernom tehnologijom i dubokim poznavanjem hemijskog sastava Sunčevog sistema.
Od čega je nastala zemlja
Prema modernim konceptima, Sunčev sistem je nastao iz nehladne magline - nakupina prašine i gasa. Ova maglina je bila sastavljena od krhotina ranijih generacija zvijezda, skup mikroskopskih čestica materije izbačenih u svemir. Privlačne sile su gurale ove čestice zajedno, što je rezultiralo formiranjem velikih blokova. U slučaju kada je takav blok privukao dovoljno gasa na sebe, nastao je gasni gigant (poput Jupitera), inače kamenita planeta, poput naše Zemlje.
Gušće supstance su se spustile u centar planete, dok su pluća isplivala na površinu. Embrioni planeta uhvatili su oblake gasa, spojili se jedni s drugima. Proces formiranja svake planete bio je jedinstven, što objašnjava raznolikost planeta.
Energija koja je nastala pri vezivanju čestica, i ona koja se oslobađala kao rezultat nuklearnih reakcija, zagrijala je crijeva planete. Zahvaljujući ovoj toploti, planeta je stvorena u rastopljenom stanju.
Od kamenog bloka do naseljive planete
Formiranje Zemlje trajalo je 300-400 miliona godina. Početna faza života Zemlje sadrži mnoge misterije. Bilo je to vrijeme jake vulkanske aktivnosti, tada je nastalo jezgro planete, plašt i zemljina kora. Takođe u to vreme, usled sudara Zemlje sa asteroidom, nastao je i Mesec.
Postepeno se Zemlja hladila, njena površina je stekla čvrstu koru, od koje su stvoreni prvi kontinenti. Zemlja je stalno bila izložena meteoritskom bombardovanju, komete sa ledom su padale na planetu. Zahvaljujući tome, Zemlja je dobila ogromnu količinu vode iz koje su nastali okeani. Snažna vulkanska aktivnost i oslobađanje vodene pare stvorili su prvu atmosferu, u početku je bila lišena kisika. Stvoreni kontinenti kretali su se preko rastopljenog plašta, približavajući se i udaljavajući, ponekad formirajući superkontinent.
Vremenom su usled hemijskih reakcija formirane prve organske molekule. Formirali su sve složenije strukture, što je na kraju dovelo do pojave molekula sposobnih za reprodukciju svojih kopija. Tako je počeo život na Zemlji.
Unatoč činjenici da se Zemlja pojavila prije više od četiri milijarde godina, njeno formiranje se nastavlja i danas: utroba planete i njena kora su u stalnom pokretu, mijenjajući klimu, obrise kontinenata i reljef.
Povezani video zapisi
To je veoma teško pitanje. I teško da je na njega moguće dati iscrpan odgovor. Barem za sada. Sama Zemlja čuva svoju prošlost, a o ovoj prošlosti nema kome da priča – bila je to tako davno.
Naučnici polako "ispituju" Zemlju kroz proučavanje radioaktivnih stijena i dobijaju neke odgovore. Ali na kraju krajeva, poznata prošlost Zemlje nije konačna, već ide u još dalju prošlost – šta je bilo prije njenog učvršćivanja? Naučnici međusobno upoređuju planete u njihovom trenutnom stanju i na osnovu njih pokušavaju da sude o evoluciji Zemlje. Poznavanje svijeta je dug i ne tako lak proces.
Postoji mnogo hipoteza o nastanku Zemlje i drugih planeta, neke od njih ćemo razmotriti zasebno na našoj web stranici.
Moderne hipoteze o nastanku Sunčevog sistema moraju uzeti u obzir ne samo mehaničke karakteristike Sunčevog sistema, već i brojne fizičke podatke o strukturi planeta i Sunca.
U oblasti kosmogonije, stalno se vodi i vodi tvrdoglava ideološka borba, budući da je ovdje oštro pogođen svjetonazor naučnika. Kreacionisti, na primjer, vjeruju da Zemlja nije starija od 10.000 godina, dok evolucionisti mjere starost Zemlje u milijardama godina.
Dakle, još uvijek ne postoji hipoteza koja odgovara na sva pitanja o porijeklu Zemlje i drugih planeta Sunčevog sistema. Ali naučnici se sve više slažu da su Sunce i planete nastali istovremeno (ili gotovo istovremeno) iz jednog materijalnog okruženja, iz jednog oblaka gasa i prašine.
Postoje sljedeće hipoteze o nastanku planeta Sunčevog sistema (uključujući i Zemlju): hipoteza Laplacea, Kanta, Schmidta, Buffona, Hoylea, itd.
