Современные представления о происхождении Вселенной, Солнечной системы и планеты Земля
 Скачать 43.74 Kb.
|
3 млрд. лет назад). Первые одноклеточные организмы, способные к фотосинтезу, возникли около 2,7 млрд. лет назад, а первые многоклеточные животные - не менее чем на 1-1,5 млрд. лет позже. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» Кафедра геологии и разведки нефтяных и газовых месторождений РЕФЕРАТ по дисциплине «Введение в геологию» на тему: «Современные представления о происхождении Вселенной, Солнечной системы и планеты Земля» Выполнила: студентка группы БГЛ-16-01 Воронкова Любовь Проверила: старший преподаватель Аюпова Елена Николаевна Уфа 2016 ОГЛАВЛЕНИЕ стр. Введение………………………………………………………………………......3 Глава I. Современные представления о Вселенной……………………….........5 1.1 Современные представления теории Большого взрыва и теории горячей Вселенной.................................................................................................................5 1.2 Современные гипотезы о происхождении Вселенной...................................7 Глава II. Современные представления о Солнечной системе………….…......10 2.1 Формирование Солнечной системы..............................................................10 2.2 Эволюция Солнечной Системы.....................................................................12 2.2.1 Планеты земного типа……………………………………………………..12 2.2.2 Пояс астероидов……………………………………………………………13 2.2.3 Планетная миграция……………………………………………………….15 2.2.4 Поздняя тяжёлая бомбардировка…………………………………………17 2.2.5 Формирование спутников…………………………………………………17 Глава III. Современные представления о планете Земля……………………..19 3.1Формирование планеты Земля…………………………………………...….19 3.2 Основные этапы геологической истории: эволюция литосферы, атмосферы, гидросферы и биосферы ………………………………………….21 3.2.1 Эволюция литосферы………………………………………………….…..21 3.2.2 Эволюция атмосферы……………………………………………………...22 3.2.3 Эволюция гидросферы………………………………………………...…..23 3.2.4 Эволюция биосферы……………………………………………………….24 Заключение……………………….………………………………………………26 Список использованной литературы…………………………………………...27 ВВЕДЕНИЕ Образование Вселенной, Солнечной Системы и Земли является одним из фундаментальных вопросов естествознания. На протяжении многих веков вопрос о происхождении Земли оставался монополией философов, так как фактический материал в этой области почти полностью отсутствовал. Джордано Бруно в ХVI веке был первым, высказавшим мысль о том, что многие звезды, как и Солнце, окружены планетами и эти системы то возникают, то умирают. Первые научные гипотезы относительно происхождения Земли и солнечной системы, основанные на астрономических наблюдениях, были выдвинуты только лишь в XVIII веке. С тех пор не переставали появляться все новые и новые теории, соответственно росту космогонических представлений. Вторая половина ХХ в. ознаменовалась бесспорными достижениями в изучении не только Земли, но и всех планет Солнечной системы. Решающими факторами были успехи в технике и технологиях. Человечество впервые за свою историю сумело взглянуть на Землю со стороны, побывать на Луне, получить детальные изображения всех планет, сфотографировать астероиды, изучить метеориты и обосновать их принадлежность к некоторым планетам, например, к Марсу. Благодаря изобретению эхолота и спутниковых наблюдений исследователи составили полное представление о рельефе океанского дна. Глубокое бурение на суше и глубоководное в океанах и морях позволило составить представление о строении осадочных океанских толщ и пройти на Балтийском щите поверхность Конрада. Погружение в глубины океанов и озер, в частности, Байкала, привело к открытию века – обнаружению «работающих фабрик» руды, т.н. черных курильщиков. Палеомагнитология дала нам возможность реконструировать движение материковых плит и доказать разрастание океанического дна. Детальное изучение осадочного чехла океанов привело к совершенно новому представлению об осадконакоплении, особенно биогенному. Изобретение микрозондов и других приборов для точной диагностики минералов и их химического и изотопного составов открыло невиданные возможности в петрологии. Новые сейсмические методы МОВ ОГТ (метод отраженных волн общей глубинной точки), НСП (непрерывное сейсмическое профилирование, ГСЗ (глубинное сейсмическое зондирование) позволили с большей детальностью изучить многие регионы Мира, особенно структуру верхней части земной коры и, в целом, всю кору. Были открыты многочисленные метеоритные кратеры, проведены эксперименты при высоких температурах и давлениях, что позволило лучше понимать фазовые переходы минералов в глубинах Земли. Усовершенствование техники, применение аэро- и космических фотоснимков, изобретение компьютеров, дало в руки геологов мощный механизм для качественного и быстрого составления геологических и других карт. На земном шаре уже нет белых пятен. Наконец, в 60-х годах ХХ в. была создана новая научная парадигма – теория тектоники литосферных плит, первая глобальная геологическая теория, позволившая не только объяснить