Образование планет и планетарных систем. Как формировались планеты солнечной системы

Ничто во всей Вселенной

Не существует, только их полет,

И он мои печали прочь несет

Полет планет, Земли, и звезд

Полет, и камня,

И мысль моя не жизни и смерти

На двух крыльях, на двух волнах

Поль Элюар

Согласитесь, сегодня человек, в какой бы самой отдаленной области науки или народного хозяйства он ни работал, должен иметь представления, хотя бы общее, о нашей Солнечной системе, звездах и современных достижениях астрономии.

Сравнительное изучение планет и их спутников – «лун» - имеет первостепенное значение и для познания Земли. Нам еще не ясны те условия, которые привели к формированию разнообразных природных комплексов, в том числе благоприятствовавших зарождению и развитию жизни на Земле.

В этом реферате пойдет речь о Солнечной системе и о происхождении планет.

Я выбрал эту тему потому, что загадочный мир образования звезд и планет с давних времен притягивал к себе внимание людей. Эта тема была актуальна на протяжении тысячелетий и лишь в последние 10 лет были получены достоверные сведения о наличии планет и планетных систем и у других звезд. Познание планет и планетных систем приведет человечество и к решению другой глобальной проблемы – существование жизни на планетах, а это предстоит решить человечеству только в третьем тысячелетии.

Таким образом, цель данной работы – рассмотреть возникновение планет, отдельно рассмотреть возникновение, строение, форму, размеры и движение Земли.

Наша Галактика содержит около 100 млрд. звезд, а всего галактик, которые в принципе наблюдаемы, примерно 10 млрд. Почему же тогда надо тратить время на выяснение подробностей рождения Солнца? Оно представляет собой посредственную, ничем не примечательную звезду, появившуюся около 4,6 млрд. лет назад (можно даже назвать его возраст средним), Солнце старше. Плеяд, возраст которых несколько десятков миллионов лет, но заведомо моложе красных гигантов, населяющих шаровые скопления (их возраст 14 млрд. лет).

Дело в том, что Солнце до сих пор остается единственной известной науке звездой, на одной из планет которой существует жизнь. Поэтому чрезвычайно интересно исследовать механизм возникновения Солнечной системы. Может оказаться, что планеты образуются, как правило, при рождении какой-нибудь звезды. В этом случае заметно увеличилась бы вероятность обнаружить жизнь еще где-нибудь во Вселенной. Такая возможность представляет большой интерес, причем не только с научной точки зрения.

Первая теория образования Солнечной системы, предложенная в 1644 г. Декартом, имеет заметное сходство с теорией, признанной в настоящее время. По представлениям Декарта, Солнечная система образовалась из первичной туманности, имевшей форму диска и состоявшей из газа и пыли (монистическая теория). В 1745 г. Бюффон предложил дуалистическую теорию; согласно его версии вещество, из которого образованы планеты было отторгнуто от Солнца какой-то слишком близко проходившей планетой или другой звездой.

Наиболее известными монистическими теориями стали теории Лапласа и Канта. Трудности, с которыми встретились в конце 19 в. Монистические теории, способствовали успеху дуалистических, однако развитие истории снова вернуло нас к монистической теории. Такие колебания вполне понятны, поскольку в распоряжении исследователей было очень уж мало данных: распределение расстояний до планет, подчиненное определенному закону (закону Боде), знание того, что планеты движутся вокруг Солнца в одну сторону, да ее некоторые теоретические соображения (на которых мы не будем останавливаться), касающиеся углового момента Солнечной системы.

Если бы Бюффон оказался прав, то появление такой планеты, как наша, было.бы событием чрезвычайно редким, связанным с другим столь же редким событием, как сближение двух звезд, а вероятно найти жизнь где-нибудь во Вселенной стала бы ничтожно малой. Такая вызвала бы разочарование не только у читателей научной фантастики.

Более многочисленны и надежны экспериментальные данные о Солнечной системе, полученные в послевоенные годы. Методы которыми были исследованы метеориты и поверхность Луны, нельзя было даже представить во времена Лапалса.

Речь идет о веществе, которое образовалось на самой ранней стадии жизни Солнечной системы или даже было частью первичной туманности.

Исследования послевоенных лет привели к некоторому прояснению нашего происхождения. Речь идет о «большом взрыве», в результате которого в далекую эпоху, примерно 15-20 млрд. лет назад, родилась Вселенная. Спустя миллиард лет после «большого взрыва» из смеси водорода и гелия, заполнявших все пространство, началось образование галактик. Первые звезды, образовавшиеся те временя, все еще видны в шаровых скоплениях и в центрах галактик. Вслед за ними образовались спиральные рукава.

Наиболее массивные звезды, сформировавшиеся в самом начале, прошли очень быструю эволюцию, при которой водород превращался в более тяжелые элементы (в том числе углерод и кислород), а вновь образованное вещество выбрасывалось в окружающее пространство. Такие превращения и сейчас происходят в термоядерных реакциях, поставляющих всю энергию, излучаемую звездами.

Этот «пепел» в свою очередь подвергался локальному сжатию, приводящему к рождению новых звезд, и цикл повторялся. Солнце представляет собой звезду второго или третьего поколения. Согласно Клейтону, сжатие, в результате которого образовалось Солнце, было вызвано которая, взрываясь, сообщила движению межзвездному веществу и, как метла, толкала его впереди себя; так происходило до тех пор пока за счет силы тяготения не сформировалось стабильное облако, продолжавшее сжиматься, превращая собственную энергию сжатия в тепло

Вся эта масса начала нагреваться, и за очень короткое время (десяток миллионов лет) температура внутри облака достигла 10-15 млн. градусов. К. этому времени термоядерные реакции шли полным ходом и процесс сжатия закончился. Принято считать, что именно в этот «момент», от четырех до шести миллиардов лет назад, и родилось Солнце.

Предполагается, что планеты возникли одновременно (или почти одновременно) 4,6 млрд. лет назад из газово-пылевой туманности, имевшей форму диска, в центре которого располагалось молодое Солнце. Образование звезд и планетных систем - это, по-видимому, все-таки единый процесс, происходящий в результате конденсации облака межзвездного газа в силу его гравитационной неустойчивости.

Таким образом, протопланетная туманность образовалась вместе с Солнцем из межзвездного вещества, плотность которого превысила критические пределы. По некоторым данным (присутствие специфических изотопов в метеоритах), такое уплотнение произошло в результате относительно близкого взрыва сверхновой звезды. Взрыв сверхновой мог ускорить и стимулировать процесс конденсации, а также обеспечить содержание в составе газовой туманности тяжелых элементов. Допланетное облако было мало массивным. Если бы его масса превышала 0,15 массы Солнца, оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца.

Протопланетное облако было неустойчивым, оно становилось все более плоским, конденсировалось в уплотненный диск, в нем возникали неустойчивости, которые приводили к образованию ряда колец, а газовые кольца превращались в газовые сгустки - протопланеты. Протопланеты сжимались, твердые пылинки сближались, сталкивались, образовывали тела все больших размеров. В относительно короткий срок (10n лет, где, по разным оценкам, n = 5-8) сформировались девять больших планет.

В настоящее время господствует идея холодного, а не горячего, начального состояния Земли и других планет Солнечной системы, которые возникли в результате аккреции частиц и твердых тел газово-пылевого протопланетного облака, окружавшего Солнце. Однако пока не решен вопрос, была ли Земля гомогенна или гетерогенна к концу своего формирования, образовались ли ядро, мантия и кора в результате гетерогенной аккреции или же наша планета создавалась из гомогенного материала, который затем подвергался дифференциации в процессе последующей геологической истории. Большинство исследователей придерживаются модели гетерогенной аккреции. (Хотя вопрос о разделе вещества допланетного облака на железные и силикатные частицы пока окончательно не решен.)

Астероиды, кометы, метеориты являются, вероятно, остатками материала, из которого сформировались планеты. Астероиды сохранились до нашего времени благодаря тому, что подавляющее большинство их движется в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Аналогичные каменистые тела, некогда существовавшие во всей зоне планет земной группы, давно либо присоединились к этим планетам, либо разрушились при взаимных столкновениях, либо были выброшены на пределы этой зоны вследствие гравитационного воздействия планет.

Происхождение систем регулярных спутников (т.е. движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости ее экватора) авторы космогонических гипотез обычно объясняют повторением в малом масштабе того же процесса, который они предлагают для объяснения образования планет Солнечной системы. Такие спутники есть у Юпитера, Сатурна, Урана. Происхождение иррегулярных спутников (т.е. таких, которые обладают обратным движением) эти теории объясняют захватом.

Что касается Луны, то наиболее вероятным является ее образование на околоземной орбите (возможно, из нескольких крупных спутников, которые в конечном счете объединились в одно тело - Луну, что обеспечило ее быстрое нагревание), хотя продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землей готовой Луны и отделения Луны от Земли.

Проблема особенностей химического состава Солнечной системы. Хотя идея множественности планетных систем прочно утвердилась в астрономической картине мира еще со времен Дж. Бруно, однако до самого последнего времени эмпирически обоснованными данными о существовании планетных систем у других звезд астрономия не обладала. Возможности наблюдательной техники не позволяли этом убедиться. Только новейшие методы астрономического наблюдения окончательно закрыли эту «страницу» астрономического познания.

Вступление астрономии в XXI в. ознаменовалось выдающимся достижением - открытием планет за пределами Солнечной системы, планетных систем у других звезд. С помощью нового поколения средств и методов астрономического наблюдения начиная с 1995 г. удалось открыть уже свыше сотни планет за пределами Солнечной системы, у звезд, расположенных в радиусе примерно ста световых лет от нас.

Кроме того, согласно последним наблюдательным данным, по крайней мере каждая третья звезда имеет свою планетную систему. Эти данные лодтверждены наблюдениями в инфракрасном диапазоне молодых звезд. Это значит, что планетогенез (образ вание планетных систем) - не исключительное явление, а повсеместный момент эволюции материи. А наша планетная система - закономерное звено организации галактической и звездной материи, одна из многих подобных систем нашей Галактики. Но у нее есть и свои важные отличительные черты.

Как оказалось, подавляющее большинство открытых планет относятся к планетам типа Юпитера, т.е. состоят преимущественно из водорода и гелия. Их называют горячими Юпитерами. Похоже, что планет земного типа в других системах намного меньше, чем планет типа Юпитера. По-видимому, наша Солнечная система не относится к планетным системам со среднестатистическим распределением химических элементов во Вселенной и сложилась в особых условиях. Ее образование имело свои особенности, связанные с обогащением водородно-гелиевого пылевого диска тяжелыми элементами. Таким образом, открытие других планетных систем вновь привлекло внимание к проблемам происхождения (нуклеосинтеза) и распространения химических элементов во Вселенной, особенностям химического состава Солнечной системы. Вкратце, суть проблемы в следующем.

При спектроскопическом исследовании астрономических объектов во всей доступной нам Вселенной обнаруживаются одни и те же химические элементы. Однако относительная распространенность элементов, присущих Земле, не характерна для других частей Вселенной. Так, около 80% всех атомов во Вселенной - атомы водорода; остальные - главным образом атомы гелия . Более тяжелые атомы, которые обычны для нашей планеты (железо, магний, кремний, кислород и др.), составляют во Вселенной лишь ничтожно малую часть. Ясно, что Земля сформировалась в особенных условиях, не характерных для среднестатистического распространения элементов во Вселенной, и что вначале во Вселенной не было сложных атомов, но впоследствии образовался какой-то способ синтеза сложных элементов из легких и простых. Когда и как образовалась такая «фабрика» химических элементов, как она связана с возникновением Солнечной системы - одна из центральных проблем современного естествознания, лежащая на стыке астрономии, химии и физики. На эти вопросы дает ответ теория строения и эволюции звезд.

Земля - спутник Солнца в мировом пространстве, вечно кружащийся вокруг этого источника тепла и света. Самыми яркими из постоянно наблюдаемых нами небесных объектов, кроме Солнца и Луны, являются соседние с нами планеты. Они принадлежат к числу тех девяти миров (включая Землю), которые обращаются вокруг Солнца (а его радиус 700 тыс. км, т.е. в 100 раз больше радиуса Земли) на расстояниях, достигающих нескольких миллиардов километров. Группа планет вместе с Солнцем составляет Солнечную систему. Планеты хотя и кажутся похожими на звезды, в действительности гораздо меньше последних и темнее. Они видны только потому, что отражают солнечный свет, который кажется очень яркими, поскольку планеты гораздо ближе к Земле, чем звезды.

Кроме планет, в солнечную «семью» входят спутники планет (в том числе и наш спутник - Луна), астероиды, кометы, метеорные тела. Планеты расположены в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля (один спутник - Луна), Марс (два спутника), Юпитер (15 спутников), Сатурн (16 спутников), Уран (5 спутников), Нептун (2 спутника) и Плутон (1 спутник). Земля в 40 раз ближе к Солнцу, чем Плутон, и в 2,5 раза дальше, чем Меркурий. Возможно, что за Плутоном есть еще одна или несколько планет, но поиски их среди множества звезд слабее 15-й величины слишком кропотливы и не оправдывают затраченного времени. Возможно, они будут открыты «на кончике пера», как это уже было с Ураном, Нептуном и Плутоном.

Важную роль в Солнечной системе играет межпланетная среда, те формы вещества и поля, которые заполняют пространство Солнечной системы. Основные компоненты этой среды - солнечный ветер (поток заряженных частиц, в основном протонов и электронов, истекающих с поверхности Солнца); заряженные частицы высокой энергии, приходящие из глубин космоса; межпланетное магнитное поле; межпланетная пыль (большая часть с массой 10-3-10-5 г), основным источником которой являются кометы; нейтральный газ (атомы водорода и гелия).

С 1962 г. планеты и их спутники успешно исследуются космическими аппаратами. Изучены атмосферы и поверхность Венеры и Марса, сфотографированы поверхность Меркурия, облачный покров Венеры, Юлитера, Сатурна, вся поверхность Луны, получены изображения спутников Марса, Юпитера, Сатурна, колец Сатурна и Юпитера. Спускаемые космические аппараты исследовали физические и химические свойства пород, слагающих поверхность Марса, Венеры, Луны (образцы лунных пород были доставлены на Землю и тщательно изучены). С конца 1970-х гг. космическими станциями («Вояджер», «Галилео» и др.) исследовались планеты-гиганты и их спутники. Полученная информация значительно обогатила наши представления о строении и происхождении Солнечной системы.

По физическим характеристикам планеты делятся на две группы: планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). О Плутоне известно мало, но, по-видимому, он ближе по своему строению к планетам земной группы.

Строение планет слоистое. Выделяют несколько сферических оболочек, различающихся по химическому составу, фазовому состоянию, плотности и другим характеристикам.

Все планеты земной группы имеют твердые оболочки, в которых сосредоточена почти вся их масса. Венера, Земля и Марс обладают газовыми атмосферами. Меркурий практически лишен атмосферы. Окутан плотной атмосферой крупнейший спутник Сатурна - Титан, который по размерам больше планеты Меркурий. Титан - единственный спутник в нашей Солнечной системе, обладающий постоянной и плотной газовой атмосферой, которая состоит главным образом из азота и метана. Запущенная в 1997 г. к Сатурну автоматическая космическая станция «Кассини», уже передавшая изображения Сатурна, в 2004 г. должна сблизиться с Титаном, спустить на его поверхность, «прититанить» на парашюте космический зонд «Гюйгенс», который будет передавать информацию о состоянии атмосферы и поверхности Титана (ее температура - 180°С).

Земля имеет жидкую оболочку из воды - гидросферу, а также биосферу (результат прошлой и современной деятельности живых организмов). Аналогом земной гидросферы на Марсе является криосфера - лед в полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). Одна из загадок Солнечной системы - дефицит воды на Венере.

Характеристики твердых оболочек планет относительно хорошо известны лишь для Земли. Модели внутреннего строения других планет земной группы строятся главным образом на основании данных о свойствах вещества земных недр. Как и у Земли, в твердых оболочках планет выделяют: кору - самую внешнюю тонкую (10-100 км) твердую оболочку; мантию - твердую и толстую (1000-3000 км) оболочку; ядро - наиболее плотную часть планетных недр.

Ядро Земли, состоящее, скорее всего, из железа, подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твердое); температура в центре Земли оценивается в 4000-5000 К. Жидкое ядро, вероятно, есть также у Меркурия и Венеры; у Марса его, по-видимому, нет.

Наиболее распространены в твердом «теле» Земли железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%) и магний (12,7%).

Таким образом, планеты земной группы резко отличаются по элементному составу от Солнца и совершенно не соответствуют средней космической распространенности элементов - очень мало водорода, инертных газов, включая гелий.

Планеты-гиганты обладают иным химическим составом. Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий в той же пропорции, что и Солнце. Вероятно, другие элементы также содержатся в пропорциях, соответствующих солнечному составу. В недрах Урана и Нептуна, по-видимому, больше тяжелых элементов.

Недра Юпитера находятся в жидком состоянии, за исключением небольшого ядра, которое представляет собой результат металлизации жидкого водорода. Температура в центре Юпитера около 30 000 К. Химический и изотопный состав Юпитера отражает, по-видимому, состав межзвездной среды, какой она была 5 млрд лет назад. Вместе с тем Юпитер никогда не был настолько горяч, чтобы в нем могли протекать термоядерные реакции. Сатурн по внутреннему строению похож на Юпитер. Строение недр Урана и Нептуна иное: доля каменистых материалов в них существенно больше.

Основными источниками энергии в недрах планет являются радиоактивный распад элементов и выделение гравитационной потенциальной энергии при аккреции (объединении) и дифференциации вещества, его постепенном перераспределении по глубине в соответствии с плотностью - тяжелые фрагменты тонут, легкие всплывают. На Земле подобное перераспределение еще далеко не завершилось. Такие процессы вызывают перемещения отдельных участков земной коры, деформацию, горообразование, тектонические и вулканические процессы.

Причина вулканических процессов в следующем. В верхней мантии существуют небольшие области, где температура достаточна для плавления ее вещества. Расплавленное вещество (магма), выдавливающееся вверх, прорывается через кору, и происходит вулканическое извержение. Судя по характеру поверхности, среди планет земной группы тектонически наиболее активна Земля, за ней следуют Венера и Марс. При этом важно, что выделяемая Землей тепловая энергия никогда не приводила ее в полностью расплавленное состояние.

Высокой тектонической и вулканической активностью отличаются и спутники дальних планет Солнечной системы, особенно Юпитера и Сатурна. Недавно было зафиксировано самое крупное извержение вулкана в Солнечной системе на спутнике Юпитера, который называется Ио. Площадь этого извержения - около 2000 км2, а его мощность превышает извержения земных вулканов в 5-6 тысяч раз! Ио - самое сейсмическое небесное тело во всей Солнечной системе.

Поверхность планет и их спутников формируют, кроме эндогенных (тектонических, вулканических) процессов, и экзогенные - падение метеорных тел, астероидов, которое приводит к образованию кратеров, эрозия (под действием ветра, осадков, воды, ледников), химическое взаимодействие поверхности с атмосферой и гидросферой и др. Эндогенные и экзогенные процессы определяют рельеф поверхности планет.

По форме Земля близка к эллипсоиду, сплюснутому у полюсов и растянутому в экваториальной зоне. Средний радиус Земли 6371,032 км, полярный -6356,777 км, экваториальный -6378,160 км. Масса Земли 5,976·1024 кг, средняя плотность 5518 кг/м3.

Земля движется вокруг Солнца со средней скоростью 29,765 км/с по эллиптической, близкой к круговой орбите (эксцентриситет 0,0167); среднее расстояние от Солнца 149,6 млн. км, период одного обращения по орбите 365, 24 солнечных суток. Вращение Земли вокруг собственной оси происходит со средней угловой скоростью 7,292115·10-5рад/с, что примерно соответствует периоду в 23 ч 56 мин 4,1 с. Линейная скорость поверхности Земли на экваторе - около 465 м/с. Ось вращения наклонена к плоскости эклиптики под углом 66° 33" 22"". Этот наклон и годовое обращение Земли вокруг Солнца обуславливают исключительно важную для климата Земли смену времен года, а собственное ее вращение - смену дня и ночи. Вращение Земли из-за приливных воздействий неуклонно (хотя и очень медленно - на 0,0015 с за столетие) замедляется. Имеются и небольшие нерегулярные вариации продолжительности суток.

Положение географических полюсов меняется с периодом 434 суток с амплитудой 0,36"". Кроме того, имеются и небольшие сезонные их перемещения.

Площадь поверхности Земли 510,2 млн. км2, из которых примерно 70,8% приходится на Мировой океан. Его средняя глубина около 3,8 км, максимальная (Марианская впадина в Тихом океане) равна 11,022 км; объем воды 1370 млн. км3, средняя соленость 35 г/л. Суша составляет соответственно 29,2% и образует шесть материков и острова. Она поднимается над уровнем моря в среднем на 875 м; наибольшая высота (вершина Джомолунгма в Гималаях) 8848 м. Горы занимают свыше 1/3 поверхности суши. Пустыни покрывают около 20% поверхности суши, саванны и редколесья -около 20%, леса -около 30%, ледники -свыше 10%. Свыше 10% суши занято под сельскохозяйственными угодьями.

По современным космогоническим представлениям Земля образовалась примерно 4,6-4,7 млрд. лет назад из захваченного притяжением Солнца протопланетного облака. На образование первых, наиболее древних из изученных горных пород потребовалось 100-200 млн. лет. Примерно 3,5 млрд. лет назад возникли условия, благоприятные для возникновения жизни. Homo sapiens («Человек разумный») как вид появился примерно полмиллиона лет назад, а формирование современного типа человека относят ко времени отступления первого ледника, то есть около 40 тыс. лет назад.

У Земли имеется единственный спутник - Луна. Ее орбита близка к окружности с радиусом около 384400 км.

Рис. 1. Внутреннее строение Земли

Основную роль в исследовании внутреннего строения Земли играют сейсмические методы, основанные на исследовании распространения в ее толще упругих волн (как продольных, так и поперечных), возникающих при сейсмических событиях -при естественных землетрясениях и в результате взрывов. На основании этих исследований Землю условно разделяют на три области: кору, мантию и ядро (в центре). Внешний слой -кора -имеет среднюю толщину порядка 35 км. Основные типы земной коры -континентальный (материковый) и океанический; в переходной зоне от материка к океану развита кора промежуточного типа. Толщина коры меняется в довольно широких пределах: океаническая кора (с учетом слоя воды) имеет толщину порядка 10 км, тогда как толщина материковой коры в десятки раз больше.

Рис. 2. Схематическое строение Земли

Поверхностные отложения занимают слой толщиной около 2 км. Под ними находится гранитный слой (на континентах его толщина 20 км), а ниже - примерно 14-километровый (и на континентах, и в океанах) базальтовый слой (нижняя кора). Средние плотности составляют: 2,6 г/см3 - у поверхности Земли, 2,67 г/см3 - у гранита, 2,85 г/см3 - у базальта.

На глубину примерно от 35 до 2885 км простирается мантия Земли, которую называют также силикатной оболочкой. Она отделяется от коры резкой границей (так называемая граница Мохоровича, или «Мохо»), глубже которой скорости как продольных, так и поперечных упругих сейсмических волн, а также механическая плотность скачкообразно возрастают. Плотности в мантии увеличиваются по мере возрастания глубины примерно от 3,3 до 9,7 г/см3.

В коре и (частично) в мантии располагаются обширные литосферные плиты. Их вековые перемещения не только определяют дрейф континентов, заметно влияющий на облик Земли, но имеют отношение и к расположению сейсмических зон на планете.

Еще одна обнаруженная сейсмическими методами граница (граница Гутенберга) - между мантией и внешним ядром - располагается на глубине 2775 км. На ней скорость продольных волн падает от 13,6 км/с (в мантии) до 8,1 км/с (в ядре), а скорость поперечных волн уменьшается от 7,3 км/с до нуля. Последнее означает, что внешнее ядро является жидким. По современным представлениям внешнее ядро состоит из серы (12%) и железа (88%). Наконец, на глубинах свыше 5120 км сейсмические методы обнаруживают наличие твердого внутреннего ядра, на долю которого приходится 1,7% массы Земли. Предположительно, это железо-никелевый сплав (80% Fe, 20% Ni).

В числе многих химических элементов, входящих в состав Земли, имеются и радиоактивные. Их распад, а также гравитационная дифференциация (перемещение более плотных веществ в центральные, а менее плотных в периферические области планеты) приводят к выделению тепла. Температура в центральной части Земли порядка 5000 °С. Максимальная температура на поверхности приближается к 60 °С (в тропических пустынях Африки и Северной Америки), а минимальная составляет около -90 °С (в центральных районах Антарктиды).

Давление монотонно возрастает с глубиной от 0 до 3,61 ГП. Тепло из недр Земли передается к ее поверхности благодаря теплопроводности и конвекции.

Плотность в центре Земли около 12,5 г/см3.

Земля окружена атмосферой. Нижний ее слой (тропосфера) простирается в среднем до высоты в 14 км; происходящие здесь процессы играют определяющую роль для формирования погоды на планете. Температура в тропосфере падает с увеличением высоты. Слой от 14 до 50-55 км называют стратосферой; здесь температура возрастает с увеличением высоты. Еще выше (примерно до 80-85 км) находится мезосфера, над которой наблюдаются (обычно на высоте около 85 км) серебристые облака. Для биологических процессов на Земле огромное значение имеет озоносфера -слой озона, находящийся на высоте от 12 до 50 км. Область выше 50-80 км называют ионосферой. Атомы и молекулы в этом слое интенсивно ионизируются под действием солнечной радиации, в частности, ультрафиолетового излучения. Если бы не озоновый слой, потоки излучения доходили бы до поверхности Земли, производя разрушения в имеющихся там живых организмах. Наконец, на расстояниях более 1000 км газ настолько разрежен, что столкновения между молекулами перестают играть существенную роль, а атомы ионизированы более чем наполовину. На высоте порядка 1,6 и 3,7 радиусов Земли находятся первый и второй радиационные пояса.

Гравитационное поле Земли с высокой точностью описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Ускорение свободного падения над поверхностью Земли определяется как гравитационной, так и центробежной силой, обусловленной вращением Земли. Зависимость ускорения свободного падения от широты приближенно описывается формулой g = 9,78031 (1+0,005302 sin2) m/c2, где m -масса тела.

Земля обладает также магнитным и электрическим полями. Магнитное поле над поверхностью Земли складывается из постоянной (или меняющейся достаточно медленно) «главной» и переменной частей; последнюю обычно относят к вариациям магнитного поля. Главное магнитное поле имеет структуру, близкую к дипольной. Магнитный дипольный момент Земли, равный 7,98·1025 единиц СГСМ, направлен примерно противоположно механическому, хотя в настоящее время магнитные полюсы несколько смещены по отношению к географическим. Их положение, впрочем, меняется со временем, и хотя эти изменения достаточно медленны, за геологические промежутки времени, по палеомагнитным данным, обнаруживаются даже магнитные инверсии, то есть обращения полярности. Напряженности магнитного поля на северном и южном магнитных полюсах равны соответственно 0,58 и 0,68 Э, а на геомагнитном экваторе - около 0,4 Э.

Электрическое поле над поверхностью Земли в среднем имеет напряженность около 100 В/м и направлено вертикально вниз - это так называемое «поле ясной погоды», но это поле испытывает значительные (как периодические, так и нерегулярные) вариации.

Геофизика - физика Земли - относительно молода. Все происходящее в недрах нашей планеты изучено пока еще далеко не полно.

В заключение работы кратко отметим основные положения рассмотренные в работе.

В ходе выполнения работы было рассмотрено происхождение планет, вопросы связанные с открытием других планетных систем, рассмотрены планеты и их спутники, строение планет, подробно рассмотрена планета Земля, ее форма, размеры, движение, внутреннее строение и поверхность.

Таким образом, солнечная система, это прежде всего Солнце и девять больших планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Кроме больших планет со спутниками, вокруг Солнца обращаются малые планеты (астероиды), которых в настоящее время известно более 6000 и еще большее число комет.

Возраст образования Солнечной системы около 4.5 – 5 млрд. лет тому назад.

Используя гипотезы образования Солнечной системы ученых в ХVII в., гипотезы 40г. ХХ века современные ученые позволили составить общую картину формирования Солнечной системы, которая образовалась в результате длительной эволюции огромного холодного газопылевого облака.

Когда Солнце «включилось», оно оттолкнуло остатки облака, оставив новорожденную Солнечную систему, состоящей из группы небольших теплых внутренних планет вблизи Солнца, несколько больших холодных внешних планет, маленьких ледяных комет на дальних границах, а также множество крошечных обломков. Все это случилось довольно быстро, по космическим меркам.

Подсчитано, что прошло не больше 100 миллионов лет со времени, когда облако начало сжиматься, до момента, когда зажглось Солнце.

В эту эпоху образования планет Солнце было окружено облаком пыли, состоявшей из песчинок графита (как в карандаше) и кремния (тончайший песок), а также, возможно, оксидов железа, смерзшихся вместе с аммиаком, метаном и другими углеводородами. Столкновения этих песчинок привели к образованию камешков побольше, диаметром до нескольких сантиметров, рассеянных по колоссальному комплексу колец вокруг Солнца.

Вычисления, проделанные Голдрайхом, показали, что эти кольца были нестабильны из-за взаимного притяжения, и поэтому камешки на ранних стадиях объединились в большие тела типа астероидов, заполняющих пространство между Марсом и Юпитером и имеющих в диаметре несколько километров. В свою очередь нестабильной оказалась и система астероидов. Большие массы объединились в группы, которые наконец коллапсировали, образуя планеты.

Вначале Солнечная система состояла из планет и множества астероидов, еще не объединенных вместе и распределенных по очень сложным орбитам. Три миллиарда лет назад падение астероида на планету должно было быть явлением довольно частым; те небесные тела Солнечной системы, которые практически лишены атмосферы (как Луна, Марс и Меркурий), до сих пор несут на себе следы этих ужасных бомбардировок. На Земле воздействие атмосферы уничтожило следы таких событий, и только недавно образованные кратеры еще видны (один такой кратер имеется в штате Аризона).

Наиболее близкие к Солнцу планеты сформировались в более горячей области, нежели дальние планеты; более того, вскоре после своего рождения Солнце пережило период большой активности, когда его масса, уносимая горячим солнечным ветром, уменьшалась с огромной скоростью (всего за несколько миллионов лет масса Солнца уменьшилась вдвое).

Речь здесь идет о «стадии Тельца», получившей название по имени звезды, видимой в созвездии Тельца. Раскаленное дыхание Солнца очищало межпланетное пространство от газов и остаточной пыли, перемешал их в сторону внешнего пространства. Действительно, них планет (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) и теперь встречаются в изобилии различные элементы, в то время как около внутренних каменистых планет их сравнительно мало. А вот иного мнения насчет происхождения комет до сих пор пет. Я рассмотрел в общих чертах процесс рождения Солнечной системы. Можно надеяться, что непрерывно поступающие новые экспериментальные данные и прогресс в теории дадут ответ на некоторые еще не ясные вопросы. На это, возможно, потребуется несколько десятков лет.

Астрономия: Учебник для 11 класса, - М.: Дрофа, 2004.

Горелов А.А. Концепции Современного естествознания. - М. 1997

Допаев М.М. Наблюдения звездного неба. – М.: Наука, 1978.

Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. Учебник под ред. акад. М. Ф. Жукова. 2-ое издание.- М.: ИВЦ "Маркетинг"; Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА» 2000;

Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной. - М., 1975.

Куликовский П.Г. Справочник любителя астрономии. - М.: Наука. 1988.

Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. - Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004. - (в пер.).

Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. - М., 1979.

Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. - М. 1997

Хокинг С. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр. - М.: Питер. 2002.

Хорошеева Е.В. Концепции современного естествознания. - М. 1999

Энциклопедический словарь юного астронома, - М.: Педагогика, 1980.

Гелий был открыт на Солнце (об этом говорит его название), причем ранее, чем на Земле.

Образование планет и планетарных систем - набор процессов формирования и эволюции отдельных планет и планетарных систем.

Полной ясности в том, какие процессы идут при формировании планет и какие из них доминируют, до сих пор нет. Обобщая наблюдательные данные, можно утверждать лишь то, что :

Они образуются ещё до момента рассеяния протопланетного диска .
Значительную роль в формировании играет аккреция .
Обогащение тяжелыми химическими элементами идет за счет планетезималей .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Жизнь планетных систем; экзопланеты (рассказывает астроном Валерий Шематович)

✪ Образование звёзд и планетных систем

✪ Планета Венера (рассказывает астроном Леонид Ксанфомалити и др.)

✪ Попов Сергей - Лекция "Формирование Солнечной и других систем ч.1"

✪ Попов Сергей - Лекция "Формирование Солнечной и других систем ч.2"

Субтитры

Теории формирования

Отправная точка всех рассуждений о пути формирования планет - газопылевой (протопланетный) диск вокруг формирующейся звезды. Сценариев, как из него получились планеты, существует два типа :

Доминирующий на данный момент - аккреционный. Предполагает формирования из первоначальных планетозималей.
Второй полагает, что планеты сформировались из первоначальных «сгущений», впоследствии сколлапсировавших.

Окончательно формирование планеты прекращается, когда в молодой звезде зажигаются ядерные реакции и она рассеивает протопланетный диск, за счет давления солнечного ветра, эффекта Пойнтинга - Робертсона и прочих .

Аккреционный сценарий

Вначале из пыли образуются первые планетозимали. Существует две гипотезы как это происходит:

Одна утверждает, что они растут из-за парного столкновения очень маленьких тел.
Вторая, что планетозимали формируются в ходе гравитационного коллапса в средней части протопланетного газопылевого диска.

По мере роста возникают доминирующие планетозимали, которые впоследствии станут протопланетами. Расчет темпов их роста довольно разнообразен. Однако базой для них служат уравнение Сафронова:

D M d t = π R 2 F G Σ p G M ∗ a 3 {\displaystyle {\frac {dM}{dt}}=\pi R^{2}F_{G}\Sigma _{p}{\sqrt {\frac {GM_{*}}{a^{3}}}}} ,

где R - размер тела, a - радиус его орбиты, M * - масса звезды, Σ p - поверхностная плотность планетозимальной области, а F G - так называемый параметр фокусировки, ключевой в данном уравнении, для различных ситуаций он определяется по-своему. Расти такие тела могут не до бесконечности, а ровно до того момента пока есть небольшие планетозимали в их окрестностях, пограничная масса (так называемой массой изоляции) при этом получается:

M = M (4 π a 3 Σ p) 3 2 3 M ∗ {\displaystyle M={\frac {{\sqrt {M}}(4\pi a^{3}\Sigma _{p})^{\frac {3}{2}}}{3M_{*}}}}

В типичных условиях она варьирует от 0,01 до 0,1 M ⊕ - это уже является протопланетой. Дальнейшее развитие протопланеты может следовать по следующим сценариям, один из которых приводит к образованию планет с твердой поверхностью, другой - к газовым гигантам.

В первом случае, тела с изолированной массой тем или иным образом увеличивают эксцентриситет и их орбиты пересекаются. В ходе череды поглощений более мелких протопланет образуются планеты подобные Земле.

Планета-гигант может образоваться если вокруг протопланеты останется много газа из протопланетного диска. Тогда в роли ведущего процесса дальнейшего приращения массы начинает выступать аккреция. Полная система уравнений описывающий данный процесс:

D r d m = 1 4 π ρ r 2 {\displaystyle {\frac {dr}{dm}}={\frac {1}{4\pi \rho r^{2}}}} (1)

D P d m = − G (m + M c o r e) 4 π r 4 {\displaystyle {\frac {dP}{dm}}=-{\frac {G(m+M_{core})}{4\pi r^{4}}}} (2)

D L d m = ϵ − T ∂ S ∂ t {\displaystyle {\frac {dL}{dm}}=\epsilon -T{\frac {\partial S}{\partial t}}} (3)

D P d T = P (T) {\displaystyle {\frac {dP}{dT}}=P(T)}

Смысл выписанных уравнений следующий (1) - предполагается сферическая симметрия и однородность протопланеты, (2) предполагается, что имеет место гидростатическое равновесие, (3) Нагрев идет при столкновении с планетозималями, а охлаждение происходит только за счет излучения. (4) - уравнения состояние газа.

Рост ядра будущей планеты-гиганта продолжается до M~10 ⊕ Примерно на этом этапе гидростатическое равновесие нарушается. С этого момента весь аккрецирующий газ уходит на формирование атмосферы планеты-гиганта.

Трудности аккреционного сценария

Первые же трудности возникают в механизмах формирования планетозималей. Общей проблемой для обеих гипотез является проблема «метрового барьера»: любое тело в газовом диске постепенно сокращает радиус своей орбиты, и на определенном расстоянии просто сгорит. Для тел размером порядка одного метра, скорость подобного дрейфа наибольшая, а характерное время гораздо меньше необходимого, чтобы планетозималь значительно увеличила свой размер .

Кроме того, в гипотезе слияния метровые планетозимали при столкновении скорее разрушатся на многочисленные мелкие части, нежели образуют единое тело.

Для гипотезы формирования планетозималей в ходе фрагментации диска, классической проблемой была турбулентность. Однако, возможное её решение, а заодно и проблемы метрового барьера, было получено в недавних работах. Если в ранних попытках решений основной проблемой являлась турбулентность, то в новом подходе этой проблемы нет как таковой. Турбулентность может сгруппировать плотные твёрдые частицы, а вместе с потоковой неустойчивостью возможно образование гравитационно-связанного кластера, за время гораздо меньшее, чем время дрейфа к звезде метровых планетозималей.

Вторая проблема - это сам механизм роста массы:

Сценарий гравитационного коллапса

Как и в любом самогравитирующем объекте, в протопланетном диске могут развиваться нестабильности. Впервые эту возможность рассмотрел Тумре (Toomre) в 1981 году . Оказалось, что диск начинает распадаться на отдельные кольца если

Q = c s k π G Σ < 1 {\displaystyle Q={\frac {c_{s}k}{\pi G\Sigma }}<1}

где c s - скорость звука в протопланетном диске, k - эпициклическая частота.

Сегодня параметр Q носит название «параметр Тумре», а сам сценарий называется неустойчивостью Тумре. Время, за которое диск будет разрушен, сравнимо со временем охлаждения диска и высчитывается сходным образом со временем Гельмгольца для звезды.

Трудности сценария гравитационного коллапса

Требуется сверхмассивный протопланетный диск.

Экзопланеты в двойных системах

Из более чем 800 ныне известных экзопланет число обращающихся вокруг одиночных звезд значительно превышает число планет найденных в звездных системах разной кратности. По последним данным последних насчитывается 64 .

Экзопланеты в двойных системах принято разделять по конфигурациям их орбит :

Экзопланеты S-класса обращаются вокруг одного из компонентов. Таковых 57.
К P-классу относят обращающихся вокруг обоих компонентов. Таковые обнаружены у NN Ser, DP Leo, HU Aqr, UZ For, Kepler-16 (AB)b, Kepler-34 (AB)b, and Kepler-35 (AB)b.

Если попытаться провести статистику, то выяснится :

Значительная часть планет обитают в системах, где компоненты разделены в пределах от 35 до 100 а.е. , концентрируясь вокруг значения в 20 а.е.
Планеты в широких системах (> 100 а.е.) имеют массу от от 0.01 до 10 M J (почти как и для одиночных звезд), в то время как массы планет для систем с меньшим разделением лежат от 0.1 до 10 M J
Планеты в широких системах всегда одиночные
Распределение эксцентриситетов орбиты отличается от одиночных, достигая значений e = 0.925 и e = 0.935.

Важные особенности процессов формирования

Обрезание протопланетного диска. В то время как у одиночных звезд протопланетный диск может тянуться вплоть до пояса Койпера (30-50 а.е.), то в двойных звезд его размер обрезается воздействием второго компонента. Таким образом протяженность протопланетного диска в 2-5 раз меньше расстояния между компонентами.

Искривление протопланетного диска. Оставшийся после обрезания диск продолжает испытывать влияние второго компонента и начинает вытягиваться, деформироваться, сплетаться и даже разрываться. Также такой диск начинает прецессировать.

Сокращение времени жизни протопланетного диска Для широких двойных систем, как и для одиночных, время жизни протопланетного диска составляет 1-10 млн лет. Однако для систем с расстоянием между компонентами менее 40 а.е. время жизни протопланетного диска составляет 0.1-1 млн лет.

Планетозимальный сценарий образования

Несовместные сценарии образования

Существуют сценарии в которых изначальная, сразу после формирования, конфигурация планетной системы отличается от текущей и была достигнута в ходе дальнейшей эволюции.

Один из таких сценариев - захват планеты у другой звезды. Так как двойная звезда имеет гораздо больше сечения взаимодействия, то и вероятность столкновения и захват планеты у другой звезды существенно выше.
Второй сценарий предполагает, что в ходе эволюции одного из компонентов, уже на стадиях после главной последовательности в изначальной планетарной системе возникают нестабильности. В результате которых планета покидает изначальную орбиту и становится общей для обоих компонент.

Экзопланеты в звездных скоплениях

Возможно существование планет, принадлежащих или обращающихся вокруг звездных скоплений.

Образование планет

Итак, согласно наиболее распространенной гипотезе, планеты и Солнце образовались из единой "солнечной" туманности. Сторонниками этой гипотезы были Хойл, И. Шкловский и др. Эта гипотеза, по сути, развивает классическую космогоническую традицию и связана с фундаментальной проблемой происхождения звезд из межзвездной газово-пылевой среды. По поводу же деталей прохождения этого процесса единого мнения нет.

Согласно одним ученым, планеты произошли после образования Солнца. Солнце же было окружено обширным облаком пыли, состоявшей из песчинок графита (как в карандаше) и кремния (тончайший песок), а также, возможно, окислов железа, смерзшихся вместе с аммиаком, метаном и другими углеводородами. Столкновения этих песчинок привели к образованию камешков побольше, диаметром до нескольких сантиметров, рассеянных по колоссальному комплексу колец вокруг Солнца.

Вычисления, проделанные Голдрайхом, показали, что эти кольца были нестабильны из-за взаимного притяжения, и поэтому камешки на ранних стадиях объединились в большие тела типа астероидов, заполняющих пространство между Марсом и Юпитером и имеющих в диаметре несколько километров. В свою очередь нестабильной оказалась и система астероидов. Большие массы объединились в группы, которые, наконец, коллапсировали, образуя планеты.

Поэтому вначале Солнечная система состояла из планет и множества астероидов, еще не объединенных вместе и распределенных по очень сложным орбитам. Три миллиарда лет назад падение астероида на планету должно было быть явлением довольно частым; те небесные тела Солнечной системы, которые практически лишены атмосферы (как Луна, Марс и Меркурий), до сих пор несут на себе следы этих ужасных бомбардировок. На Земле воздействие атмосферы уничтожило следы таких событий, и только недавно образованные кратеры еще видны (один такой кратер имеется в штате Аризона) [Приложение 1. Рис.10].

Речь здесь идет о "стадии Тельца", получившей название по имени звезды, видимой в созвездии Тельца. Раскаленное дыхание Солнца очищало межпланетное пространство от газов и остаточной пыли, перемещая их в сторону внешнего пространства. Действительно, около дальних планет (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) и теперь встречаются в изобилии различные элементы, в то время как около внутренних каменистых планет их сравнительно мало. А вот единого мнения насчет происхождения комет до сих пор нет .

Согласно другим ученым (Камерон, И. Шкловский), образование протопланет предшествует образованию протосолнца. Процесс этот имеет следующий вид: образовавшийся из "солнечной туманности" диск обладает, как уже говорилось, неустойчивостью, которая еще в ранней стадии эволюции диска, когда еще не сформировалось центральное тело (будущее Солнце), приводит к образованию нескольких (2-3) газовых колец, которые довольно скоро превращаются в гигантские газовые протопланеты. "Образование таких протопланет в ситуации, когда протосолнце еще не образовалось, имело весьма существенное значение для дальнейшей эволюции Солнечной системы. В частности, этот вариант гипотезы "солнечной туманности", по-видимому, решает классическую проблему распределения вращательного момента Солнечной системы" .

Большим достоинством этого варианта гипотезы "солнечной туманности" является естественное объяснение происхождения загадочных стекловидных включений, давно наблюдаемых у ряда меторитов - так называемых "хондр", местом образования которых могут лишь быть недра гигантских газовых протопланет.

Помимо перечисленных, существует гипотеза о "гравитационном захвате" комет солнечной системой. Ее придерживался О.Ю. Шмидт, в 1952 г. возможность частичного захвата обосновал математик К.А. Ситников, а в 1956 г. - В.М. Алексеев - обмена. Но оставался открытым главный вопрос: возможен ли полный захват. В 1968 г.В.М. Алексеев, основываясь на идеях академика А.Н. Колмогорова, построил точный пример полного захвата, доказав полную возможность этого явления. Придерживается этой точки зрения и некоторые и современные ученые . Однако был ли на деле реально осуществлен захват кометы Солнечной системы - пока вопрос открытый. Скорее всего, в образовании планетного ряда Солнечной системы участвовали многие факторы: от захвата (например, Луны) до образования из метеоритной пыли.

На сегодняшний момент Солнечная система состоит из 9 планет: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона [Приложение 1. Рис. 1]. Все планеты движутся в одном направлении, в единой плоскости (за исключением Плутона), по почти круговым орбитам. От центра до окраины Солнечной системы (до Плутона) 5,5 световых часов. Расстояние от Солнца до Земли 149 млн. км, что составляет 107 его диаметров.

Они образуются ещё до момента рассеяния протопланетного диска .
Значительную роль в формировании играет аккреция .
Обогащение тяжёлыми химическими элементами идёт за счёт планетезималей .

Теории формирования

Доминирующий на данный момент - аккреционный. Предполагает формирования из первоначальных планетозималей.
Второй полагает, что планеты сформировались из первоначальных «сгущений», впоследствии сколлапсировавших.

Окончательно формирование планеты прекращается, когда в молодой звезде зажигаются ядерные реакции и она рассеивает протопланетный диск, за счёт давления солнечного ветра, эффекта Пойнтинга - Робертсона и прочих .

Аккреционный сценарий

Вначале из пыли образуются первые планетозимали. Существует две гипотезы как это происходит:

Одна утверждает, что они растут из-за парного столкновения очень маленьких тел.
Вторая, что планетозимали формируются в ходе гравитационного коллапса в средней части протопланетного газопылевого диска.

По мере роста возникают доминирующие планетозимали, которые впоследствии станут протопланетами. Расчёт темпов их роста довольно разнообразен. Однако базой для них служат уравнение Сафронова:

D M d t = π R 2 F G Σ p G M ∗ a 3 {\displaystyle {\frac {dM}{dt}}=\pi R^{2}F_{G}\Sigma _{p}{\sqrt {\frac {GM_{*}}{a^{3}}}}} ,

M = M (4 π a 3 Σ p) 3 2 3 M ∗ {\displaystyle M={\frac {{\sqrt {M}}(4\pi a^{3}\Sigma _{p})^{\frac {3}{2}}}{3M_{*}}}}

В типичных условиях она варьирует от 0,01 до 0,1 M ⊕ - это уже является протопланетой. Дальнейшее развитие протопланеты может следовать по следующим сценариям, один из которых приводит к образованию планет с твёрдой поверхностью, другой - к газовым гигантам.

D r d m = 1 4 π ρ r 2 {\displaystyle {\frac {dr}{dm}}={\frac {1}{4\pi \rho r^{2}}}} (1)

D P d m = − G (m + M c o r e) 4 π r 4 {\displaystyle {\frac {dP}{dm}}=-{\frac {G(m+M_{core})}{4\pi r^{4}}}} (2)

D L d m = ϵ − T ∂ S ∂ t {\displaystyle {\frac {dL}{dm}}=\epsilon -T{\frac {\partial S}{\partial t}}} (3)

D P d T = P (T) {\displaystyle {\frac {dP}{dT}}=P(T)}

Смысл выписанных уравнений следующий (1) - предполагается сферическая симметрия и однородность протопланеты, (2) предполагается, что имеет место гидростатическое равновесие, (3) Нагрев идёт при столкновении с планетозималями, а охлаждение происходит только за счёт излучения. (4) - уравнения состояние газа.

Трудности аккреционного сценария

Первые же трудности возникают в механизмах формирования планетозималей. Общей проблемой для обеих гипотез является проблема «метрового барьера»: любое тело в газовом диске постепенно сокращает радиус своей орбиты, и на определённом расстоянии просто сгорит. Для тел размером порядка одного метра, скорость подобного дрейфа наибольшая, а характерное время гораздо меньше необходимого, чтобы планетозималь значительно увеличила свой размер .

Вторая проблема - это сам механизм роста массы:

Сценарий гравитационного коллапса

Q = c s k π G Σ < 1 {\displaystyle Q={\frac {c_{s}k}{\pi G\Sigma }}<1}

где c s - скорость звука в протопланетном диске, k - эпициклическая частота.

Трудности сценария гравитационного коллапса

Требуется сверхмассивный протопланетный диск.

Экзопланеты в двойных системах

Из более чем 800 ныне известных экзопланет число обращающихся вокруг одиночных звёзд значительно превышает число планет найденных в звёздных системах разной кратности. По последним данным последних насчитывается 64 .

Экзопланеты в двойных системах принято разделять по конфигурациям их орбит :

Экзопланеты S-класса обращаются вокруг одного из компонентов. Таковых 57.
К P-классу относят обращающихся вокруг обоих компонентов. Таковые обнаружены у NN Ser, DP Leo, HU Aqr, UZ For, Kepler-16 (AB)b, Kepler-34 (AB)b, and Kepler-35 (AB)b.

Если попытаться провести статистику, то выяснится :

Значительная часть планет обитают в системах, где компоненты разделены в пределах от 35 до 100 а. е. , концентрируясь вокруг значения в 20 а. е.
Планеты в широких системах (> 100 а. е.) имеют массу от от 0.01 до 10 M J (почти как и для одиночных звёзд), в то время как массы планет для систем с меньшим разделением лежат от 0.1 до 10 M J
Планеты в широких системах всегда одиночные
Распределение эксцентриситетов орбиты отличается от одиночных, достигая значений e = 0.925 и e = 0.935.

Важные особенности процессов формирования

Обрезание протопланетного диска. В то время как у одиночных звёзд протопланетный диск может тянуться вплоть до пояса Койпера (30-50 а. е.), то в двойных звезд его размер обрезается воздействием второго компонента. Таким образом протяжённость протопланетного диска в 2-5 раз меньше расстояния между компонентами.

Сокращение времени жизни протопланетного диска Для широких двойных систем, как и для одиночных, время жизни протопланетного диска составляет 1-10 млн лет. Однако для систем с расстоянием между компонентами менее 40 а. е. время жизни протопланетного диска составляет 0.1-1 млн лет.

Планетозимальный сценарий образования

Несовместные сценарии образования

Один из таких сценариев - захват планеты у другой звезды. Так как двойная звезда имеет гораздо больше сечения взаимодействия, то и вероятность столкновения и захват планеты у другой звезды существенно выше.
Второй сценарий предполагает, что в ходе эволюции одного из компонентов, уже на стадиях после главной последовательности в изначальной планетарной системе возникают нестабильности. В результате которых планета покидает изначальную орбиту и становится общей для обоих компонент.

Планеты солнечной системы образовались из обрывком туманностей, которые оторвались от центрального сгустка под действием центробежных сил. Именно здесь создаются условия, способствующие разделению легких и тяжелых частиц туманности. Происходит нечто похожее на наш древний способ добычи золота промывкой из золотоносного песка или на просеивание зерна в молотилках. Струя воды или воздуха уносит легкие частицы, оставляя тяжелые. Облака-спутники находятся на очень разных расстояниях от Солнца. Далекие планеты оно почти не греет. Зато в близких планетах - его жар испаряет все способное испариться. А его ослепительный ярчайший свет, работая как своеобразный "ветер", выдувает из них все испарившееся, вообще все легкое, оставляя лишь то, что тяжелее, что "не сдвинешь с места". По этой причине здесь почти не остается легких газов - водорода и гелия, основной составляющей газопылевой туманности. Мало остается и других "летучих" веществ. Все это уносится горячим "ветром" вдаль. В результате через неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ время химический состав облаков-спутников становится совершенно разным. В далеких планетах - он почти не изменился. А в тех, что кружатся вблизи источающего жар и свет Солнца, остался лишь "прокаленный" и "обдутый" материал - выделенная "драгоценная жизненно важная примесь" тяжелых элементов. Материал для создания обитаемой планеты готов. Начинается процесс превращения "материала" в "изделие", частиц туманности - в планеты.

В далеких облаках-спутниках много численные молекулы легких газов и редкие легкие пылинки понемногу собираются в огромные рыхлые шары малой плотности. В дальнейшем это планеты группы Юпитера. В облаках-спутниках, близких к Солнцу, тяжелые пылинки слипаются в плотные каменистые комки. Οʜᴎ объединяются в огромные массивные скалистые глыбы, чудовищными серыми угловатыми громадами плывущие по орбитам вокруг своей звезды. Двигаясь по разным, иногда пересекающимся орбитам, эти "астероиды", размером в десятки километров каждый, сталкиваются. В случае если на небольшой относительной скорости, то как бы "вдавливаются" один в другой, "нагромождаются", "налипают" один на другой. Объединяются в более крупные. В случае если на большой скорости, то мнут, крошат друг друга, порождая новую "мелочь", бесчисленные обломки, осколки, которые вновь проходят долгий путь объединения. Сотни миллионов лет идет данный процесс слияния мелких частиц в крупные небесные тела. По мере увеличения своих размеров они становятся все более шарообразными. Растет масса - возрастает сила тяжести на их поверхности. Верхние слои давят на внутренние слои. Выступающие части оказываются грузом более тяжелым и постепенно погружаются в толщу нижележащих масс, раздвигая их под собой. Те, отходя в стороны, заполняют собой впадины. Грубый "ком" постепенно сглаживается. В результате вблизи Солнца образуются несколько сравнительно небольших по размеру, но очень плотных, состоящих из очень тяжелого материала, планет земной группы. Среди них - Земля. Все они резко отличаются от планет группы Юпитера богатством химического состава, обилием тяжелых элементов, большим удельным весом. Теперь посмотрим на Землю. На звездном фоне, освещенный с одной стороны яркими солнечными лучами, плывет перед нами огромный каменный шар.
Размещено на реф.рф
Он ещё не гладкий не ровный. Ещё торчат кое-где выступы слепивших его глыб. Еще "читаются" не полностью заплывшие "швы" между ними. Пока это еще "грубая работа". Но вот что интересно. Уже есть атмосфера. Чуть мутная, очевидно, от пыли, но без облаков. Это выдавленные из недр планеты водород и гелий, которые в свое время прилипли к каменистым частицам и каким-то чудом уцелели, не были "сдуты" солнечными лучами. Первичная атмосфера Земли. Долго она не продержится. "Не мытьем, так катаньем" Солнце уничтожит её. Легкие подвижные молекулы водорода и гелия под действием нагрева солнечными лучами будут постепенно улетучиваться в космос. Этот процесс принято называть "диссипацией".

Внутри планеты, в смеси с другими оказываются зажатыми, "запертыми" радиоактивные вещества. Οʜᴎ отличаются тем, что непрерывно выделяют тепло, чуть заметно нагреваются. Но в толще планеты этому теплу некуда выйти, нет вентиляции, нет омывающей влаги. Над ними - мощная "шуба" из вышележащих слоев. Тепло накапливается. От этого радиоактивного разогрева начинается размягчение всей толщи планеты. В размягченном виде вещества, в свое время хаотично, бессистемно слепившие её, начинают теперь распределятся по весу. Тяжелые постепенно опускаются, тонут к центру. Легкие выдавливаются ими, поднимаются выше, всплывают все ближе к поверхности. Постепенно планета приобретает строение, подобное теперешней нашей Земле, - в центре, сжатой чудовищным весом навалившихся сверху слоев, тяжелое ядро. Оно окружено "мантией" - толстым слоем вещества легче весом. И наконец, снаружи совсем тонкая, толщиной всего в несколько десятков километров, "кора", состоящая из наиболее легких горных пород. Радиоактивные вещества в основном содержатся в легких породах. По этой причине теперь они скопились в "коре", греют её. Основное тепло с поверхности планеты уходит в космос, - от планеты "чуть повеяло теплом". А на глубине десятков километров тепло сохраняется, разогревая горные породы.

В некоторых местах недра планеты накаляются докрасна. Потом даже больше. Камни плавятся, превращаются в раскаленную, светящуюся оранжево-белым светом огненную кашу- "магму". В толще коры ей тесно. В ней полно сжатых газов, которые готовы были бы взорвать, разбросать всю эту магму во все стороны огненными брызгами. Но сил для этого не хватает. Слишком крепка и тяжела окружающая и придавившая сверху кора планеты. И огненная магма, пытаясь хоть как-нибудь вырваться наверх, на свободу, нащупывает между сжимающими её глыбами слабые места͵ протискивается в щели, расплавляя их стенки своим жаром. И понемногу с годами, столетиями набирая силу, поднимается из глубин поверхности планеты. И вот победа! "Канал" пробит! Сотрясая скалы, с грохотом вырывается из недр столб огня. Клубы дыма и пара вздымаются к небу. Летят вверх камни и пепел. Огненная магма, которая принято называть теперь "лава", выливается на поверхности планеты, растекается в стороны. Происходит извержение вулкана. Таких "пробитых изнутри дырок" на планете много. Οʜᴎ помогают молодой планете "бороться с перегревом". Через них она освобождается от накопившейся огненной магмы, "выдыхает" распирающие её горячие газы - в основном углекислый газ и водяной пар, а с ними - разные примеси, такие, как метан, аммиак. Постепенно в атмосфере почти исчезли водород и гелий, и она стала состоять в основном из вулканических газов. Кислорода в ней пока нет и в помине. Для жизни эта атмосфера совершенно непригодна. Очень важно, что вулканы выбрасывают на поверхность большое количество водяного пара. Он собирается в облака. Из них на поверхность планеты льются дожди. Вода стекает в низины, накапливается. И понемногу на планете образуются озера, моря, океаны, в которых может развиться жизнь.

На земле совпало несколько благоприятных для жизни обстоятельств. Далеко не каждая звезда становится Солнцем, окруженным планетами. Стоило туманности медленнее вращаться, не возникла бы центробежная сила, не оторвались бы клочки от центрального сгустка, не возникли бы планеты. И плыла бы такая одинокая "бездетная" звезда в чёрной бездне, бесплодно расточая своё тепло и свет... Далеко не всякая звезда, породившая планеты, способна создать на них условия, пригодные для зарождения жизни. Для зарождения и развития жизни нужно очень много времени, миллиарды лет. Всё это время звезда должно гореть ровно, спокойно, одинаково. Тогда условия на планете будут постоянными - и жизнь сможет к ним приспособиться. А ведь звезды далеко не такие не все такие спокойные, как наше Солнце. Молодые звезды иногда вспыхивают. Волна испепеляющего жара обрушивается на окружающие планеты, сжигая, испаряя все, что способно гореть и кипеть. Жизнь на планете после такого огненного урагана, безусловно, погибнет, и на пустом голом шаре нужно будет начинать все сначала.

Образование планет - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Образование планет" 2017, 2018.