умкд по астрономии. УМКД ОУД.08 Астрономия 2.26.02.03 (набор 2017). Учебнометодический комплекс дисциплины Физика Индекс (Файл) mcd 3 26. 02. 03 Оуд. 082017 г

• Название: Учебнометодический комплекс дисциплины Физика Индекс (Файл) mcd 3 26. 02. 03 Оуд. 082017 г
• Анкор: умкд по астрономии
• Дата: 26.01.2020
• Размер: 4.37 Mb.
• Имя файла: УМКД ОУД.08 Астрономия 2.26.02.03 (набор 2017).doc
• Тип: Учебно-методический комплекс; #105805
• страница: 30 из 50

3. Литосферу (кору) толщиной от 1 до 500 км, состоящую в основном из силикатов и легких химических соединений плотностью менее 3500 кг/м³.

Существуют гипотезы, объясняющие различия в физических свойствах ядра, мантии и литосферы качественными изменениями в состояниях сравнительно однородного по составу вещества под действием высоких температур и давлений.

Рис. 9 Внутреннее строение планет-гигантов

Внутреннее строение планет-гигантов обусловлено их массой и высоким содержанием водорода и гелия в их химическом составе. Газовые атмосферы планет-гигантов в направлении к центрам планет с увеличением давления уплотняются и непрерывно переходят в жидкое состояние: граница между атмосферой и поверхностью планеты отсутствует. Еще глубже, при возрастании плотности водорода свыше 1,15 г/см³ под действием высоких давлений и температур водород переходит в твердое "металлическое" состояние. В строении планет-гигантов выделяют (рис. 9):

1. Внешнюю молекулярную оболочку из газо-жидкого водорода и гелия с добавкой метана и аммиака.

2. Внутреннюю молекулярную оболочку с добавкой более тяжелых элементов.

3. Оболочку из твердого "металлического" водорода.

4. Внешнее силикатное ядро, состоящее из окислов кремния, магния и сульфидов железа с добавкой гелия.

5. Внутреннее тяжелое железоникелевое ядро.

Если температура и давление в недрах планеты-гиганта недостаточны для перехода водорода в жидкое или, тем более, твердое металлическое состояние, строение планеты упрощается: ядро из тяжелых химических соединений окутывает ледяная мантия - оболочка из воды, водорода и гелия, окутанная молекулярной оболочкой из водорода, гелия, метана и аммиака - атмосферой планеты.

Основными источниками энергии в недрах планет являются: радиоактивный распад элементов, сопровождающийся выделением большого количества тепла, и гравитационная дифференциация - постепенное перераспределение вещества по глубине в соответствии с плотностью: тяжелые фрагменты тонут, легкие всплывают, при этом происходят фазовые переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое, различные химические реакции и т. д., сопровождающиеся выделением тепла. Скорость и интенсивность процессов зависят от масс планет. В основе энергетики самых крупных планет-гигантов лежит конденсация гелия на уровне верхней границы зоны металлического жидкого водорода. В результате фазовых переходов водорода при высоком давлении гелий становится нерастворимым в водороде и выпадает (погружается) к центру планеты. В недрах планет-гигантов с меньшей массой, атмосферы которых состоят на 10-15% из метана, энергия выделяется при выпадении углерода из мантии к ядру планеты. При этом выделяется столько энергии, что тепловое излучение планет превосходит количество энергии излучения звезды, падающего на планету из космоса.

Главным механизмом переноса тепла в недрах планет являются конвекция (конвективное перемешивание вещества) и, в меньшей степени, тепловое излучение.

Поверхности планет формируются в ходе внутренних (эндогенных) и внешних (экзогенных) процессов.

Основными формами проявления эндогенных процессов являются:

1. Тектоника литосферы планетных тел: сложные постоянные горизонтальные, вертикальные и колебательные движения отдельных крупных участков коры со средней скоростью 0,001-0,01 м в год, сопровождающие перемещения этих участков на сотни и тысячи километров за миллионы лет. При столь медленных перемещениях слои литосферы плавно изгибаются как мягкое, пластичное вещество. При больших нагрузках на участки коры или увеличении скорости их движения происходят сильные деформации и разрывы слоев, возникают тектонические разломы, вдоль которых отдельные блоки перемещаются относительно соседних в горизонтальном или вертикальном направлениях, порождая различные - пластинчатые, складчатые или разрывные тектонические структуры.

Магматизм и вулканическая деятельность - сложные процессы возникновения магмы - расплавленной раскаленно-жидкой, кипящей массы вещества в зонах тектонических разломов литосферы и, изредка, верхнем слое мантии на глубине десятков километров под каналами и трещинами в коре в результата резкого уменьшения давления вышележащих слоев и движения магмы и выделяющихся из нее газов с температурой до 1000 К к поверхности. Магма землеподобных планет и силикатных планетоидов имеет температуру до 1000 К и преимущественно силикатный химический состав, разделяясь по его особенностям на основную (базальтовую) и кислую (гранитную). При извержении магмы на поверхности планет возникают вулканы; при внедрении магмы по трещинам горных пород при ее остывании возникают интрузии с образованием гранитных массивов. Магма силикатно-ледяных планетоидов представляет собой водный раствор различных солей и других химических соединений с температурой до 500 К.

В результате физико-химических процессов в недрах и на поверхности планетных тел образуются однородные вещества - минералы. Наиболее распространенными минералами в Солнечной системе являются, вероятно, водяной лед и силикаты, составляющие 75% массы литосферы Земли и широко распространенные на Луне, Венере, Марсе и входящие в состав каменных метеоритов. Ими являются: железомагнезиальные силикаты - оливин (Mg,Fe)₂SiO₄, полевые шпаты KAlSi₃O₈, змеевики H₄Mg₃Si₂O₉, плагиоклазы (Na,Ca)AlSi₃O₈, авгит, роговая обманка и т. д. Широко распространены минералы: галоиды (кварц SiО₂, корунд Al₂O₃, лимонит Fe₂O_3´ nH₂О, магнетит Fe₃O₄ и другие), сульфиды, карбонаты (доломит MgCO₃, кальцит CaCO₃), слюды, самородные элементы и глинистые минералы. Тысячи известных минералов образуют горные породы - базальты (состоящие из плагиоклазов, авгита, роговой обманки и оливина), граниты (кварц, полевой шпат, слюда), диабаз (плагиоклаз, авгит), габбро (плагиоклаз, пироксен), глины, песчаник, кварцит, гнейс (кварц, слюда, шпат), сланцы и т. д.

Магматические горные породы по строению разделяют на полностью кристаллические (интрузивные) и скрытокристаллические, образовавшиеся на поверхности при излияниях магмы (эффузивные) породы. В зависимости от химического состава выделяют тяжелые, темные, богатые окислами железа и марганца ультраосновные породы с минимальным содержанием кремнеземов SiO₂; основные породы - базальты, содержащие минералы диориты, сиениты, андезиты и трахиты; кислые породы - граниты, гранодиориты, липариты, кварцевые порфиры, содержащие кварц и окись кремния SiO₂ (свыше 50%).

Под действием высоких температур, давлений и химических реакций с растворами и газами магматические и осадочные породы преобразуются в метаморфические породы - обладающие кристаллической структурой граниты, гнейсы, кварциты, сланцы и т. д. Переплавление и химическое изменение горных пород называют метаморфизмом, являющимся одним из основных проявлений эндогенных процессов.

Основными проявлениями экзогенных процессов являются переработка поверхности при бомбардировке метеороидами, механическая эрозия под действием осадков и ветра, химическое взаимодействие поверхности с гидросферой и атмосферой, в результате которых происходит разрушение и химическое преобразование горных пород, перенесение рыхлых и растворимых продуктов разрушения водой, ветром, ледниками с их отложением и накоплением на суше и дне водоемов и дальнейшем преобразовании в осадочные горные породы, залегающие в виде пластов и линз.

Осадочные горные породы делятся по способу образования на глинистые (образовавшиеся под действием коллоидов), обломочные, хемогенные (продукт химических процессов - железные и марганцевые руды, бокситы, доломиты, каменная и калийная соль и т. д.) и биогенные (известняки, мел, уголь и, возможно, нефть и газ).

Рельеф поверхности планетного тела зависит от того, какие процессы главенствуют в данное время: преобладание эндогенных процессов ведет к интенсивному горообразованию, экзогенных - к выравниванию поверхности и перераспределению продуктов разрушения гор. Формы мегарельефа (океаны и континенты) занимают площадь свыше 10³-10⁴ км, формы макрорельефа (горные хребты и узлы, крупнейшие плато и долины рек, впадины и глубокие желоба) занимают площадь свыше 10²-10³ км. Типичными, наиболее распространенными формами рельефа планет земной группы и планетоидов являются:

1. Континентальные блоки и океанические впадины.

2. Горы - обширные по площади территории тектонического, вулканического или эрозионного происхождения со складчатой или складчато-глыбовой структурой и значительными перепадами высот, возвышающиеся на сотни и тысячи метров над средним уровнем поверхности планет. Горные системы представляют собой единые по происхождению складчатые или сбросовые, расположенные в определенном порядке совокупности горных хребтов и отдельных вершин.

3. Вулканы и долины тектонического происхождения (разломы). Наиболее интенсивные процессы перемещения блоков литосферы, внедрение магмы и т. д. происходят вдоль особо мощных узких разломов-впадин длиной 10²-10⁴ км и глубиной до 100 км, называемых рифтами, на дне которых залегают базальты, близкие по составу к мантии планеты.

4. Бассейны (моря и океаны) размерами до 1000 км - округлые низменности, заполненные застывшей лавой, образовавшиеся в результате падения планетезималей в период формирования планетной системы.

5. Метеоритные кратеры - характерная форма рельефа всех планетных тел, размерами от долей миллиметра до сотен и тысяч километров.

6. Образования, связанные с водной, ледниковой эрозией и воздействием ветров - русла рек, полярные шапки и т. д.

7. Равнины - обширные, почти горизонтальные участки поверхности, характеризующиеся малыми (до 200 м) колебаниями высот и уклонами, находящиеся обычно в глубине древнего кристаллического фундамента материка (платформы) и образующиеся в результате разрушения древних гор, иногда с последующим полным затоплением остатков прежнего рельефа мощными излияниями магмы из разломов коры.

Далее следует изложение материала об атмосферах планет:

Атмосфера - смесь газов, находящихся в поле тяготения космического тела, которое она окружает.

Атмосферы - газовые оболочки планет и крупнейших планетоидов - возникают при постепенной дегазации космических тел - выделении газов в ходе вулканической деятельности на всем протяжении их существования, или при катастрофической дегазации во время аккумуляции планетного тела или при захвате газов непосредственно из протопланетного облака.

Атмосферы планет-гигантов образуются одновременно с планетами и более не изменяются.

Атмосферы планет земной группы изменяются в ходе их эволюции.

Атмосфера устойчива, если масса планеты , где k - постоянная Больцмана, m - масса частиц.

Атмосфера зависит от размеров планеты и температуры ее поверхности. Если ускорение свободного падения , атмосфера объекта будет сильно разреженной из-за диcсипации - улетучивания внешних слоев атмосферы в космическое пространство в результате приобретения атомами и ионами газов из-за их теплового движения скоростей свыше II космической скорости.

Астероиды и большая часть планетоидов почти лишены атмосфер или их крайне разреженные газовые оболочки поддерживаются за счет непрерывного выделения газов горными породами.

Кометы обладают переменной атмосферой, возникающей при сублимации льда и замерзших газов при сближении кометы с центральным светилом (звездой) и существующей лишь при непрерывном выделении газов из ядра.

Тепловой режим атмосферы определяется количеством падающей на планету лучистой энергии звезды (энергетической освещенности) за вычетом энергии, отражаемой планетой в космическое пространство и зависит от расстояния от звезды до планеты и от сферического альбедо планеты.

Конвективные процессы в атмосферах планет сглаживают суточные колебания температур и уменьшают разность температур в экваториальных и полярных областях. Сильные суточные колебания температур на поверхности Меркурия, Марса и спутников планет объясняются высокой разреженностью их атмосфер и низкой теплоемкостью грунта.

Источником атмосферных течений является отсутствие равновесия между поступлением и отдачей энергии в разных районах планеты. Атмосферные массы на экваторе нагреваются, поднимаются вверх, уходят в сторону полюсов и замещаются более холодными массами из области высоких широт. Вращение планеты отклоняет атмосферные потоки от меридионального направления; система ветров зависит от периода вращения планеты вокруг оси и вокруг звезды. Атмосферы планет можно сравнить с тепловыми машинами с КПД £ 5 % (для Земли - 1,2%), в которых нагревателем являются районы экватора, холодильниками - полюса планет.

На тепловой режим атмосфер оказывает влияние наличие или отсутствие в них аэрозолей (дымки) и облаков. Пыль, поднятая в большом количестве с поверхности планеты в верхние слои ее атмосферы, делает ее непрозрачной, вызывая мощное, на десятки кельвин, охлаждение поверхности планеты. Облака в атмосферах планет состоят из мельчайших жидких капелек H₂O, NH₃, CH₄, H₂SO₄ и т. д. или твердых частиц льда и кристаллов NH₃, СН₄ и т. д.; при их образовании в атмосферах выделяется или поглощается теплота.

Химический состав атмосферы может быть причиной парникового эффекта - повышения температуры внутренних слоев атмосферы и поверхности планеты вследствие большей прозрачности атмосферы для оптического излучения звезды, приходящего из космоса и нагревающего планету, нежели для теплового инфракрасного, уходящего в космос излучения самой планеты.

Парниковый эффект тем мощнее, чем плотнее атмосфера, чем выше атмосферное давление у поверхности планеты и чем выше концентрация способных поглощать инфракрасное излучение молекул СО₂, Н₂О, SO₂, NH₃ и других.

Вертикальная структура (строение) атмосфер планет определяется силой тяготения, температурой и химическим составом атмосфер. Изменение давления описывается барометрической формулой: , где m - средняя молярная масса смеси атмосферных газов, е - основание натуральных логарифмов, р₀ - давление у поверхности планеты, R - универсальная газовая постоянная.

Перемешивание газов ведет к установлению единой шкалы высот.

Внешней частью атмосфер всех планет являются водородные короны. Ниже располагается ионосфера (термосфера) - область верхних слоев атмосферы, горячая вследствие нагревания и ионизации ультрафиолетовым излучением звезды. Ниже располагается мезосфера (мезостратосфера) - область, в которой температура атмосферы почти не изменяется. Нижняя часть атмосферы - тропосфера - полностью или частично непрозрачна для теплового излучения поверхности планеты. Граница между тропосферой и мезосферой называется тропопаузой.

Вторая (большая) половина урока посвящена изложению материала о Земле, как типичном и наиболее исследованном представителе класса планет:

Земля - третья планета Солнечной системы, обладающая ярко выраженным дифференцированным внутренним строением, гидросферой и атмосферой, единственная известная планета с биосферой и цивилизацией разумных существ - человечеством.

Масса Земли 5,972× 10²⁴ кг, средний радиус 6371 км, средняя плотность 5510 кг/м³. Возраст Земли по данным радиоизотопного метода и астрономических исследований близок к 4,5 миллиардам лет.

Химический состав Земли в целом: железо - 39,9 %, кислород - 27,7 %, кремний - 14,5%, углерод - 0,04 % (всего 88 элементов).

Недра Земли, как наиболее массивной из планет земной группы Солнечной системы, отличаются наибольшей степенью дифференцированности вещества и наибольшей интенсивностью процессов гравитационной дифференциации. Эволюция земных недр продолжается в настоящее время. Тепловая энергия Земли составляет около 1,3× 10²⁷ Дж. Тепловой поток из недр составляет 6,3× 10^-6 Вт/см² - 3,23 × 10¹³ Вт для всего земного шара из них около 1,1× 10¹³ Вт выделяется вдоль оси срединно-океанических хребтов и около 0,3× 10¹² Вт - в районах активного вулканизма.

Согласно большинству физических моделей, подтвержденных данными геофизических исследований, Земля обладаетвнутренним ядром радиусом около 1221 км, состоящим из нескольких твердых слоев железа с различной степенью ориентации кристаллов, окруженным внешним жидким ядром толщиной 2225 км. Предполагается, что оно состоит из сплавов железа (89 %), никеля (7 %), сульфида железа FeS (4 %) и других металлов и тяжелых химических элементов и соответствует по составу железным метеоритам. Температура в центре Земли 6300К, давление 3,6× 10¹¹ Па, плотность вещества 13000 кг/м³.

Вращение Земли разделяет барьером цилиндрической формы жидкости внешнего ядра на 2 разные области - внутреннюю, с твердым ядром и раскаленными расплавами в полярных областях, и более холодную внешнюю. Насыщенная железом жидкость внутри цилиндра вращается подобно воздушным потокам циклона, приобретая сходную с ним структуру, и генерирует магнитное поле планеты, ускоряя вращение внутреннего ядра Земли. Оно замедляет свое вращение в результате приливного действия Луны медленнее, чем все остальные земные оболочки, и скорость его вращения несколько выше скорости вращения планеты (на 1 оборот в 1000 лет). В основном объеме ядра и в приповерхностных слоях происходят колебательные процессы с периодами 300-1000 лет и 20-120 лет.

Рис. 10. Внутреннее строение Земли: 1. Внутреннее ядро. 2. Внешнее ядро. 2. Мантия нижняя. 4. Мантия средняя. 5. Мантия верхняя. 6.Литосфера (кора). 7. Мантийный плюм.

Мантия общей толщиной 2900 км разделяется на нижнюю (2037 км), среднюю (600 км) и верхнюю (250 км), на границах которых происходят скачкообразные изменения в физико-химических характеристиках вещества, находящегося в полужидком (вязком) состоянии. Предполагается, что мантия состоит в основном из окислов кремния, магния и железа, соответствующего по составу железокаменным метеоритам. Температура и давление внутри мантии изменяются от р = 1,3× 10¹¹ Па при Т = 4300 К на границе с ядром, до р = 1,4× 10¹⁰ Па при Т = 800 К на границе с литосферой.

Ядро и мантия сосредотачивают в себе около 99,6 % массы планеты; литосфера - 0,375 %; атмосфера - 0,0001 % и биосфера около 0,0000003 %.

От границ земного ядра, с глубин 2900 км до литосферы мантию пронизывают насквозь мантийные плюмы ("перья") – столбы раскаленного вещества диаметром 150-200 км и температурой на 200-300 К горячее окружающей среды. Они переносят к поверхности Земли тепловую энергию, выделяющуюся в ядре планеты. "Мантийный ветер" – движение расплавленных пород под влиянием конвекции вещества – отклоняет плюмы от вертикали. В верхней мантии плюмы разветвляются; над ними происходят интенсивные тектонические и вулканические процессы.