Osnovna moderna naučna teorija
Nastanak Sunčevog sistema počeo je gravitacionim sabijanjem oblaka gasa i prašine, u čijem središtu je nastalo najmasivnije telo, Sunce. Materijal protoplanetarnog diska se skupio u male planetezimale, koji su se sudarali jedni s drugima i formirali planete. Dio planetezimala izbačen je iz unutrašnjih područja u Kuiperov pojas i u Oortov oblak.
Kuiperov pojas- područje Sunčevog sistema od orbite Neptuna do udaljenosti od oko 55 a. e. od Sunca. Iako je Kuiperov pojas sličan pojasu asteroida, on je oko 20 puta širi i masivniji od potonjeg. Poput asteroidnog pojasa, sastoji se uglavnom od malih tijela, odnosno materijala koji je ostao od formiranja Sunčevog sistema. Za razliku od objekata u asteroidnom pojasu, koji se prvenstveno sastoje od stijena i metala, objekti Kuiperovog pojasa prvenstveno se sastoje od isparljivih tvari (zvanih led) kao što su metan, amonijak i voda. U ovom regionu bliskog svemira postoje najmanje tri patuljaste planete: Pluton, Haumea i Makemake. Vjeruje se da su na ovom području nastali i neki sateliti planeta Sunčevog sistema (Neptunov satelit - Triton i Saturnov satelit - Fiba).
Oort oblak- hipotetičko sferno područje Sunčevog sistema, koje služi kao izvor dugoperiodičnih kometa. Instrumentalno, postojanje Oortovog oblaka nije potvrđeno, ali mnoge indirektne činjenice ukazuju na njegovo postojanje.
Zemlja je nastala prije oko 4,54 milijarde godina iz solarne magline. Vulkansko otplinjavanje stvorilo je Zemljinu primarnu atmosferu stvorenu vulkanskom aktivnošću, ali gotovo da nije imala kisika, bila bi otrovna i neupotrebljiva za život. Većina Zemlje je otopljena zbog aktivnog vulkanizma i čestih sudara s drugim svemirskim objektima. Vjeruje se da je jedan od ovih velikih udara nagnuo Zemljinu osu i formirao Mjesec. Vremenom su takva kosmička bombardovanja prestala, dozvoljavajući planeti da se ohladi i formira čvrstu koru. Voda koju su planeti dostavile komete i asteroidi kondenzovala se u oblake i okeane. Zemlja je konačno postala gostoljubiva za život, a njeni najraniji oblici obogatili su atmosferu kiseonikom. Najmanje prvih milijardu godina život na Zemlji bio je mali i mikroskopski. Pa, proces evolucije se nastavio.
Kao što smo ranije rekli, ne postoji konsenzus po ovom pitanju. Stoga se i dalje javljaju hipoteze o nastanku Zemlje i drugih planeta Sunčevog sistema, dok postoje stare.
J. Buffonova hipoteza
Nisu se svi naučnici složili sa evolucijskim scenarijem nastanka planeta. Još u 18. vijeku, francuski prirodnjak Georges Buffon iznio je hipotezu koju su podržali i razvili američki fizičari Chamberlain i Multon. Hipoteza je sljedeća: jednom je još jedna zvijezda letjela u blizini Sunca. Njegova privlačnost izazvala je ogroman plimni talas na Suncu, koji se protezao u svemiru stotinama miliona kilometara. Nakon što se odvojio, ovaj talas je počeo da se okreće oko Sunca i raspada u ugruške, od kojih je svaki formirao svoju planetu.
F. Hoyleova hipoteza
Još jednu hipotezu iznio je engleski astrofizičar Fred Hoyle u 20. vijeku: Sunce je imalo zvijezdu blizanku koja je eksplodirala. Većina fragmenata je odneta u svemir, manji deo je ostao u orbiti Sunca i formirao planete.
Teorija stvaranja
Kreacionizam- teološki i ideološki koncept, prema kojem se glavni oblici organskog svijeta (života), čovječanstva, planete Zemlje i svijeta u cjelini smatraju direktno stvorenim od Stvoritelja, odnosno Boga. Termin "kreacionizam" postao je popularan otprilike od kraja 19. stoljeća, što znači koncepte koji prepoznaju istinitost priče o stvaranju iznesene u Starom zavjetu. Treba napomenuti da postoji nekoliko pravaca u samoj teoriji kreacionizma, ali, na primjer, genetičar, evolucionist i bivši dominikanski katolički svećenik dobitnik Templetonove nagrade Francisco Ayala smatra da između kršćanstva i evolucijske teorije ne postoje značajne kontradikcije, a evolucijska teorija, naprotiv, pomaže da se objasni i savršenstvo svijeta koji je stvorio Bog i uzrok zla u svijetu.
