Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Практическая работа №3
«ВСЕЛЕННАЯ. ЗВЕЗДЫ. ЗЕМЛЯ»
Цель работы: изучить важные параметры и характеристики Вселенной и Земли.
Краткая теория:
3.1. Масштабы и строение Вселенной
Астрономия – наука о строении и развитии космических тел, образуемых ими систем и Вселенной в целом.
Свойства, строение и динамику Вселенной изучает космология. Происхождение, развитие космических тел и их систем – космогония.
Вселенная – весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам.
Метагалактика – часть Вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями.
В состав Метагалактики входят наша Галактика, которую мы видим в виде Млечного Пути, и другие галактики, например, ближайшие к нам Туманность Андромеды и Магеллановые Облака. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15–20 млрд. световых лет.
Вселенная включает в себя множество галактик, которые располагаются группами. Вселенная напоминает паутину: галактики в ней распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет.
Более 70 % галактик, в том числе и наша Галактика, имеют спиральную структуру, совершая вихревое движение со скоростями порядка 100–300 км/с. Солнце вместе со своей планетной системой является малой частью нашей Галактики, условный радиус которой 4•1017км. Наша Галактика состоит почти из 200 млрд. звезд и имеет сложное строение.
Самый распространенный элемент Вселенной – водород – он составляет до половины массы большинства звезд, в т.ч. и Солнца. Гелий – второй наиболее распространенный элемент космоса. Накопление ядер 4Не во Вселенной обусловлено термоядерной реакцией, служащей источником звездной энергии: 4 1Н = 4Не + 2β+ + 2v (нейтрино). В настоящее время в космосе обнаружено большое разнообразие химических элементов и их соединений, вплоть до аминокислот.
3.2. Развитие космологических и
космологических представлений
В начале XX в. Эйнштейн создал статистическую модель Вселенной, основанную на общей теории относительности, в уравнениях которой были описаны фундаментальные свойства материи, пространства и времени.
А. Фридман установил, что Вселенная не может быть стационарной: следствием сил тяготения звездные системы не могут находиться на неизменном расстоянии друг от друга, они должны либо удаляться, либо сближаться.
Э. Хаббл подтвердил расширение видимой части Вселенной; он использовал эффект Доплера, исходя из которого можно вычислить скорость галактик по изменению положения ее спектральных линий.
Закон Хаббла: Галактики удаляются друг от друга, и чем дальше находятся Галактики, тем с большей скоростью они удаляются.
Хаббл доказал, что Вселенная нестационарна и расширяется. Происходит взаимное удаление всех галактик. Это удаление часто сравнивают с удалением друг от друга нарисованных картинок на надуваемом шарике.
Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной, изотропной, нестационарной, горячей, расширяющейся Вселенной, у нее нет пространственного центра.
3.3. Экспериментальные обоснования концепции Большого Взрыва. Темная материя и темная энергия
Теория Большого Взрыва: Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15 млрд. лет назад. В начале расширения радиус вселенной был равен около 10–33 см3, а плотность 1093 г/см3.
Вселенная представляла собой одну гигантскую «ядерную каплю». Это начальное состояние называют сингулярностью. Большой взрыв сопровождался сначала быстрым, потом умеренным расширением при очень высокой температуре и далее постепенным охлаждением Вселенной.
Причину Большого взрыва и переход к расширению Вселенной объясняют с позиций инфляционной теории: роль базовой материи в формировании Вселенной играл вакуум.
Вакуум – одна из форм материи, пространство в котором минимум плотности энергии в данном объеме.
3.4. Разнообразие звезд, их строение и устойчивость. Рождение и термоядерная жизнь звезд. Смерть звезд
Возраст Вселенной, как нашей Галактики около 15 млрд. лет. Рождение звезд происходит непрерывно. Звезды различаются по температуре, плотности, яркости, размеру и массе. Самые многочисленные – карлики с массами 1–0,1 солнечной массы (Солнце – типичная звезда-карлик). Есть красные и желтые гиганты и сверхгиганты, во много раз превосходящие по размеру и массе наше Солнце. Многие звезды имеют своих спутников. Звезды могут образовывать звездные скопления. В состав Галактики входят так называемые туманности, которые состоят из космического газа и пыли. В центре некоторых туманностей, например, Крабовидной туманности, обнаружены источники импульсного электромагнитного излучения, так называемые пульсары. Некоторые Галактики обладают очень мощным радиоизлучением; одной из причин существования радиогалактик является деятельность квазаров – звездоподобных источников радиоизлучения. Пространство Вселенной заполнено очень разряженным межзвездным газом и космической пылью.