современные геологические процессы, но и обладающая предсказательной функцией. Создание суперкомпьютеров привело к возникновению томографической сейсмологии, с помощью которой мы впервые стали понимать, как сложно построена мантия Земли, научившись выделять в ней области с пониженными и повышенными скоростями сейсмических волн по сравнению со стандартными моделями Земли. Благодаря применению всех новых методов и технологий были открыты сотни крупнейших месторождений полезных ископаемых, особенно нефти и газа – основы современной промышленности. Огромных успехов достигла и теоретическая геология, начиная от гипотез образования Земли и планет и, кончая, историей эволюции Земли и органического мира. Тщательные научные исследования дали информацию о происхождении Вселенной, Солнечной системы и планеты Земля. Именно это и рассматривается в моём реферате. ГЛАВА I. Современные представления о Вселенной 1.1 Современные представления теории Большого взрыва и теории горячей Вселенной По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,77 ± 0,059 млрд лет назад из некоторого начального сингулярного состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с температурой примерно 1032 К (Планковская температура) и плотностью около 1093 г/см³ (Планковская плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам. Приблизительно через 10−35 секунд после наступления Планковской эпохи (Планковское время — 10−43 секунд после Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии некоторого времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение. Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии). После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения. 1.2 Современные гипотезы о происхождении Вселенной Как было сказано выше, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,77 ± 0,059 миллиарда лет назад из некоторого начального сингулярного состояния с гигантскими температурой и плотностью. В последнее время ученым удалось определить, что скорость расширения Вселенной, начиная с определённого момента в прошлом, постоянно увеличивается, что уточняет некоторые концепции теории Большого взрыва. Современная стандартная модель развития Вселенной в физической космологии (Лямбда-CDM модель) учитывает эти модификации. Согласно общепринятой точке зрения, микроволновое фоновое излучение дает нам информацию о той эпохе, когда возраст Вселенной насчитывал примерно 700 000 лет, чему соответствует красное смещение около 1000. Самый далекий от нас квазар имеет смещение 3,6, т.е. наблюдаемый свет этого квазара был испущен им, когда возраст Вселенной составлял чуть меньше 2 млрд. лет. В промежутке времени от 700 000 до 2 млрд. лет во Вселенной должно было произойти многое, в том числе сформировались галактики. Тем не менее, последние данные, скорее всего, свидетельствует в пользу второй из двух упомянутых выше гипотез, согласно которой образование галактик предшествовало формированию скоплений и сверхскоплений. Успешное объяснение ряда явлений с помощью модели Большого взрыва привело к тому, что, как правило, не вызывает сомнения реальность происхождения микроволнового фонового излучения из расширяющегося первичного огненного шара в тот момент, когда вещество Вселенной стало прозрачным. Возможно, однако, что это слишком простое объяснение. В 1978 году, пытаясь найти обоснование для наблюдаемого соотношения фотонов и барионов (барионы - «тяжелые» элементарные частицы, к которым, в частности, относятся протоны и нейтроны), М. Рис высказал предположение, что фоновое излучение может быть результатом «эпидемии» образования массивных звезд, начавшейся сразу после отделения излучения от вещества и до того, как возраст Вселенной достиг 1 млрд. лет. Продолжительность жизни этих звезд не могла превышать 10 млн. лет; многим из них было суждено пройти стадию сверхновых и выбросить в пространство тяжелые химические элементы, которые частично собрались в крупицы твердого вещества, образовав облака межзвездной пыли. Эта пыль, нагретая излучением догалактических звезд, могла, в свою очередь, испускать инфракрасное излучение, которое в силу его красного смещения, вызванного расширением Вселенной, наблюдается сейчас как микроволновое фоновое излучение. Эта точка зрения не получила широкого признания, однако интересно отметить, что в 1979 году Д.П.Вуди и П.Л.Ричарде из Калифорнийского университета опубликовали результаты наблюдений, как будто указывающие на некоторые отклонения характеристик микроволнового фонового излучения от кривой излучения абсолютно чёрного тела: кривая фонового излучения выглядит «острее», чем ей следовало бы быть. Позднее в том же году М.Роуэн-Робинсон, Дж.Негропонте и Дж.Силк (Колледж королевы Марии, Лондон) указали, что «горб» на кривой микроволнового излучения, обнаруженный Вуди и Ричардсом, может быть объяснен излучением пылевых облаков, образовавшихся вслед за «эпидемией» массового формирования звезд, что соответствует гипотезе М. Риса. Пока рано говорить, выдержит ли эта новая идея последующий анализ, но если она соответствует истине, то это означает, что подавляющее количество всей массы Вселенной содержится в невидимых остатках звезд первичного, догалактического, поколения ив настоящее время может находиться в массивных темных гало, окружающих яркие галактики, которые мы наблюдаем сегодня. Согласно новой модели формирования Вселенной, предложенной астрофизиком Государственного университета Нью-Йорка Кеннетом Ланцеттой, на протяжении почти полумиллиарда лет после Большого Взрыва, формально считающегося моментом её рождения, всеёв мире было погружено во мрак. И "разорвал" этот мрак гигантский звездный "взрыв", в результате которого вселенная начала приобретать тот вид, который мы наблюдаем в наши дни. Эта теория полностью опровергает уже устоявшееся мнение о том, что формирование звезд шло постепенно после Большого Взрыва и достигло своего пика примерно 5 миллиардов лет назад. На основании анализа данных, полученного в результате наблюдений за зонами "глубокого космоса", Ланцетта сделал вывод о том, что процесс формирования звезд начался гораздо раньше Большого взрыва и проходил очень стремительно. Причем, чем процесс происходил тогда и происходит в настоящее время тем интенсивнее, чем ближе проходил у гипотетических "краев вселенной". "Таким образом, - подводит итоги своего исследования Ланцетта, - начальной фазой формирования вселенной стал чрезвычайно интенсивный процесс формирования звезд. И то, что для нас было следствием, теперь можно назвать первопричиной возникновения той вселенной, в рамках которой мы существуем". Остальные ученые пока осторожно относятся к этой гипотезе, предлагая проведение нескольких независимых исследований для ее подтверждения или опровержения. Однако, как отмечает директор департамента физики и астрономии NASA Энни Кинни, если эта гипотеза подтвердится, то всем нам придется кардинально пересматривать практически все теории, связанные с процессом формирования и существования вселенной. Согласно одной из альтернативных теорий (так называемой «бесконечно пульсирующей Вселенной»), мир никогда не возникал и никогда не исчезнет (или по-другому рождается и умирает бесконечное количество раз), но обладает периодичностью, при этом под сотворением мира понимается точка отсчета после которой мир строится заново (она же обозначает и конец мира). ГЛАВА II. Современные представления о Солнечной системе 2.1 Формирование Солнечной системы Небулярная гипотеза – гипотеза об образовании Солнечной системы из газопылевого облака – первоначально была предложена в XVIII веке Эммануилом Сведенборгом, Иммануилом Кантом и Пьером-Симоном Лапласом. В дальнейшем её развитие происходило с участием множества научных дисциплин, в том числе астрономии, физики, геологии и планетологии. С началом космической эры в 1950-х годах, а также с открытием в 1990-х годах планет за пределами Солнечной системы (экзопланет), эта модель подверглась многократным проверкам и улучшениям для объяснения новых данных и наблюдений. Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного газопылевого облака. В общих чертах, этот процесс можно описать следующим образом: 1) Спусковым механизмом гравитационного коллапса стало небольшое (спонтанное) уплотнение вещества газопылевого облака (возможными причинами чего могли стать как естественная динамика облака, так и прохождение сквозь вещество облака ударной волны от взрыва сверхновой, и др.), которое стало центром гравитационного притяжения для окружающего вещества — центром гравитационного коллапса. Облако уже содержало не только первичные водород и гелий, но и многочисленные тяжёлые элементы (Металличность), оставшиеся после звёзд предыдущих поколений. Кроме того, коллапсирующее облако обладало некоторым начальным угловым моментом. 2) В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшались и, в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Из-за вращения скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного диска. 3) Как следствие сжатия росла плотность и интенсивность столкновений друг с другом частиц вещества, в результате чего температура вещества непрерывно возрастала по мере сжатия. Наиболее сильно нагревались центральные области диска. 4) При достижении температуры в несколько тысяч кельвинов, центральная область диска начала светиться — сформировалась протозвезда. Вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре. Внешние же области диска оставались относительно холодными. За счёт гидродинамических неустойчивостей, в них стали развиваться отдельные уплотнения, ставшие локальными гравитационными центрами формирования планет из вещества протопланетного диска. 5) Когда температура в центре протозвезды достигла миллионов кельвинов, в центральной области началась реакция термоядерного синтеза гелия из водорода. Протозвезда превратилась в обычную звезду главной последовательности. Во внешней области диска крупные сгущения образовали планеты, вращающиеся вокруг центрального светила примерно в одной плоскости и в одном направлении. 2.2 Эволюция Солнечной Системы Раньше считалось, что все планеты сформировались приблизительно на тех орбитах, где находятся сейчас, однако в конце XX — начале XXI века эта точка зрения радикально изменилась. Сейчас считается, что на заре своего существования Солнечная система выглядела совсем не так, как она выглядит сейчас. По современным представлениям, внешняя Солнечная система была гораздо компактнее по размеру чем сейчас, пояс Койпера был гораздо ближе к Солнцу, а во внутренней Солнечной системе помимо доживших до настоящего времени небесных тел существовали и другие объекты, по размеру не меньшие чем Меркурий. 2.2.1 Планеты земного типа В конце эпохи формирования планет внутренняя Солнечная система была населена 50-100 протопланетами с размерами, варьирующимися от лунного до марсианского. Дальнейший рост размеров небесных тел был обусловлен столкновениями и слияниями этих протопланет между собой. Так, например, в результате одного из столкновений Меркурий лишился большей части своей мантии, в то время как в результате другого т. н. гигантского столкновения (возможно, с гипотетической планетой Тейя) был рождён спутник Земли Луна. Эта фаза столкновений продолжалась около 100 миллионов лет до тех пор, пока на орбитах не осталось 4 массивных небесных тела, известных сейчас. Одной из нерешённых проблем данной модели является тот факт, что она не может объяснить, как начальные орбиты протопланетных объектов, которые должны были обладать высоким эксцентриситетом, чтобы сталкиваться между собой, смогли в результате породить стабильные и близкие к круговым орбиты оставшихся четырёх планет. По одной из гипотез, эти планеты были сформированы в то время, когда межпланетное пространство ещё содержало значительное количество газо-пылевого материала, который за счёт трения снизил энергию планет и сделал их орбиты более гладкими. Однако этот же самый газ должен был предотвратить возникновение большой вытянутости в первоначальных орбитах протопланет. Другая гипотеза предполагает, что коррекция орбит внутренних планет произошла не за счёт взаимодействия с газом, а за счёт взаимодействия с оставшимися более мелкими телами системы. По мере прохождения крупных тел сквозь облако мелких объектов последние из-за гравитационного влияния стягивались в регионы с более высокой плотностью, и создавали таким образом «гравитационные гребни» на пути прохождения крупных планет. Увеличивающееся гравитационное влияние этих «гребней», согласно этой гипотезе, заставляло планеты замедляться и выходить на более округлую орбиту. 2.2.2 Пояс астероидов Внешняя граница внутренней Солнечной системы располагается между 2 и 4 а.е. от Солнца и представляет собой пояс астероидов. Выдвигались, но в итоге не были подтверждены гипотезы о существовании планеты между Марсом и Юпитером (например, гипотетической планеты Фаэтон), которая на ранних этапах формирования Солнечной системы разрушилась так, что её осколками стали астероиды, сформировавшие пояс астероидов. Согласно современным воззрениям, единой протопланеты-источника астероидов не было. Изначально астероидный пояс содержал достаточное количество материи, чтобы сформировать 2-3 планеты размером с Землю. Эта область содержала большое количество планетозималей, которые слипались между собой, образуя всё более крупные объекты. В результате этих слияний в поясе астероидов сформировалось около 20-30 протопланет с размерами от лунного до марсианского. Однако начиная с того времени, когда в относительной близости от пояса сформировалась планета Юпитер, эволюция этой области пошла по другому пути. Мощные орбитальные резонансы с Юпитером и Сатурном, а также гравитационные взаимодействия с более массивными протопланетами этой области разрушали уже сформированные планетозимали. Попадая в область действия резонанса при прохождении поблизости планеты-гиганта планетозимали получали дополнительное ускорение, врезались в соседние небесные тела и дробились вместо того чтобы плавно сливаться. По мере миграции Юпитера к центру системы возникающие возмущения имели всё более выраженный характер. В результате этих резонансов планетозимали меняли эксцентриситет и наклонение своих орбит и даже выбрасывались за пределы астероидного пояса. Некоторые из массивных протопланет также были выброшены Юпитером за пределы пояса астероидов, в то время как другие протопланеты, вероятно, мигрировали во внутреннюю Солнечную систему, где сыграли финальную роль в увеличении массы нескольких оставшихся планет земного типа. В течение этого периода истощения влияние планет-гигантов и массивных протопланет заставило астероидный пояс «похудеть» до всего лишь 1 % от Земной массы, которую составляли в основном маленькие планетозимали. Эта величина, однако, в 10-20 раз больше современного значения массы астероидного пояса, которая теперь составляет 1/2000 массы Земли. Считается, что второй период истощения, который и привёл массу астероидного пояса к текущим значениям, наступил, когда Юпитер и Сатурн вошли в орбитальный резонанс 2:1. Вполне вероятно, что период гигантских столкновений в истории внутренней Солнечной системы сыграл важную роль в получении Землёй её запасов воды ( |