Protođakon A. Kuraev u knjizi “Pravoslavlje i evolucija” piše: “Naivni su oni koji nejasno misle da Bog postaje nepotreban ako produžimo proces stvaranja. Jednako su naivni i oni koji vjeruju da stvaranje svijeta u periodu dužem od šest dana umanjuje veličinu Stvoritelja. Važno nam je samo da zapamtimo da ništa nije smetalo, nije ograničavalo kreativno djelovanje. Sve se dogodilo po volji Stvoritelja. A da li je ta volja bila da se svet stvori trenutno, ili za šest dana, ili za šest hiljada godina, ili za bezbroj vekova, ne znamo.
Zemlja je predmet proučavanja značajnog broja geonauka. Proučavanje Zemlje kao nebeskog tijela spada u oblast, građu i sastav Zemlje proučava geologija, stanje atmosfere - meteorologija, ukupnost manifestacija života na planeti - biologija. Geografija daje opis karakteristika reljefa površine planete - okeana, mora, jezera i godina, kontinenata i ostrva, planina i dolina, kao i naselja i društava. obrazovanje: gradovi i sela, države, ekonomske regije itd.
Planetarne karakteristike
Zemlja se okreće oko zvijezde Sunca po eliptičnoj orbiti (veoma bliskoj kružnoj) prosječnom brzinom od 29.765 m/s na prosječnoj udaljenosti od 149.600.000 km po periodu, što je približno jednako 365,24 dana. Zemlja ima satelit - koji se okreće oko Sunca na prosječnoj udaljenosti od 384.400 km. Nagib Zemljine ose u odnosu na ravan ekliptike je 66 0 33 "22"". Period okretanja planete oko svoje ose je 23 sata 56 minuta 4,1 s. Rotacija oko svoje ose izaziva promenu dana i noći , te nagib ose i kruženje oko Sunca - promjena doba godine.
Oblik Zemlje je geoid. Prosječni polumjer Zemlje je 6371,032 km, ekvatorijalni - 6378,16 km, polarni - 6356,777 km. Površina globusa je 510 miliona km², zapremina je 1.083 10 12 km², prosečna gustina je 5518 kg / m³. Masa Zemlje je 5976,10 21 kg. Zemlja ima magnetsko polje i blisko povezano električno polje. Gravitaciono polje Zemlje određuje njen oblik blizak sfernom i postojanje atmosfere.
Prema modernim kosmogonijskim konceptima, Zemlja je nastala prije otprilike 4,7 milijardi godina od plinovite tvari rasute u protosolarnom sistemu. Kao rezultat diferencijacije Zemljine materije, pod uticajem njenog gravitacionog polja, u uslovima zagrevanja zemljine unutrašnjosti, nastale su i razvijale se različite školjke - geosfera - po hemijskom sastavu, stanju agregacije i fizičkim svojstvima: jezgro (u centru), plašt, zemljina kora, hidrosfera, atmosfera, magnetosfera. U sastavu Zemlje dominiraju gvožđe (34,6%), kiseonik (29,5%), silicijum (15,2%), magnezijum (12,7%). Zemljina kora, plašt i unutrašnji dio jezgra su čvrsti (spoljašnji dio jezgra se smatra tekućim). Od površine Zemlje do centra raste pritisak, gustina i temperatura. Pritisak u centru planete je 3,6 10 11 Pa, gustina je približno 12,5 10 ³ kg / m ³, temperatura je u rasponu od 5000 do 6000 ° C. Glavni tipovi zemljine kore su kontinentalni i okeanski; u prijelaznoj zoni od kopna do okeana razvija se srednja kora.
oblik zemlje
Figura Zemlje je idealizacija kojom pokušavaju da opišu oblik planete. U zavisnosti od svrhe opisa, koriste se različiti modeli oblika Zemlje.
Prvi pristup
Najgrublji oblik opisivanja lika Zemlje u prvoj aproksimaciji je sfera. Za većinu problema opšte geografije, čini se da je ova aproksimacija dovoljna da se koristi u opisu ili proučavanju određenih geografskih procesa. U takvom slučaju, spljoštenost planete na polovima se odbacuje kao beznačajna primjedba. Zemlja ima jednu os rotacije i ekvatorijalnu ravan - ravan simetrije i ravan simetrije meridijana, što je razlikuje od beskonačnosti skupova simetrije idealne sfere. Horizontalnu strukturu geografske ljuske karakterizira određena zonalnost i određena simetrija u odnosu na ekvator.
Druga aproksimacija
U bližoj aproksimaciji, lik Zemlje je izjednačen sa elipsoidom okretanja. Ovaj model, koji karakteriše izražena osa, ekvatorijalna ravan simetrije i meridionalne ravni, koristi se u geodeziji za izračunavanje koordinata, izgradnju kartografskih mreža, proračune itd. Razlika između poluosi takvog elipsoida je 21 km, velika osa je 6378,160 km, mala os je 6356,777 km, ekscentricitet je 1/298,25. Položaj površine može se lako izračunati teoretski, ali se ne može odrediti eksperimentalno u prirodi.
treća aproksimacija
Budući da je ekvatorijalni presjek Zemlje također elipsa sa razlikom u dužinama poluosi od 200 m i ekscentricitetom od 1/30000, treći model je troosni elipsoid. U geografskim studijama ovaj model se gotovo nikada ne koristi, on samo ukazuje na složenu unutrašnju strukturu planete.
četvrta aproksimacija
Geoid je ekvipotencijalna površina koja se poklapa sa srednjim nivoom Svjetskog okeana; to je lokus tačaka u prostoru koje imaju isti gravitacijski potencijal. Takva površina ima nepravilan složeni oblik, tj. nije avion. Ravna površina u svakoj tački je okomita na liniju viska. Praktični značaj i važnost ovog modela leži u činjenici da se samo uz pomoć viska, nivelete, nivelete i drugih geodetskih instrumenata može pratiti položaj ravnih površina, tj. u našem slučaju geoid.
Okean i kopno
Opšta karakteristika strukture zemljine površine je raspored kontinenata i okeana. Veći dio Zemlje zauzima Svjetski okean (361,1 milion km² 70,8%), kopno je 149,1 milion km² (29,2%) i čini šest kontinenata (Eurazija, Afrika, Sjeverna Amerika, Južna Amerika i Australija) i ostrva. Izdiže se iznad nivoa svetskog okeana u proseku za 875 m (najviša visina je 8848 m - Mount Chomolungma), planine zauzimaju više od 1/3 površine kopna. Pustinje pokrivaju oko 20% kopnene površine, šume - oko 30%, glečeri - preko 10%. Visinska amplituda na planeti dostiže 20 km. Prosječna dubina svjetskog okeana je približno jednaka 3800 m (najveća dubina je 11020 m - Marijanski rov (korito) u Tihom okeanu). Količina vode na planeti je 1370 miliona km³, prosječni salinitet je 35 ‰ (g / l).
Geološka struktura
Geološka struktura Zemlje
Unutrašnje jezgro, pretpostavlja se, ima prečnik od 2600 km i sastoji se od čistog gvožđa ili nikla, spoljašnje jezgro je 2250 km od rastopljenog gvožđa ili nikla, plašt je debeo oko 2900 km i sastoji se uglavnom od čvrstih stena, odvojenih od zemljine kore uz Mohorovičevu površinu. Kora i gornji sloj plašta formiraju 12 glavnih pokretnih blokova, od kojih neki nose kontinente. Platoi se stalno polako kreću, ovo kretanje se naziva tektonskim pomakom.
Unutrašnja struktura i sastav "čvrste" Zemlje. 3. sastoji se od tri glavne geosfere: zemljine kore, plašta i jezgra, koje je, pak, podijeljeno na više slojeva. Supstanca ovih geosfera je različita po fizičkim svojstvima, stanju i mineraloškom sastavu. U zavisnosti od veličine brzina seizmičkih talasa i prirode njihove promene sa dubinom, „čvrsta“ Zemlja je podeljena na osam seizmičkih slojeva: A, B, C, D", D, E, F i G. Osim toga, posebno jak sloj je izolovan u Zemljinoj litosferi, a sledeći, omekšali sloj - astenosfera Shar A, ili zemljina kora, ima promenljivu debljinu (u kontinentalnom regionu - 33 km, u okeanskom - 6 km, u prosjeku - 18 km).
Pod planinama se kora zgušnjava, a u rascjepnim dolinama srednjeokeanskih grebena gotovo nestaje. Na donjoj granici zemljine kore, površini Mohorovichicha, naglo se povećavaju brzine seizmičkih valova, što je uglavnom povezano s promjenom sastava materijala s dubinom, prijelazom od granita i bazalta u ultrabazične stijene gornjeg plašta. Slojevi B, C, D ", D" su uključeni u plašt. Slojevi E, F i G čine jezgro Zemlje poluprečnika 3486 km Na granici sa jezgrom (Gutenbergova površina) brzina longitudinalnih talasa naglo opada za 30%, a poprečni talasi nestaju, što znači da spoljni jezgro (sloj E, prostire se do dubine od 4980 km) tečnost Ispod prelaznog sloja F (4980-5120 km) nalazi se čvrsto unutrašnje jezgro (sloj G), u kome se ponovo šire poprečni talasi.
U čvrstoj zemljinoj kori preovlađuju sledeći hemijski elementi: kiseonik (47,0%), silicijum (29,0%), aluminijum (8,05%), gvožđe (4,65%), kalcijum (2,96%), natrijum (2,5%), magnezijum (1,87%) %), kalijum (2,5%), titan (0,45%), što ukupno iznosi 98,98%. Najrjeđi elementi: Rho (približno 2,10 -14%), Ra (2,10 -10%), Re (7,10 -8%), Au (4,3 10 -7%), Bi (9 10 -7%) itd.
Kao rezultat magmatskih, metamorfnih, tektonskih procesa i procesa sedimentacije, zemljina kora je oštro diferencirana, u njoj se javljaju složeni procesi koncentracije i disperzije kemijskih elemenata, što dovodi do stvaranja različitih vrsta stijena.
Smatra se da je gornji plašt po sastavu blizak ultrabazičnim stijenama, u kojima prevladavaju O (42,5%), Mg (25,9%), Si (19,0%) i Fe (9,85%). Što se tiče minerala, ovdje vlada olivin, manje pirokseni. Donji plašt se smatra analogom kamenih meteorita (hondrita). Zemljino jezgro je slično po sastavu željeznim meteoritima i sadrži približno 80% Fe, 9% Ni, 0,6% Co. Na osnovu modela meteorita izračunat je prosječni sastav Zemlje u kojem dominiraju Fe (35%), A (30%), Si (15%) i Mg (13%).
Temperatura je jedna od najvažnijih karakteristika zemljine unutrašnjosti, koja omogućava objašnjenje stanja materije u različitim slojevima i izgradnju opšte slike globalnih procesa. Prema mjerenjima u bušotinama, temperatura u prvim kilometrima raste sa dubinom sa gradijentom od 20°C/km. Na dubini od 100 km, gdje se nalaze primarni fokusi vulkana, prosječna temperatura je nešto niža od temperature topljenja stijena i jednaka je 1100 °C. Istovremeno, ispod okeana na dubini od 100- 200 km, temperatura je viša nego na kontinentima za 100-200°C. Skok gustine materije u sloju C po glibinu na 420 km odgovara pritisku od 1,4 10 10 Pa i identifikuje se sa faznim prelazom u olivin , koji se javlja na temperaturi od približno 1600 °C. Na granici sa jezgrom pri pritisku od 1,4 10 11 Pa i temperaturi oko 4000 °C, silikati su u čvrstom stanju, dok je gvožđe u tečnom stanju. U prelaznom sloju F, gde se gvožđe stvrdnjava, temperatura može biti 5000°C, u centru zemlje - 5000-6000°C, odnosno, adekvatna temperaturi Sunca.
Zemljina atmosfera
Atmosferu Zemlje, čija je ukupna masa 5,15 10 15 tona, sastoji se od vazduha - mešavine uglavnom azota (78,08%) i kiseonika (20,95%), 0,93% argona, 0,03% ugljen-dioksida, ostatak je voda para, kao i inertnih i drugih gasova. Maksimalna temperatura površine kopna je 57-58 ° C (u tropskim pustinjama Afrike i Sjeverne Amerike), minimalna je oko -90 ° C (u centralnim regijama Antarktika).
Zemljina atmosfera štiti sav život od štetnog djelovanja kosmičkog zračenja.
Hemijski sastav Zemljine atmosfere: 78,1% - azot, 20 - kiseonik, 0,9 - argon, ostatak - ugljen dioksid, vodena para, vodonik, helijum, neon.
Zemljina atmosfera uključuje :
- troposfera (do 15 km)
- stratosfera (15-100 km)
- jonosfera (100 - 500 km).