Все космические объекты претерпевают эволюционные превращения. Звезды со временем превращаются в «белые карлики», «нейтронные звезды» и «черные дыры». Конечные судьбы звезд определяются их массами.
«Белый карлик» – звездоподобные остатки эволюции маломассивных звезд; имеют очень высокую плотность (10 т/см3, что в сотни раз больше земной плотности), массу меньшую 1,2 солнечной массы, диаметр, сравнимый с диаметром Земли, температура ее достигает миллиарда градусов. «Белый карлик» медленно остывает, превращаясь в не излучающий свет «черный карлик».
«Нейтронные звезды» – заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. Происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого активно начинается процесс ядерных реакций. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды, внутренние же области резко сжимаются. Остаток звезды уменьшается до размеров 20–30 км, а средняя плотность возрастает до 100 млн. т/см3. «Нейтронная звезда» состоит из элементарных частиц – протонов и нейтронов.
Если масса постзвезды превысит 2 солнечные массы, она превращается в «черную дыру» – области пространства, в которых гравитационное притяжение настолько велико, что ни вещество, ни излучение не могут их покинуть. «Черные дыры» обладая гигантской массой 1015 тонн, имеют микроскопический размер 103 см. Вещество и излучение как бы проваливаются в «черную дыру» и не могут выйти обратно. Если сжатие продолжается дальше, тогда на каком-то этапе начинаются незатухающие ядерные реакции. Сжатие прекращается, а затем происходит антиколлапсионный взрыв, и «черная дыра» превращается в «белую дыру».
3.5. Солнце и солнечная система
После Большого взрыва формирование Солнечной системы началось ~5 млрд. лет тому назад с бесформенной массы газового облака туманности, состоящего преимущественно из водорода. В зависимости от расстояния до Солнца разные части туманности остывали с разной скоростью. Химическая эволюция протекала тоже по-разному: сначала конденсировались наиболее тугоплавкие элементы и их соединения, потом – летучие. Первыми, вероятно, появились конденсаты железа и никеля, они явились основой ядер планет.
Солнечная система расположена на периферии нашей Галактики. Солнце и ближайшие к нему звезды движутся вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/с, совершая полный оборот за 290 млн. лет.
Рис. 3.1. Строение Солнечной системы
Солнечная система включает 9 планет со спутниками, астероиды, кометы и метеориты (рис. 6.1.). Солнце – звезда-карлик с радиусом 700 тыс. км и температурой на поверхности – около 6000 С. Активность Солнца циклична и составляет 11 лет.
Все планеты Солнечной системы делят на планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Плутон) и юпитерианской группы (планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун).
Некоторые планеты имеют собственные спутники: Земля и Плутон – по 1, Марс и Нептун – по 2, Уран – 5, Сатурн – 32, Юпитер – 63.
Полагают, что приблизительно через 5 млрд. лет структура Солнца изменится, поскольку запас водородного горючего начнет истощаться. Тогда Солнце начнет расширяться и наступит момент, когда оно будет излучать в 100 раз больше энергии, чем сейчас. На планеты это действие будет катастрофическим, они потеряют атмосферу и распадутся. Затем Солнце сожмется и превратится в очень слабый белый карлик.
3.6. Предмет и методы наук и Земле. Возникновение Земли и основные периоды геологической эволюции
Геология – комплекс наук о составе, строении, истории развития земной коры и размещения в ней полезных ископаемых.
