Глава 1. 1. Шварц, О. Переработка пластмасс / О

Удаляющаяся звезда

• Наблюдатель

Приближающаяся звезда

• Наблюдатель

Неподвижная звезда,

• Наблюдатель

Рис. 1.1. Эффект Допплера. При удалении объекта от наблюдателя спектральные линии смещаются в сторону красного цвета («красные смещения»)

Все галактики и звезды удаляются от нас, и самые далекие из них уда­ляются с большей скоростью. Это закон астронома Э. Хаббла, открытый им в 1929 г.: V = HR, где V — скорость удаления, R — расстояние до космического объекта, а Н — коффициент пропорциональности, или по­стоянная Хаббла, Н = 15 км/с / 10⁶ световых лет (1 световой год = = 9,6 • 10¹² км или 6,3 • Ю⁴ АЕ)^[2]. Например, скопление галактик в созвездии Девы (расстояние 78 млн св.лет) удаляется от нас со скоростью 1200 км/с, а галактики в созвездии Гидры (расстояние 3 млрд 960 млн св. лет) — со скоростью 61 тыс. км/с. Следует подчеркнуть, что все галактики разбега­ются от всех, а не от нас как центра наблюдения, а Галактика Млечного Пути, в которой находится Солнечная система, — это самая рядовая галак­тика среди многих миллионов других.

«Реликтовое излучение». В 1964 г. американские астрономы А. Пензи- ас и Р. Вилсон с помощью рупорной антенны фирмы «Белл телефон» в штате Ныо Джерси обнаружили фоновое электромагнитное излучение на длине волны 7,35 см, одинаковое по всем направлениям и не зависящее от време­ни суток. Это излучение эквивалентно излучению, как говорят физики, абсолютно черного тела сТ«2,75 К². За это выдающееся открытие

XX в. авторы в 1978 г. были удостоены Нобелевской премии. Еще до обна­ружения фонового микроволнового излучения оно было предсказано фи­зиками-теоретиками, в частности Г. Гамовым.

Излучение с такой низкой температурой представляет собой реликт равновесного элекгромагнитного излучения с очень высокой (около 100 млрд К) первоначальной температурой, существовавшего на самых ранних стадиях образования Вселенной, сразу же после начала Большого Взрыва. С тех пор эффективная температура от многих миллиардов градусов кельвина упала до трех, а реликтовое излучение равномерно заполняет всю Вселен­ную.

Химический состав Вселенной представляет собой по массе 3/4 водорода и 1/4 гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1 %. В такой пропорции — 3:1 — Н и Не образовались в самые первые минуты Большого Взрыва, а кроме того, и легкие элементы: литий, дейте­рий, тритий, но в ничтожном количестве. Тяжелые элементы образовались во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций «заж­глись» звезды, а при взрывах сверхновых звезд они оказались выброшены С в космическое пространство.

V) Что может ожидать Вселенную в будущем? Ответ на этот вопрос, Y- заключается в установлении средней плотности Вселенной и величи­ну ны уже упоминавшейся выше постоянной Хаббла. Современное зна- \t чение плотности равно 10"²⁹ г/см³, что составляет Ю ⁵ атомных еди- ^ ниц массы в 1 см³. Чтобы представить такую плотность, надо 1 г вещества распределить по кубу со стороной 40 тыс. км! Если средняя плотность будет равна или несколько ниже критической плотности, то Вселенная будет только расширяться, а если средняя плотность будет выше критической, то расширение Вселенной со временем пре­кратится, и она начнет сжиматься, возвращаясь к сингулярному со­стоянию. Сейчас существует гипотеза очень быстрого, инфляционно­го, расширения Вселенной.

Спустя примерно 1 млрд лет после начала Большого Взрыва в ре­зультате сжатия огромных газовых облаков или их протяженных газо­вых фрагментов стали формироваться звезды и галактики — скопления миллионов звезд. Образование звезд теоретически рассчитано вполне достоверно. Любая звезда формируется в результате коллапса и гра­витационного сжатия космического облака газа и пыли. Когда сжатие в цен­тре структуры приводит к очень высоким температурам — 10-15 млн К, в центре «сгустка» начинаются ядерные реакции, т. е. превращение Н в Не с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звезда и светится.

Обнаруженные в наши дни слабые вариации реликтового излуче­ния в форме температурных колебаний в пространстве, равные 0,001 % от средней величины, свидетельствуют о неравномерной плотности

1СПГГИ (ТУ)

ГЛАВНАЯ

вещества во Вселенной. Вероятно, это первичное различие в плотности и послужило как бы затравкой для возникновения в будущем скопле­ний галактик. Там, где плотность была выше средней, силы гравитации были больше, а следовательно, уплотнение происходило сильнее и бы­стрее относительно соседних участков, от которых вещество перемеща­лось в сторону более плотных сгущений. Так начиналось формирова­ние звезд и галактик спустя 1 млрд лет после Большого Взрыва. Только 200 лет назад В. Гершель открыл межзвездные облака, а до этого все пространство между звездами считалось эталоном пустоты. В 1975 г. обнаружены гигантские молекулярные облака (ГМО), масса которых в миллионы раз больше солнечной массы.

В 2003 г. были получены данные, говорящие о том, что Вселенная только на 4 % состоит из обычных атомов, из которых образованы звез­ды и планеты. Остальные 96 % представлены «темной энергией» (73 %) и скрытой, или «темной», массой (23 %), состоящей из неизвестных пока частиц, понять сущность которых важнейшая задача науки.

Галактика Млечного Пути (ГМП) — одна из 100 000 миллионов галактик в наблюдаемой части Вселенной, которая иногда называется метагалактикой, — обладает формой уплощенного диска, с диаметром около 100 тыс. св. лет и толщиной 20 тыс. св. лет. В разрезе в центре наблюдается утолщение (балдж), которое состоит из старых звезд с воз­растом 8-10 млрд лет, и ядро, скрытое облаками плотного газа (рис. 1.2, 1.3). Не исключено, что в центре ГМП существует «черная дыра», как в ядрах других спиральных галактик. ГМП окружена темным обла­ком ненаблюдаемого вещества, масса которого в 10 раз или более пре­вышает массу всех звезд и газа в ГМП. Молодые звезды с возрастом от 100 тыс. до 100 млн лет в осевой части диска окружены огромной сфе­рической областью — гало, в которой находятся старые звезды. В ГМП есть скопления нейтрального, молекулярного и ионизированного водо­рода.

Недавно астрономы открыли, что ГМП погружена в гигантское об­лако раскаленного до 1 млн градусов Цельсия газа с невероятно малой плотностью до 10 ¹⁸ плотности земной атмосферы. Это облако прости­рается вплоть до соседних с нами галактик. А ближайшая к нам галак­тика Андромеды находится на расстоянии 1,5 млн световых лет.

Где же наше место в ГМП? Солнце, представляющее собой неболь­шую звезду с радиусом около 700 тыс. км, среднего возраста типа жел­того карлика, располагается в 3/5 от центра галактики в пределах глав­ного диска. То, что оно принадлежит ГМП, было установлено всего лишь 65 лет назад шведом Б. Линдбладом и голландцем Я. Оортом.

С Земли как одной из девяти планет, вращающихся вокруг Солнца, мы видим звезды Млечного Пути в виде арки, пересекающей небосвод,

Старые Молодые звезды звезды

Пылевые облака, поглощающие свет

Рис. 1.2. Строение Галактики Млечного Пути. Центральная часть Галактики характеризуется утолщением

Рис. 1.3. Одна из спиралевидных галактик Вселенной

т. к. мы смотрим на край ГМП из ее срединной области. В 1610 г. Гали­лей насчитал в Млечном Пути всего 6 тыс. звезд, а сейчас их насчитыва­ется более 100 млрд. Ближайшая к нам звезда, не считая Солнца, — Альфа Центавра — четыре световых года. Все звезды ГМП медленно вращаются вокруг галактического центра и Земля уже облетела центр Галактики 25-30 раз. Солнце с планетами совершает один оборот вокруг центра ГМП за 250 млн лет со скоростью 240 км/с. Галакти­ческий год играет важную роль в периодизации геологической исто­рии Земли.

Чтобы попытаться более наглядно представить шкалу времени, в рамках которой мы оперируем космическими терминами, воспользу­емся шкалой Мейерса (1986).

15 млрд лет = 24 часа = 1 сутки.

Это время, прошедшее после начала Большого Взрыва (по совре­менным представлениям — 14-15 млрд лет).

1. Спустя 4 с в полночь образовались устойчивые атомы.

2. Через 4-5 часов возникли галактики и звезды.

3. Через 18 часов образовалась Солнечная система.

4. Через 20 часов появились первые формы жизни.

5. Через 22 часа 30 минут первые позвоночные вышли на сушу.

6. В период 22 часа 30 минут — 23 часа 56 минут существовали динозавры.

7. За 10 с до полуночи появились первые человекообразные.

8. За 0,001 с до полуночи произошла «промышленная революция».

1.2. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

В центре нашей планетной системы находится звезда — Солнце, в ко­тором сосредоточено 99,866 % всей массы системы. На все девять пла­нет и десятки их спутников приходится только 0,134 % вещества систе­мы. В то же время 98 % момента количества движения, т. е. произведения массы на скорость и радиус вращения, сосредоточено в планетах. В на­стоящее время известно более 60 спутников планет, около 100 тыс. ас­тероидов, или малых планет, и около 10^й комет, а также огромное ко­личество мелких обломков — метеоритов.

1.2.1. Солнце и его параметры

Солнце — это звезда спектрального класса G2V, довольно распрост­раненного в ГМП. Солнце имеет диаметр -1,4 млн км (1 391 980 км), массу, равную 1,98 • 10³³ км, и плотность 1,4 г/см³ (хотя в центре она может достигать 160 г/см³).

В структуре Солнца различают внутреннюю часть, или гелиевое ядро, с Т -15 млн °С и давлением 300 млрд земных атмосфер, далее распола­
гаются зоны радиации (Т -10 млн °С) и конвекции (Т -2 млн °С). Види­мая поверхность Солнца — фотосфера, мощностью до 1 тыс. км и с Т = 6000 °С. Солнечная поверхность имеет структуру ячеек (гранул), каж­дая из которых достигает 30 тыс. км в поперечнике. Гранулярная струк­тура фотосферы обусловлена всплыванием более высокотемпературных потоков газа (темные пятна) и погружением относительно более холод­ных (светлые пятна) (рис. 1.4). Говоря о хромосфере и фотосфере, нельзя не сказать о явлениях солнечной активности, оказывающих влияние на нащу планету. Локальные, очень сильные магнитные поля, возникаю­щие во внешних оболочках Солнца, препятствуют ионизованной плаз­ме — хорошему проводнику перемещаться поперек линий магнитной индукции. На подобных участках и возникает темное пятно, т. к. про­цесс перемешивания плазмы замедляется. Внешнюю часть солнечного диска составляет хромосфера — область быстрого повышения темпера­туры — мощностью 10-15 тыс. км. Солнечные протуберанцы — это гран­диозные выбросы фотосферного вещества, поддерживаемые сильными магнитными полями активных областей Солнца. Вспышки, факелы, пет­ли, протуберанцы демонстрируют непрерывную активность Солнца (рис. 1 на цветной вклейке). Особенно эффектны так называемые корональ- ные петли, состоящие из плазмы, «выстреливаемой» с поверхности Сол­нца в корону и снова падающей на его поверхность.

■<.'она конвекции

Зона лучистого рабнобесия 1*20000 К

Гелиевое ядро Т» 15 млн К

Солнечная корона Факелы,

Рис. 1.4. Внутренняя структура Солнца

протуберанцы Хромосфера

г а

а

Выше фотосферы и хромосферы располагается солнечная корона мощностью 12-13 млн км и с Т -1,5 млн °С, хорошо наблюдаемая во время полных солнечных затмений. Вещество, располагающееся внут­ри Солнца, под давлением внешних слоев сжимается, и чем глубже, тем сильнее. В этом же направлении увеличивается температура, и, когда она достигает 15 млн °С, происходит термоядерная реакция. В ядре сосредоточено более 50 % массы Солнца, хотя радиус ядра составляет всего 25 % радиуса Солнца. Энергия из ядра переносится к внешним сферам Солнца за счет лучистого и конвективного пере­носа.

В составе Солнца господствует Н, составляющий 73 % по массе, и Не — 25 %. На остальные 2 % приходятся более тяжелые элементы, такие как Fe, О, С, Ne, N, Si, Mg и S и др., всего 67 химических элемен­тов. Источник энергии Солнца — ядерный синтез, слияние четырех ядер Н-протонов в одно ядро Не с выделением огромного количества энер­гии. Один грамм водорода, принимающий участие в термоядерной реак­ции, выделяет 6 • 10" Дж энергии. Такого количества тепла хватит для нагревания 1000 м-^! воды от 0 °С до точки кипения. В ходе ядерных пре­вращений диаметр Солнца практически не меняется, т. к. тенденция к взрывному расширению уравновешивается гравитационным притяже­нием составных частей Солнца, стягивающим газы в сферическое тело. Солнце обладает сильным магнитным полем, полярность которого изме­няется один раз в 11 лет. Эта периодичность совпадает с 22-летним цик­лом нарастания и убывания солнечной активности, когда формируются солнечные пятна с диаметром в среднем 66 тыс. км.

Солнечный ветер, исходящий во все стороны от Солнца, представ­ляет собой поток плазмы — протонов и электронов с альфа-частицами и ионизированными атомами С, О и других, более тяжелых элементов (рис. 2 на цветной вклейке). Скорость солнечного ветра вблизи Земли достигает 400-500 и при больших вспышках даже 1000 км/с. Солнеч­ный ветер оказывает воздействие на магнитосферу — внешнее магнит­ное поле Земли, которое вытягивается в сторону, противоположную Солнцу, на многие миллионы километров, а со стороны Солнца — сплю­щивается. Отдельные частицы солнечного ветра, проникая в магнитос­феру, образуют полярные сияния в атмосфере (рис. 1.5).

Частицы солнечного ветра были исследованы на Луне американскими астронавтами, которые «ловили» их развернутой на шестах алюминиевой фольгой, т. к. на Луне нет ни атмосферы, ни магнитного поля и солнеч­ный ветер достигает ее поверхности беспрепятственно. Солнечный ветер распространяется намного дальше орбиты Сатурна, образуя так называе­мую гелиосферу, контактирующую уже с межзвездным газом, на расстоя­нии 100 АЕ и более.

Рис. 1.5. Солнечный ветер

Выделение энергии Солнцем, как и Т, остается практически неизмен­ным на протяжении 5 млрд лет, т. е. с момента образования Солнца. Атом­ного горючего — Н — на Солнце должно хватить, по расчетам, еще на 5 млрд лет. Когда запасы Н истощатся, гелиевое ядро будет сжиматься, а внешние слои расширяться, и Солнце сначала превратится в «красного гиганта», а затем — в «белого карлика».

Тепло и свет Солнца оказывают большое влияние на земные про­цессы: климат, гидрологический цикл, выветривание, эрозию, существо­вание жизни.

Солнце излучает все типы электромагнитных волн, начиная с радио­волн длиной во много километров и кончая гамма-лучами (рис. 1.6). Электромагнитные волны поглощаются атмосферой тем сильнее, чем меньше их длина. В атмосферу Земли проникает очень мало заряжен­ных частиц, т. к. магнитное поле бронирует ее, но даже малая часть заряженных частиц способна вызвать возмущения в магнитном поле или Северное сияние. Тонкий озоновый экран задерживает на высотах около 30 км все жесткое ультрафиолетовое излучение, тем самым да­вая возможность существования жизни.

Солнечной постоянной называется количество солнечной энергии, по­ступающей на 1 м² поверхности Земли, расположенной перпендикулярно солнечным лучам. Эта величина составляет около 1370 Вт/м². Существует примерное равновесие между поступлением солнечной энергии на Землю и ее рассеиванием с поверхности Земли. Это подтверждается постоянством температуры в земной атмосфере. Радиация, исходящая от Солнца, имею­щая длины волн больше 24 мк, чрезвычайно мала. Остальной спектр —

Длина волны, м

(1 ангстрем) (1 см) (1 м) (1 км)

III I

10" Ю'² 10^ю 10" 10* Ю"⁴ Ю² 1 10 10^г 10³ 1 0⁴ 1 0⁵

I I I I-------- 'I I I

10^й 10²' 10" 10" 10'⁵ ю'³

Частота, Гц

I I I I I I------------------ 1-- г

10" ю⁹ ю⁷ ю⁵

Рис. 1.6. Электромагнитный спектр: 1 — гамма-лучи; 2 — рентгеновские лучи; 3 — ультрафиолетовые лучи; 4 — видимый свет; 5 — инфракрасные лучи; 6 — радиоволны.

Скорость электромагнитных волн в вакууме — 299,793 км/с

от 0,17 до 4 мк подразделяют на 3 части. Ультрафиолетовая радиация (0,17­0,35 мк), или химическая радиация, крайне вредна для всего живого. Ее доля в общем балансе не превышает 7 %. Световая радиация (0,35-0,75 мк) состав­ляет уже 46 %. Инфракрасная радиация, невидимая для глаз (0,76-4 мк) в об­щем балансе составляет 47 % (рис. 1.7).

Активные явления на Солнце вызывают на Земле магнитные бури, меняют прохождение радиоволн, влияют на климат и т. д. Подробнее об изменениях солнечной радиации в связи с геологическими процес­сами будет рассказано в соответствующих главах.

1.2.2. Строение Солнечной системы

Вокруг Солнца вращаются девять планет. Меркурий, Венера, Земля и Марс, ближайшие к Солнцу планеты, относятся к внутренним, или пла­нетам земной группы. Далее, за поясом астероидов, располагаются пла­неты внешней группы — гиганты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и ма­ленький Плутон, открытый лишь в 1930 г. Расстояние от Солнца до Плутона равняется 40 астрономическим единицам (1 АЕ = 150 млн км, расстоянию от Земли до Солнца). За Плутоном находится «щель» — кольцо с радиусом 2 • 10³АЕ, где практически нет вещества (рис. 1.8). Далее, в интервале 2 • 10³ — 2 • 10⁴ АЕ, располагается кольцо с огром­ным количеством материи в виде ядер комет с массой равной 10⁴ масс Солнца и угловым моментом, в 100 раз превышающим современный угловой момент всей Солнечной системы. Это так называемое внут­реннее облако Оорта. Еще дальше, в интервале 2 • 10⁴ — 5 • Ю⁴ АЕ,

Солнечная постоянная Количество солнечной энергии

1370 Вт/м7с