Vrijeme i klima
Donji sloj atmosfere naziva se troposfera. Postoje pojave koje određuju vremenske prilike. Zbog neravnomjernog zagrijavanja Zemljine površine sunčevim zračenjem, u troposferi se neprestano odvija kruženje velikih masa zraka. Glavna strujanja vazduha u Zemljinoj atmosferi su pasati u pojasu do 30° duž ekvatora i umereni zapadni vetrovi u pojasu od 30° do 60°. Drugi faktor prenosa toplote je sistem okeanskih struja.
Voda ima stalnu cirkulaciju na površini zemlje. Isparavajući sa površine vode i kopna, pod povoljnim uslovima, vodena para se diže u atmosferu, što dovodi do stvaranja oblaka. Voda se vraća na površinu zemlje u obliku padavina i kroz godišnji sistem teče u mora i okeane.
Količina sunčeve energije koju prima Zemljina površina opada sa povećanjem geografske širine. Što je dalje od ekvatora, manji je ugao upada sunčevih zraka na površinu i veća je udaljenost koju zrak mora preći u atmosferi. Kao posljedica toga, srednja godišnja temperatura na nivou mora opada za oko 0,4 °C po stepenu geografske širine. Površina Zemlje je podijeljena na geografske pojaseve sa približno istom klimom: tropsku, suptropsku, umjerenu i polarnu. Klasifikacija klime zavisi od temperature i padavina. Najveće priznanje dobila je Köppenova klasifikacija klime prema kojoj se izdvaja pet širokih grupa - vlažni tropi, pustinja, vlažne srednje geografske širine, kontinentalna klima, hladna polarna klima. Svaka od ovih grupa je podijeljena na određene pidrupe.
Ljudski uticaj na Zemljinu atmosferu
Na Zemljinu atmosferu značajno utiču ljudske aktivnosti. Oko 300 miliona automobila godišnje emituje u atmosferu 400 miliona tona ugljen-oksida, više od 100 miliona tona ugljenih hidrata, stotine hiljada tona olova. Moćni proizvođači emisija u atmosferu: termoelektrane, metalurška, hemijska, petrohemijska, celulozna i druge industrije, motorna vozila.
Sistematsko udisanje zagađenog vazduha značajno pogoršava zdravlje ljudi. Gasne i prašne nečistoće mogu dati zraku neprijatan miris, iritirati sluzokožu očiju, gornjih dišnih puteva i time smanjiti njihove zaštitne funkcije, uzrokovati hronični bronhitis i plućne bolesti. Brojna istraživanja su pokazala da su na pozadini patoloških abnormalnosti u organizmu (bolesti pluća, srca, jetre, bubrega i drugih organa) štetni efekti atmosferskog zagađenja izraženiji. Kisele kiše su postale važan ekološki problem. Svake godine, kada se gorivo sagori, u atmosferu dospije do 15 miliona tona sumpor-dioksida, koji u kombinaciji s vodom stvara slabu otopinu sumporne kiseline, koja zajedno s kišom pada na tlo. Kisele kiše negativno utiču na ljude, useve, zgrade itd.
Zagađenje vanjskog zraka također može indirektno utjecati na zdravlje ljudi i sanitarne uslove.
Akumulacija ugljičnog dioksida u atmosferi može uzrokovati zagrijavanje klime kao rezultat efekta staklene bašte. Njegova suština leži u činjenici da će sloj ugljičnog dioksida, koji slobodno propušta sunčevo zračenje na Zemlju, odgoditi povratak toplinskog zračenja u gornju atmosferu. S tim u vezi, temperatura u nižim slojevima atmosfere će rasti, što će zauzvrat dovesti do topljenja glečera, snijega, porasta nivoa okeana i mora, te poplave značajnog dijela zemljišta.
Priča
Zemlja je nastala prije otprilike 4540 miliona godina sa protoplanetarnim oblakom u obliku diska zajedno sa ostalim planetama Sunčevog sistema. Formiranje Zemlje kao rezultat akrecije trajalo je 10-20 miliona godina. U početku je Zemlja bila potpuno otopljena, ali se postepeno ohladila, a na njenoj površini se formirala tanka tvrda ljuska - zemljina kora.
Ubrzo nakon formiranja Zemlje, prije otprilike 4530 miliona godina, formiran je Mjesec. Moderna teorija o formiranju jednog prirodnog satelita Zemlje tvrdi da se to dogodilo kao rezultat sudara s masivnim nebeskim tijelom, koje se zvalo Theia.
Primarna atmosfera Zemlje nastala je kao rezultat otplinjavanja stijena i vulkanske aktivnosti. Kondenzirana voda iz atmosfere, formirajući Svjetski okean. Uprkos činjenici da je Sunce tada bilo 70% slabije nego sada, geološki dokazi pokazuju da se okean nije smrznuo, vjerovatno zbog efekta staklene bašte. Prije otprilike 3,5 milijardi godina formiralo se Zemljino magnetsko polje koje je štitilo njenu atmosferu od sunčevog vjetra.
Formiranje Zemlje i početna faza njenog razvoja (duga oko 1,2 milijarde godina) pripadaju predgeološkoj istoriji. Apsolutna starost najstarijih stena je preko 3,5 milijarde godina i od tog trenutka se računa geološka istorija Zemlje, koja se deli na dve nejednake etape: pretkambrij, koji zauzima otprilike 5/6 celokupne geološke hronologije. (oko 3 milijarde godina), i fanerozoik, koji pokriva poslednjih 570 miliona godina. Prije oko 3-3,5 milijardi godina, kao rezultat prirodne evolucije materije na Zemlji, nastao je život, započeo je razvoj biosfere - ukupnosti svih živih organizama (tzv. živa materija Zemlje), koja značajno uticali na razvoj atmosfere, hidrosfere i geosfere (barem u dijelovima sedimentne ljuske). Kao rezultat kisikove katastrofe, djelovanje živih organizama promijenilo je sastav Zemljine atmosfere, obogaćujući je kisikom, što je stvorilo priliku za razvoj aerobnih živih bića.
Novi faktor koji ima snažan uticaj na biosferu, pa čak i geosferu je aktivnost čovečanstva, koja se pojavila na Zemlji nakon pojave kao rezultat ljudske evolucije pre manje od 3 miliona godina (jedinstvo u pogledu datiranja nije postignuto i neki istraživači vjeruju - prije 7 miliona godina). Shodno tome, u procesu razvoja biosfere, formacija i daljeg razvoja noosfere, izdvaja se ljuska Zemlje, na koju uvelike utiču ljudske aktivnosti.
Visoka stopa rasta stanovništva Zemlje (broj stanovnika Zemlje bio je 275 miliona 1000. godine, 1,6 milijardi 1900. godine i oko 6,7 milijardi 2009. godine) i sve veći uticaj ljudskog društva na prirodnu sredinu postavili su probleme racionalnog korištenje svih prirodnih resursa i zaštita prirode.
Uzbuđivao umove naučnika mnogo milenijuma. Postojale su i postoje mnoge verzije - od čisto teoloških do modernih, formiranih na osnovu podataka istraživanja dubokog svemira.
Ali kako se prilikom formiranja naše planete niko nije zatekao, ostaje da se oslonimo samo na indirektne "dokaze". Takođe, najmoćniji teleskopi su od velike pomoći u uklanjanju vela sa ove misterije.
Solarni sistem
Istorija Zemlje je neraskidivo povezana sa izgledom i oko koga se okreće. I zato morate početi izdaleka. Prema naučnicima, nakon Velikog praska, trebalo je jednu ili dvije milijarde godina da galaksije postanu otprilike ono što jesu. Sunčev sistem je, s druge strane, nastao, pretpostavlja se, osam milijardi godina kasnije.
Većina naučnika se slaže da je on, kao i svi slični svemirski objekti, nastao iz oblaka prašine i gasa, jer je materija u svemiru raspoređena neravnomjerno: negdje ju je bilo više, a na drugom mjestu - manje. U prvom slučaju to dovodi do stvaranja maglina od prašine i plina. U nekoj fazi, možda zbog vanjskog utjecaja, takav oblak se skupio i počeo rotirati. Razlog za ovo što se dogodilo, vjerovatno leži u eksploziji supernove negdje u blizini naše buduće kolevke. Međutim, ako se svi formiraju na približno isti način, onda ova hipoteza izgleda sumnjivo. Najvjerovatnije, kada je dostigao određenu masu, oblak je počeo privlačiti više čestica na sebe i skupljati se, te je dobio rotacijski moment zbog neravnomjerne distribucije materije u prostoru. Vremenom je ovaj vrtložni ugrušak postajao sve gušći u sredini. Tako je pod uticajem ogromnog pritiska i rastuće temperature nastalo naše Sunce.
Hipoteze različitih godina
Kao što je gore spomenuto, ljudi su se oduvijek pitali kako je nastala planeta Zemlja. Prvo naučno opravdanje pojavilo se tek u sedamnaestom veku nove ere. U to vrijeme napravljena su mnoga otkrića, uključujući fizičke zakone. Prema jednoj od ovih hipoteza, Zemlja je nastala kao rezultat sudara komete sa Suncem kao preostale supstance od eksplozije. Prema drugom, naš sistem je nastao iz hladnog oblaka kosmičke prašine.
Čestice potonjeg sudarale su se jedna s drugom i povezivale sve dok nisu nastali Sunce i planete. Ali francuski naučnici sugerišu da je navedeni oblak usijan. Kako se hladio, rotirao se i skupljao, formirajući prstenove. Od potonjeg su formirane planete. I sunce se pojavilo u centru. Englez James Jeans je sugerirao da je još jedna zvijezda jednom proletjela pored naše zvijezde. Ona je svojom privlačnošću izvukla supstancu sa Sunca, od koje su se kasnije formirale planete.
Kako je nastala Zemlja
Prema savremenim naučnicima, Sunčev sistem je nastao od hladnih čestica prašine i gasa. Supstanca je sabijena i raspadnuta na nekoliko dijelova. Od najvećeg komada nastalo je Sunce. Ovaj komad se rotirao i zagrijavao. Postalo je kao disk. Od gustih čestica na periferiji ovog oblaka gasa i prašine formirane su planete, uključujući i našu Zemlju. U međuvremenu, u centru zvezde u nastajanju, pod uticajem visokih temperatura i ogromnog pritiska,
Postoji hipoteza koja se pojavila tokom potrage za egzoplanetama (slično Zemlji) da što zvijezda ima više teških elemenata, manja je vjerovatnoća da će u njenoj blizini nastati život. To je zbog činjenice da njihov veliki sadržaj dovodi do pojave plinovitih divova oko zvijezde - objekata poput Jupitera. A takvi divovi se neizbježno kreću prema zvijezdi i guraju male planete iz svojih orbita.
Datum rođenja
Zemlja je nastala prije otprilike četiri i po milijarde godina. Komadi koji su rotirali oko usijanog diska postajali su sve teži i teži. Pretpostavlja se da su u početku njihove čestice bile privučene električnim silama. I u nekoj fazi, kada je masa ove "kome" dostigla određeni nivo, počela je da privlači sve u tom području uz pomoć gravitacije.
Kao iu slučaju Sunca, ugrušak je počeo da se skuplja i zagrijava. Supstanca je potpuno otopljena. Vremenom se formirao teži centar koji se sastoji uglavnom od metala. Kada je Zemlja nastala, počela je polako da se hladi, a kora se formirala od lakših materija.
sukob
I tada se pojavio Mjesec, ali ne onako kako je Zemlja nastala, opet, prema pretpostavci naučnika i prema mineralima pronađenim na našem satelitu. Zemlja se, nakon što se već ohladila, sudarila sa malo manjom drugom planetom. Kao rezultat toga, oba objekta su se potpuno istopila i pretvorila u jedan. I supstanca izbačena eksplozijom počela je da se okreće oko Zemlje. Iz toga je rođen mjesec. Tvrdi se da se minerali pronađeni na satelitu razlikuju od onih na zemlji po svojoj strukturi: kao da je supstanca otopljena i ponovo učvršćena. Ali ista stvar se dogodila i našoj planeti. I zašto ovaj strašni sudar nije doveo do potpunog uništenja dva objekta uz stvaranje malih fragmenata? Postoje mnoge misterije.
put u život
Tada je Zemlja ponovo počela da se hladi. Opet se formiralo metalno jezgro, a zatim tanak površinski sloj. A između njih - relativno pokretna tvar - plašt. Zahvaljujući snažnoj vulkanskoj aktivnosti nastala je atmosfera planete.
U početku je, naravno, bio apsolutno neprikladan za ljudsko disanje. A život bi bio nemoguć bez pojave tekuće vode. Pretpostavlja se da su potonje na našu planetu donijele milijarde meteorita sa periferije Sunčevog sistema. Očigledno je, neko vrijeme nakon formiranja Zemlje, došlo do snažnog bombardiranja, čiji bi uzrok mogao biti gravitacijski utjecaj Jupitera. Voda je bila zarobljena unutar minerala, a vulkani su je pretvorili u paru, a ona je ispala i formirala okeane. Zatim je došao kiseonik. Prema mnogim naučnicima, to se dogodilo zbog vitalne aktivnosti drevnih organizama koji su se mogli pojaviti u tim teškim uslovima. Ali to je sasvim druga priča. A čovječanstvo je svake godine sve bliže i bliže odgovoru na pitanje kako je nastala planeta Zemlja.