Планета Земля образовалась около 4,7–5 млрд. лет назад. Ее масса 5,98•1024 кг, диаметр 12756 км, плотность 5510 кг/м3. Средняя скорость ее движения по орбите 29,765 км/с. Период обращения вокруг Солнца составляет 365,24 суток. Период вращения вокруг своей оси 23 часа 56 мин 4,1 секунды. Земля имеет форму близкую к эллипсоиду, называемую геоид, она сплющена у полюсов и растянута в экваториальной зоне.
В Солнечной системе нет другой планеты, на которой мог бы выжить человек. Положение Земли в Солнечной системе, ее размер, плотная масса явились причиной образования у нее атмосферы особого типа, единственной в своем роде, поэтому Земле такая радиация не угрожает, поскольку она поглощается в верхнем слое атмосферы озоном.
На Марсе температура в среднем –53 °С, атмосфера разреженная, гидросфера в прошлом существовала, сейчас имеется вода в виде инея и льда: считают, что на Марсе может существовать жизнь, по крайней мере, в простейшей форме. На Венере температура в среднем +477 °С, атмосфера очень плотная из углекислого газа СО2, нет гидросферы.
На Земле активно протекают тектонические процессы, что считают признаком жизнедеятельности планеты. Современный рельеф планеты продолжает меняться (рис. 6.2, 6.3).
В истории развития Земли выделяют две зоны: криптозой (длительность ~4 млрд. лет, период скрытой жизни, т.к. не сохранились ископаемые останки живых организмов) и фанерозой (последние 600 млн. лет).
В настоящее время придерживаются идеи горячего образования Земли, в соответствии с которой в зоне, близкой к Солнцу, вначале оформилось протоядро Земли из наиболее тугоплавких металлов железа и никеля. При дальнейшем остывании облака начали конденсироваться силикаты металлов и соединения серы, которые очень быстро присоединились к ядру и стали впоследствии мантией. В результате остывания поверхности Земли стали формироваться верхние оболочки Земли.
|
Рис.3.2. Внутренне строение Земли |
|
|
Рис. 3.3.Геохронологическая шкала развития Земли |
3.7. Внутренние и внешние оболочки Земли
В настоящее время выделяют ряд геосфер, из которых состоит Земля: ядро, мантия, литосфера, гидросфера, атмосфера и магнитосфера.
1. Ядро Земли. Занимает центральную область земного геоида. Средний радиус ядра около 3500 км и состоит из двух частей: внутреннее ядро из железа (80 %) и никеля (20 %), температура 4500 °С; внешнее ядро содержит железо (52 %) с примесью никеля и серы, температура 3200 °С.
2. Мантия. Наиболее мощная оболочка Земли, составляет 2/3 ее массы и большую часть ее объема. Мантию образуют различные силикаты – соединения кремний. Толщина достигает 2800 км.
Мантию делят на верхнюю, среднюю и нижнюю части.
В расплавленном состоянии находится астеносфера – нижняя часть верхней сферы, подстилающая литосферу, в ее пределах формируются очаги глубокофокусных землетрясений.
3. Литосфера. Это земная кора с частью подстилающей ее мантии, толщиной порядка 100 км. В верхней части слагается гранитами, в нижней – базальтами. На поверхности литосферы в результате совокупной деятельности атмосферы, гидросферы и биосферы возникла почва.
Современный рельеф планеты складывался на протяжении многих миллионов лет. Так, 600 млн. лет назад на Земле было несколько подвижных континентальных плит, объединившихся в единый суперконтинент Пангея. Спустя 300–200 млн. лет, Пангея начала распадаться на части, что привело сначала к образованию континентов Гондваны и Лавразии, а затем из них сформировались современные материки.
4. Гидросфера. Водная оболочка Земли появилась в результате дегазации земных недр. Мировой океан возник из мантийных паров, путем конденсации воды. Общие запасы воды на Земле 1,5 млрд. км3, из них 97 % – соленая морская вода (растворены соли в среднем 3,5 %), 2 % – замершая вода ледников, 1 % – пресная вода.
Мировой океан занимает 71 % поверхности планеты и делится материками на 4 части: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый океаны.
5. Атмосфера. Воздушная оболочка Земли появилась в результате дегазации метана земных недр.
