Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основные космогонические гипотезы

История появления и развития гипотез.

Позднейшие идеи построены на законе притяжения Ньютона. Гипотеза Сведенборга (1732) замечательна как последняя и наиболее разработанная и построенных не на законе притяжения. Сведенборг исходил извихревой теории Декарта и в своих «Principia rеrum naturalium» (отдел «de Chao Universali solis etplanetarum») так рассказывает происхождение мира: вследствие давления мировой материи местами появляются довольно плотные агломераты (зародыши звезд),а в них вследствие присущей частица материи наклонности двигаться по спиралям образуются вихри. Эти вихри захватывают частицы материного порядка, и из них формируется нечто вроде шаровой темной корки, вращающейся около уже сияющего центра солнца. Вследствие центробежной силы эта корка становится тоньше, наконец лопается, из ее осколков образуется кольцо около солнца, оно в свою очередь разрывается на части, которые и дают начало планетам и на так называемой гипотезе первичной туманности бесформенного, крайне разреженного однородного [Химический состав туманности Крукс назвал протилом; из этого протила, по его мнению, сложились все химические элементы.] скопления вещества. Канту принадлежит в этомнаправлении первый опыт («Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels», 1755); за ним следовал Лаплас. Совершенно ложно ходячее мнение, по которому гипотезы Канта и Лапласа совпадают. В них различны уже свойства первичной туманности и коренным образом расходятся все эволюции ее. Гипотеза Лапласа благодаря работам Роша («Essai sur la constitution et l'origine du systиme solaire», 1875) имеет некоторое право на место в астрономических трактатах. Гипотеза Канта в слишком многих пунктах идет вразрез с основными законами механики и представляет лишь исторический интерес. Вообще все космогонические гипотезы имеют лишь спекулятивное значение и ни в каком случае не могут считаться принадлежащими к астрономии как к точной науке. В них совершенно произвольны как начальные обстоятельства, так и условия развития, многие детали противоречат друг другу и существующим явлениям. Эти гипотезы лишь образец того, как без особенных натяжек и почти без явных противоречий законам механики могли бы развиться системы, подобные солнечной. Переходя от Сведенборга и Канта к Лапласу и Рошу, а затем к Д. Дарвину, задача сужается от всего мироздания к солнечной системе и к образованию одного спутника. В то же время рассуждения постепенно переходят на более твердую почву.

Гипотеза Канта

Первичная туманность состоит из отдельных частиц. Более тяжелые начинают притягивать сравнительно легкие, образуются местами центры притяжения, вся туманность разбивается на участки, на шаровидные, более плотные скопления материи - будущие звезды. В каждой звездной туманности появляется центральное сгущение; частицы, стремясь к центру, сталкиваются; одни из них при этом падают к центру, другие получают боковое движение. Случайно накапливается перевес движения в одну сторону, и все частицы, как падающие к центру, так и остающиеся в туманности во взвешенном состоянии, получают вращательное движение, общее для всей массы. Вследствие вращения туманность сплющивается, частицы, не упавшие на солнце, начинают группироваться около местных, случайных центров притяжения зарождаются планеты. В зависимости от положения зародыша планеты над экватором туманности орбиты планет будут более или менее наклонены к нему.

Увлеченные общим вращением массы, все планеты движутся в одну сторону. Вопрос о вращательном движении планет вокруг их осей изложен у Канта весьма темно, и во всяком случае вращение должно бы происходить в обратную сторону существующему. Небольшие комки первичной туманности, далекие от экватора ее, образовали кометы. У Канта нет ни постепенного, сокращения объема всей туманности, ни выделения колец этих характерных особенностей гипотезы Лапласа. Кольца же Сатурна Кант объясняет, как продукт рассеивания атмосферы планеты.

Гипотеза Лапласа-Роша

Эта гипотеза не касается звездных миров, а только солнечной системы.

Первичная туманность есть газообразная раскаленная атмосфера Солнца, которая простиралась далеко за пределы нынешней планетной системы.

Солнце уже вырисовывалось как довольно плотное сгущение в центре.

Вся планетарная система подобна туманным звездам или планетарным туманностям с центральным сгущением. Солнцу и его атмосфере от вечности присуще равномерное вращение.

Атмосфера ограничена поверхностью, где центробежная сила уравновешена притяжением центрального ядра и всей атмосферы. Под влиянием притяжения, частью же вследствие внешнего охлаждения атмосфера сжимается.

Тогда вращение ускоряется; увеличивается центробежная сила; поверхность равновесия обеих сил отступает внутрь всей массы, и слой туманной материи должен отделиться под экватором в виде туманного вращающегося кольца. При этом частицы, которые были расположены вне экватора, стекают к нему; но, обладая недостаточными скоростями, чтобы оторваться от общей массы, впитываются обратно в туманность и образуют эллиптические потоки около солнца внутри самой атмосферы, образуют внутренние туманные кольца.

Часть их падает на солнце и увеличивает его массу.

Попеременное увеличение центрального сгущения, сменяясь внешним сокращением объема вследствие охлаждения и сжатия, вызывает то, что поверхность равновесия отступает скачками, а отделение туманных колец происходит ритмично материя не выделяется безостановочно на экваторе. Каждое кольцо склубилось в один ком будущую планету, образование одной планеты из кольца составляет самый слабый пункт гипотезы; кольцо должно бы распасться на множество мелких телец (как астероиды). Вращение планет вокруг осей было первоначально обратно движению планет вокруг солнца, но тут выступил новый фактор приливы, вызванные солнцем в планетной массе.

Трение их постепенно замедляет это обратное вращение, наступает момент, когда вращение исчезает, затем, в благоприятных случаях, может получиться прямое вращение.

Приливы на Уране и Нептуне слишком малы, чтобы уничтожить их первоначальное обратное вращение. Период обращения планеты около солнца равен времени вращения атмосферы солнца в момент выделения кольца. Внутренние же кольца объясняют быстрое обращение спутников Марса и колец Сатурна.

Образование спутников идет в каждой планетной массе совершенно аналогично образованию самих планет.

Приливы препятствуют образованию спутников второго порядка. Наклонности и эксцентриситеты орбит планет вызваны последующими взаимными возмущениями планет.

Гельмгольц ввел в гипотезу Лапласа-Роша закон сохранения энергии, и указал на сжатие как на единственно достаточный источник лучистой энергии солнца.

Недостатки теории Лапласа-Роша:

· Плотность первичной туманности должна быть так мала, что она не могла бы вращаться как твердое тело(равномерно);

· Отрыв вещества не может происходить скачками и только в экваториальной плоскости, а должен происходить либо квазинепрерывно, либо центрально симметрично, как сброс оболочки при образовании планетарной туманности;

· Кольца с массой, равной массе планет не могли бы сгуститься, а рассеялись

· бы в пространстве;

· Источником энергии Солнца является не сжатие, а термоядерный синтез в солнечных недрах.

Гипотеза Фая

Допускает предвечное существование «хаоса» как темной и холодной туманности. Вследствие начавшегося сжатия, вызванного притяжением, материя нагрелась и стала слабо светиться, совершенно подобно туманностям, открытым фотографией. По различным направлениям хаос бороздят «потоки» материи. Местами вследствие встречи противоположных потоков получаются вихри родоначальники спиральных туманностей, а за ними и различных звездных систем. Основным типом этих систем служат тесные двойные и кратные звезды, где массы распределены довольно равномерно, а составляющие звезды вращаются вокруг общего центра тяжести. Для образования системы, подобной нашей солнечной, требовались исключительно благоприятные условия. Фай настаивал, что планетные системы редкое исключение среди звездных миров. Там, где в хаосе не было встречи движений, образовались не вихри, а медленно сгущающиеся облака мелких раскаленных телец (пример тому в со зв. Геркулеса, Центавра). В такой систем не равнодействующая силаньютонианского взаимного притяжения отдельных частиц всегда направлена к центру системы и прямо пропорциональна расстоянию частицы до него.

Такой же закон сил господствовал ив нашей системе до сложения солнца. космогонический спутник вращательный кант

Вследствие этого кольца, образовавшиеся внутри туманности, дают начало планетам с прямым вращением вокруг осей. Между тем формируется центральное сгущение солнце, масса которого, наконец, далеко превосходит массу оставшейся туманности, и закон сил изменяется: начинает преобладать центральное притяжение, обратно пропорциональное квадратура расстояния.

Все частицы туманности движутся уже по законам Кеплера. Планеты, которые еще не успели сложиться из колец, получают вращение обратное.

Таким образом, по гипотезе Фая, земля и внутренние планеты старше солнца, а оно старше

Урана и Нептуна. Несмотря на удачное замечание о перемене закона сил, гипотеза Фая объясняет некоторые пункты (напр. образование колец) менее удовлетворительно, чем гипотеза Лапласа- Роша. Даже главная цель ее объяснить аномальное вращение Урана и Нептуна -- не вполне достигнута.

Гипотеза Джинса

В 1919 году английский астрофизик Дж. Джинс выдвинул гипотезу, согласно которой все объекты солнечной системы образовались из вещества Солнца, которое было вырвано из него в результате близкого прохождения рядом ним какой-то звезды. Вырванное вещество изначально двигалось по очень вытянутой траектории, но, со временем, в результате сопротивления среды, состоявшей из мелких капелек солнечного вещества, орбиты крупных сгустков стали почти круговыми.

Исходя из этой гипотезы следовало, что образование планетных систем вокруг звезд является чрезвычайно редким событием, поскольку большинство звезд в галактике не испытывают таких сближений ни разу за всё время своего существования.

С физической точки зрения гипотеза Джинса оказалась несостоятельной.

Экспериментальные данные показывают, что удельный момент количества движения, заключенный в Солнце на порядок меньше, чем аковой для планет. Расчеты Н.Н. Парийского подтвердили, что вещество, вырванное из Солнца должно было либо упасть обратно на него, либо увлечься вырвавшей его звездой.

Гипотезы Фесенкова

Академик В. Г. Фесенков, являясь противником космогонической теории О. Ю. Шмидта, сам создал несколько гипотез образования Солнечной системы, ни одна из которых не, однако, не была детально проработана.

Так в одной из ранних гипотез В. Г. Фесенков предполагал, что планеты образовались из газовых масс, отделившихся от Солнца при его вращении. Сделать такое предположение позволяло то, что в то время предполагалось, что все звезды рождаются горячими, но, со временем, сбрасывают часть своего вещества, уменьшают температуру, перемещаясь по главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рассела.

К середине 50х годов положение теории Шмидта о том, что планеты сформировались из холодной газопылевой среды, стало общепризнанным. На основе этого В. Г. Фесенков предположил, что планеты образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего то облако, из которого образовалось

Солнце, уже обладающего избыточным запасом вращения. Истечении вещества в экваториальной плоскости образующегося Солнца увеличило плотность газопылевой среды в этой плоскости, что позволило образоваться зародышам планет, плотностью около 10⁵ г/см³. Образование планет должно было начаться с периферии солнечной системы.

Гипотезы форм планет

Во времена Лапласа считалось, что вращающаяся жидкая масса для равновесия должна принять форму тела вращения. Отсюда гипотетическое деление массы на части неизбежно происходила в виде круговых колец.

Якоби (1856) первый указал на трехосный эллипсоид как на форму равновесия вращающейся жидкости и тем положил начало новым исследованием. Пуанкаре (1890) нашел, что при увеличении скорости вращения эллипсоид Якоби переходит в иную, «грушевидную» (апиоид) форму равновесия; дальнейшее же увеличение скорости должно вызвать разрыв всей массы на две неравные части. Д. Дарвин пришел к тем же результатам обратным путем. Исследуя приливное взаимодействие двух близких масс, он вывел, что подобные массы должны были раньше составлять одну, фигура которой близко подходит к а пиоиду Пуанкаррэ. Ни одна из вышеизложенных гипотез не объясняет сформирование планеты из кольца; тем вероятнее новый вывод, по которому образование кольца совершенно аномальное явление и имело место в солнечной системе только раз (для астероидов), все же планеты и спутники произошли путем отделения клуба материи. Если оторванный клуб был слишком мал, он не успевал удалиться от большей массы и был разорван ее приливным действием.

Пример тому кольца Сатурна, истинный генезис которых, как рассеянного спутника, был выяснен еще Рошем (1848). Для системы луна земля исследования Дарвина можно назвать весьма удачными; меньше значения они имеют для эволюции других планет. Лишь для системы спутников Марса они дают новые разъяснения. Си (See) приложил вывод Д. Дарвина кзвездным системам. Он указал (1893) сходство фигур, найденных Пуанкаррэ и Дарвином, с двойными туманностями и объяснил приливным действием значительные эксцентриситеты орбит большинства двойных звезд. Си подтверждает взгляд Фая, по которому планетные системы составляют исключение во вселенной, господствует же тип двойных звезд, лишенных планет. У всех изложенных космогонических теорий имеются общие слабые пункты, которые, быть может, следует отнести на счет самой гипотезы первичной туманности. Зачатки этой гипотезы видны в объяснении новых звезд 1572 и 1606 годов Тихо Браге и Кеплером. Галлей в1714 г. говорит о повсеместном и предвечном существовании материи в разреженном состоянии. Параллельно с умозрениями Канта и Лапласа к гипотезе туманной материи пришел В. Гершель, из наблюдений. Он думал проследить в различных туманностях все стадии развития звезд. Несколько времени спустя лорд Росс показал, что многие из этих туманностей распадаются на отдельные звезды, и тем поколебал было доверие к гипотезе. Однако спектральный анализ подтвердил, что существуют светящиеся газообразные массы с очень слабым сплошным спектром, на котором выделяются блестящие линии. Но нужно признать, что гипотеза эволюции всех небесных светил из первичной туманности совершенно эмпирична и не имеет еще никакого фактического подтверждения.

2. Полиморфизм и изоморфизм

Под воздействием давления упаковка атомов становится компактнее и образуется более плотное кристаллическое тело. Существует явление, когда вещество с одним и тем же химическим составом образует несколько структурных разновидностей. Примером может служить кремнезем (SiC^), который при обычной температуре представлен кварцем. С повышением температуры до 1470-0723° С это -- кристобалит, минерал, образующийся в вулканических лавах. В диапазоне температур 840-0470° С кремнезем кристаллизуется уже в виде тридимита. Такие разновидности называются полиморфными модификациями, а сам процесс преобразования кристаллической структуры вещества без изменения его химического состава -- полиморфизмом. По-видимому, лучше известны две полиморфные модификации (диморфы) углерода -- алмаз и графит.

Явление, обратное полиморфизму, когда вещества разного химического состава обладают одинаковой кристаллической структурой, называется изоморфизмом. Сущность его заключается в способности взаимного замещения ионов, размеры которых практически идентичны. В1 качестве примера можно привести замещение одним ионом хрома иона алюминия в корунде или берилле. Присутствие хрома в кристаллической структуре минерала дает в первом случае красную разновидность корунда рубин, во втором -- зеленую разновидность берилла изумруд. [Различают несколько видов изоморфизма, среди которых наиболее распространенные -- изовалентный (происходит замещение ионов с одинаковой валентностью) и гетеровалентный (замещаются ионы разной валентности). Автором описана наиболее простая разновидность изовалентного изоморфизма, когда по своим свойствам взаимно заменяющиеся ионы близки друг к другу.]

Существуют непрерывные ряды минералов, которые могут быть охарактеризованы двумя конечными членами ряда, обладающими постоянным химическим составом, в то время как промежуточные его члены представляют собой изоморфные смеси конечных. Примером может служить ряд форстерита (Mg2Si04) -- фаялита (Fe?Si04), в котором оливин является одним из промежуточных членов. Вместе с тем ряд минералов, включающий эти два конечных члена, объединяется в группу оливина. Если смесь форстерита и фаялита подвергнуть нагреванию, а затем охладить, мы получим оливин, в состав которого входят как магний, так и железо. Такие соединения называются твердыми растворами, поскольку здесь один минерал как бы растворен в другом.

Ряды, подобные рассмотренному, называют изоморфными. В данном случае все промежуточные члены изоморфного ряда известны, хотя так бывает не всегда. Если мы хотим получить формулу какого-либо промежуточного члена оливинового ряда, то достаточно в общую формулу ряда (Mg, Fe)2Si04 подставить к символам Mg и Fe соответствующие индексы, отразив тем самым фактическое соотношение магния и железа для данного конкретного минерала.

При повышении температуры (нагревании) минерала в его кристаллическую структуру стремятся проникнуть атомы с относительно большими ионными радиусами. Если это происходит, и решетка вследствие этого расширяется, то при последующем охлаждении и соответственно сжатии решетки более крупные атомы как бы выталкиваются из нее. Осуществляется процесс, в результате которого первоначально однородный твердый раствор распадается на две кристаллические фазы. Эти фазы оказываются настолько близкими друг другу по размерам слагающих частиц, что их бывает трудно различить. Этот процесс получил название экссолюции [распада твердого раствора!.

В некоторых случаях минералы не отвечают закону компенсации электрических зарядов (электрического баланса). В их кристаллических структурах отсутствуют некоторые катионы; остающиеся в результате этого свободные места называются вакансиями. Иногда такие явления обусловливают цвет минерала.

3. Расскажите об основных типах морских течений

Морские течения -- это горизонтальные поступательные движения водных масс в океанах и морях, характеризующиеся определенным направлением и скоростью. Они достигают нескольких тысяч километров в длину, десятков-сотен километров в ширину, сотен метров в глубину. По физико-химическим свойствам воды морских течений отличны от окружающих.

По продолжительности существования (устойчивости) морские течения подразделяют следующим образом:

§ постоянные, которые проходят в одних и тех же районах океана, имеют одно генеральное направление, более или менее постоянную скорость и устойчивые физико-химические свойства переносимых водных масс (Северное и Южное пассатные, Гольфстрим и др.);

§ периодические, у которых направление, скорость, температура подчинены периодическим закономерностям. Происходят они через равные промежутки времени в определенной последовательности (летнее и зимнее муссонные течения в северной части Индийского океана, приливно-отливные течения);

§ временные, вызываемые чаще всего ветрами.

По температурному признаку морские течения бывают:

§ теплые, которые имеют температуру выше, чем окружающая вода (например. Мурманское течение с температурой 2-3 °С среди вод О °С); они имеют направление от экватора к полюсам;

§ холодные, температура которых ниже окружающей воды (например, Канарское течение с температурой 15-16 °С среди вод с температурой около 20 °С); эти течения направлены от полюсов к экватору;

§ нейтральные, которые имеют температуру, близкую к окружающей среде (например, экваториальные течения).

По глубине расположения в толще воды различают течения:

§ поверхностные (до 200 м глубины);

§ подповерхностные, имеющие направление, противоположное поверхностному;

§ глубинные, движение которых совершается очень медленно -- порядка нескольких сантиметров или первых десятков сантиметров в секунду;

§ придонные, регулирующие обмен вод между полярными -- субполярными и экваториально-тропическими широтами.

По происхождению выделяют следующие течения:

§ фрикционные, которые могут быть дрейфовыми или ветровыми. Дрейфовые возникают под влиянием постоянных ветров, а ветровые создаются сезонными ветрами;

§ градиентно-гравитационные, среди которых выделяют стоковые, образующиеся в результате наклона поверхности, вызванного избытком вод вследствие их притока из океана и обильных осадков, и компенсационные, которые возникают благодаря оттоку вод, скудным осадкам;

§ инертные, которые наблюдаются после прекращения действия возбуждающих их факторов (например, приливные течения).

Система течений океана обусловлена общей циркуляцией атмосферы.

Если представить гипотетический океан, непрерывно простирающийся от Северного полюса к Южному, и наложить на него генерализированную схему атмосферных ветров, то с учетом отклоняющей силы Кориолиса получим шесть замкнутых колец - круговоротов морских течений: Северное и Южное экваториальные, Северное и Южное субтропические, Субарктическое и Субантарктическое

Рис. Круговороты морских течений

Отступления от идеальной схемы вызваны наличием материков и особенностями их распределения по земной поверхности Земли. Однако, как и на идеальной схеме, в действительности на поверхности океана наблюдается зональная смена крупных -- протяженностью в несколько тысяч километров -- не полностью замкнутых циркуляционных систем: это экваториальная антициклоническая; тропические циклонические, северная и южная; субтропические антициклонические, северная и южная; антарктическая циркумполярная; высокоширотные циклонические; арктическая антициклоническая системы.

В Северном полушарии они движутся по часовой стрелке, в Южном -- против. С запада на восток направлены экваториальные межпассатные против течения.

В умеренных субполярных широтах Северного полушария существуют малые кольца течений вокруг барических минимумов. Движение вод в них направлено против часовой стрелки, а в Южном полушарии -- с запада на восток вокруг Антарктиды.

Течения в зональных циркуляционных системах достаточно хорошо прослеживаются до глубины 200 м. С глубиной они меняют направление, слабеют и превращаются в слабые вихри. Взамен на глубине усиливаются меридиональные течения.

Самые мощные и глубокие из поверхностных течений играют важнейшую роль в глобальной циркуляции Мирового океана. Наиболее устойчивые поверхностные течения -- это Северное и Южное пассатные течения Тихого и Атлантического океанов и Южное пассатное течение Индийского океана. Они имеют направление с востока на запад. Для тропических широт характерны теплые сточные течения, например Гольфстрим, Куросио, Бразильское и др.

Под действием постоянных западных ветров в умеренных широтах существуют теплые Северо-Атлантическое и Северо-Тихоокеанское течения в Северном полушарии и холодное (нейтральное) течение Западных ветров -- в Южном. Последнее образует кольцо в трех океанах вокруг Антарктиды. Замыкают большие круговороты в Северном полушарии холодные компенсационные течения: вдоль западных берегов в тропических широтах -- Калифорнийское, Канарское, а в Южном -- Перуанское, Бенгальское, Западно-Австралийское.

Наиболее известными течениями также являются теплое Норвежское течение в Арктике, холодное Лабрадорское в Атлантике, теплое Аляскинское и холодное Курило-Камчатское -- в Тихом океане.

Муссонная циркуляция в северной части Индийского океана порождает сезонные ветровые течения: зимнее -- с востока на запад и летнее -- с запада на восток.

В Северном Ледовитом океане направление движения вод и льдов происходит с востока на запад (Трансатлантическое течение). Причины его -- обильный речной сток рек Сибири, вращательное циклоническое движение (против часовой стрелки) над Баренцевым и Карским морями.

Помимо циркуляционных макросистем существуют вихри открытого океана. Их размер -- 100-150 км, а скорость перемещения водных масс вокруг центра -- 10-20 см/с. Эти мезосистемы называются синоптическими вихрями. Считается, что именно в них заключено не менее 90 % кинетической энергии океана. Вихри наблюдаются не только в открытом океане, но и в морских течениях типа Гольфстрим. Здесь они вращаются с еще большей скоростью, чем в открытом океане, их кольцевая система лучше выражена, поэтому их называют рингами.

Для климата и природы Земли, особенно прибрежных районов, значение морских течений велико. Теплые и холодные течения поддерживают разницу температур западных и восточных побережий материков, нарушая ее зональное распределение. Так, незамерзающий Мурманский порт находится за Полярным кругом, а на восточном побережье Северной Америки замерзает залив св. Лаврентия (48° с.ш.). Теплые течения способствуют выпадению осадков, холодные, напротив, уменьшают возможность их выпадения. Поэтому территории, омываемые теплыми течениями, имеют влажный климат, а холодными -- сухой. При помощи морских течений осуществляются миграция растений и животных, перенос питательных веществ и газовый обмен. Течения учитывают и при мореплавании.

Размещено на Allbest.ru