Первичная атмосфера состояла из углекислого газа, окиси углерода, водяных паров, метана, аммиака.
Современная атмосфера состоит из воздуха: азот N2 – 78%, кислород О2 – 21%, аргон – 0,9%, 0,03% СО2 и 0,003% смесь других газов.
В атмосфере выделяют слои:
- тропосфера – нижний слой, до высоты 10–18 км, 4/5 массы воздуха; при удалении от поверхности Земли температура понижается на 6 С; доходит до –70 С.
- стратосфера – от 20 до 50 км; температура повышается (на 1–2 С на 1 км) и достигает 0 С; в стратосфере находится озоновый слой с максимумом концентрации на высоте 20–25 км – поглощает опасное для всего живого жесткое ультрафиолетовое излучение, благодаря чему на Земле сформировалась и существует жизнь.
- мезосфера – высота от 50 до 80 км, вновь происходит понижение температуры с высотой до –110 С.
- термосфера – от 80 до 1000 км, температура, увеличиваясь с высотой, достигает очень больших значений (свыше 1000 K).
- экзосфера – от 1000 до 3000 км, температура продолжает повышаться до высот, где разреженная атмосфера переходит в межпланетное пространство.
6. Магнитосфера. Внешняя оболочка, свойства которой определяются магнитным полем Земли. На расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности Земли, вероятно, преобладают температуры от 5000° до 10 000° С. Хотя молекулы и атомы имеют очень большие скорости движения, а, следовательно, и высокую температуру, этот разреженный газ не является «горячим» в привычном смысле. Из-за мизерного количества молекул на больших высотах их суммарная тепловая энергия весьма невелика.
3.8. Тектоника литосферных плит.
Эволюция атмосферы и гидросферы
Из-за геодинамических процессов на Земле постоянно происходит видоизменение земной коры и ее поверхности.
Теории неомобилизма (теории дрейфа континентов): верхний слой земной коры (литосфера) состоит примерно из пятнадцати жестких плит, из них 6–7 являются крупными, которые могут сталкиваться, погружаться друг под друга и надвигаться одна на другую. Эти плиты плавают, медленно скользя и перемещаясь горизонтально, на горячем, пластичном слое мантии нашей планеты – астеносфере. Вместе с плитами могут перемещаться и континенты.
По этой модели предполагают: через несколько сот миллионов лет может возникнуть новый континент из Азии и Северной и Южной Америки. Атлантический океан будет расширяться, а Тихий океан закроется из-за субдукции Восточно-Тихоокеанского спредингового центра.
Геодинамические процессы в геологии делят на две большие группы: эндогенные (внутренние) и экзогенные (внешние).
Эндогенные процессы – это геодинамические процессы, вызванные внутренними силами Земли и совершаются в ее недрах. Они обусловлены энергией и действием сил тяжести, возникающих при вращении Земли, а проявляются в виде поднятие и опускание земной коры, землетрясения, процессов магматизма (вулканизма), метаморфизма горных пород.
Экзогенные процессы – это процессы, происходящие на поверхности Земли или на небольшой глубине в земной коре и обусловлены энергией солнечного излучения, гравитационной силой и жизнедеятельностью организмов. К ним относятся выветривание, заболачивание, оползни, лавины, обвалы, деятельность водных потоков, морей, озер, ледников.
Географические следствия, связанные с вращением Земли: сжатие земного геоида; смена дня и ночи; образование поворотной силы.
Сила Кориолиса или поворотная сила: всякое движущееся тело по направлении к экватору в северном полушарии отклоняется вправо, а южном – влево, на экваторе сила равна нулю.
Действие силы Кориолиса распространяется на многие явления географической оболочки: ветры умеренных широт обоих полушарий принимают преимущественно западное направление, а в тропических – восточное (пассатное). Аналогичное проявление обнаруживается в направлении океанических вод, но течения смешаются от господствующих ветров под углом 30–35° вправо или влево в зависимости от полушария.
Корисолисной силой можно объяснить закон Бэра: правые берега рек серенного полушария круче левых, а в южных – наоборот.
Контрольные вопросы: