Зарождение Земли. Догеологический этап развития планеты - РЕЛЬЕФ, ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ

Цель: познакомить с гипотезами происхождения Земли.

Оборудование: слайды или презентации со снимками и изображениями Солнечной системы.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Изучение нового материала

Много веков люди смотрели в космос, мечтая разгадать тайну звезд, пытаясь понять, откуда они взялись. Сотни лет люди придумывали гипотезы образования Вселенной и человека, вместе с этим копилась база наблюдений за звездами.

— Изучите раздаточный материал и заполните таблицу.

Имя ученого	Вклад теории в науку	Несостоятельность теории

Гипотеза Бюффона

В 1749 г. француз Бюффон в книге «Естественная история» предложил одну из первых космогонических гипотез, ставших известными в научном мире после того, как Коперник «поместил» Солнце в центр мира.

По мнению Бюффона, однажды большая комета столкнулась с Солнцем, благодаря чему произошел выброс солнечного вещества. Это вещество, разбившись на части, образовало планеты и их спутники.

Бюффон считал кометы телами, не принадлежащими Солнечной системе. Кроме того, он, как мы теперь знаем, ошибочно полагал, что Солнце и кометы являются твердыми телами. При скользящем столкновении гигантской кометы с таким Солнцем, последнее должно было приобрести вращение и потерять часть своей массы, которая, расплавившись при ударе, смогла бы образовать вращающиеся вокруг Солнца тела. При этом все будущие планеты должны приобрести то движение, которое и наблюдается в Солнечной системе: в одном направлении, в плоскости, близкой к плоскости экватора Солнца. Как мы видим, Бюффон попытался объяснить наиболее значимые особенности существования нашей планетной системы.

По Бюффону, спутники планет образовались еще на той стадии, когда сами планеты были жидкими и имели значительную скорость вращения вокруг собственной оси. Из-за быстрого вращения от экваторов планет должны были отделяться частицы вещества, которые и пошли на образование спутников.

Ошибки Бюффона

1. Солнце вовсе не твердое.

2. Кометы обладают столь ничтожными массами, что хоть как- то повлиять своим столкновением с гигантским светилом они просто не в состоянии.

3. Исследования Земли говорят нам, что наша планета никогда не переживала время жидкого (расплавленного) состояния, что тоже противоречит идеям Бюффона.

4. Выброшенное вещество неминуемо должно было, описав эллиптическую дугу, упасть обратно на Солнце.

5. Все планеты после столь неуправляемой катастрофы стали двигаться по почти круговым орбитам, подчиняясь при этом некоему правилу.

Очень скоро гипотеза Бюффона попала под критические молнии П. С. Лапласа и навсегда покинула научную сцену.

Гипотеза Канта

Через несколько лет после появления во Франции гипотезы Бюффона, в 1755 г., в Германии известный философ Иммануил Кант, будучи еще молодым домашним учителем, выпустил книгу «Всеобщая естественная история и теория неба, или Исследование о составе и механическом происхождении всего мироздания, построенное на основе принципов Ньютона». Кант приписывает Богу лишь создание самой материи и наделение ее наблюдаемыми свойствами. Все остальное развитие мира происходит без участия Творца.

Кант считал, что первоначально материя была сильно разряжена и составляла так называемый хаос. Подобное начало, надо сказать, встречалось и в древнегреческих философских трудах. Хаос, как считал Кант, состоял из мелких пылевых частиц, находящихся в покое. Этот покой мог быть лишь в самом начале, сразу после создания хаоса Богом. После этого отправного момента материя приходит в движение, подчиняясь законам Ньютона. Более массивные частицы начинают из окружающего их пространства притягивать к себе легкие пылинки. Так в хаосе появились первые сгущения материи.

Эти сгущения росли и объединялись в большие шары, из которых и образовались звезды. Кант понимал, что, следуя только этой логике, он должен был завершить развитие мира образованием только одного шара. Поэтому он наделил частицы материи еще и свойством упругости: при столкновении частицы могли отскакивать друг от друга, меняя направление движения друг друга.

В процессе этих столкновений, как полагал Кант, вблизи каждого большого тела случайным образом должно начать преобладать одно направление движения. Как считал философ, двигаясь по параллельным траекториям, частицы меньше сталкиваются. Таким образом, вблизи каждого шара небольшое количество вещества вовлекается во вращение вокруг центрального тела. Траектории частиц проходят через центр большого шара и лежат в плоскости его экватора: центральное тело раскручивается в ту же сторону, что и большая часть частиц. Так у звезд могут появиться планеты, а у планет — спутники, причем вращение всех тел одной системы происходит в одном направлении.

Происхождение колец Сатурна Кант объяснил слишком быстрым начальным вращением планеты, от которой под действием центробежных сил отделилась часть вещества. Как видим, здесь гипотеза Канта в чем-то перекликается с идеями Бюффона. По мнению Канта, известный всем из библейской истории большой потоп был следствием разрушения Богом водяного кольца, которое образовалось у Земли.

Все звезды в мире Канта должны остыть, но упавшие на них планеты, объединение нескольких звезд, падение их на мировое Солнце разогреет все вещество и породит новые клубы хаоса.

Ошибки Канта

1. Неверное представление о возникновении вращательного движения из прямолинейного. Для того чтобы это движение началось, нужно воздействие извне, а ни материальное тело, ни Творец такого влияния на хаос не оказывали. Частицы хаоса Канта и впрямь должны были собраться в итоге в одно Мировое Солнце, без планет, спутников и колец.

2. Изначальный «строительный материал» Вселенной состоял не из пылинок, а из водорода, гелия и излучения. То же касается тех облаков, из которых, по современным представлениям, рождаются планетные системы: содержание пыли в допланетных облаках было невелико. Никак не объясняет Кант и то, каким образом вновь должен образовываться хаос из остывшей материи.

3. Неверны его мысли об образовании колец Сатурна и, уж конечно, идея о Всемирном потопе.

4. Он не объяснял внутреннее строение планет, почему они по состоянию вещества разные.

5. Не могла его теория объяснить и вращение некоторых спутников в другую сторону.

Гипотеза Канта, однако, впервые предположила образование Солнца и планет из туманности. Такие гипотезы называют небулярными (туманностными). Одна из небулярных гипотез в наше время является общепринятой.

Гипотеза Лапласа

В 1796 г. впервые увидела свет космогоническая гипотеза французского ученого Лапласа. Во многом ее считают схожей с идеей Канта, но исторические исследования говорят нам о том, что Лаплас не был знаком с трудом немецкого философа. Но зато Лаплас знал и критически отзывался о предположениях своего соотечественника Бюффона.

Не пытаясь объять необъятное, Лаплас начинает рассказ о рождении Солнечной системы с уже существующей вращающейся газовой туманности, имеющей центральное сгущение — Солнце. Не имея знаний и доказательных наблюдений, Лаплас не стал измышлять способы образования таких туманностей. Туманность представляла собою, по мнению Лапласа, как бы разогретую атмосферу центрального тела. Эта атмосфера вращалась с единой угловой скоростью, т. е. каждая частица атмосферы совершала оборот вокруг Солнца за один и тот же промежуток времени. Это не согласуется с законами Кеплера, однако мы имеем дело с целостным объектом — атмосферой, скорости молекул в которой выравниваются благодаря взаимному действию друг на друга. Также Лаплас совершенно верно указывает на то, что такая туманность должна со временем сжиматься к экваториальной плоскости, где орбиты частиц устойчивы, т. к. их плоскости проходят здесь через центр тяготения. Чем больше скорость вращения, тем больше сжатие.

Далее Лаплас рисует картину остывания туманности. В соответствии с законом физики остывание ведет к уменьшению атмосферы, а уменьшение вращающегося тела непременно — к увеличению угловой скорости его вращения. Лаплас полагал, что в один момент времени скорость вращения возрастает настолько, что центробежная сила на экваторе туманности становится равной силе тяготения. Частицы, попадающие под это равенство, теряют связь с туманностью и отслаиваются от нее, образуя газовое кольцо, вращающееся с постоянной угловой скоростью независимо от первоначальной туманности. Туманность при этом сжимается дальше, увеличивая скорость вращения. Явление отделения колец происходит несколько раз. Кольца имеют тем большую скорость, чем ближе они расположены к Солнцу.

Наконец, скорость вращения Солнца должна быть еще больше, чем скорость вращения ближайшего к нему кольца. Из колец, по мнению Лапласа, образовались планеты, из схожих колец вокруг планет — спутники и, собственно, наблюдаемые кольца (в те времена известны были лишь кольца Сатурна). Лаплас видел подтверждения своей гипотезе в том, что периоды обращения планет уменьшаются с приближением к Солнцу, а Солнце имеет еще меньший период обращения вокруг своей оси (Меркурий — 88 суток, Солнце — 25 суток).

Неоднородности колец Лапласа позволили образоваться сгущениям, а затем — планетам или спутникам. Если кольцо очень однородно, то, как считал Лаплас, оно остается кольцом. Как доказательство он приводил кольца Сатурна, каждое из которых считал газовым и сплошным. Вращение планет Лаплас объясняет тем, что каждое кольцо, породившее планету, имело одну скорость вращения вокруг Солнца. При этом частицы, внешней части кольца должны были двигаться с большей скоростью, чем частицы внутренних областей. Они-то и подгоняли внешний край образующейся планеты, подкручивая ее в направлении своего движения.

Так Лаплас «получил» планеты, вращающиеся по круговым орбитам в одном направлении, со скоростями, возрастающими с приближением к Солнцу, вращающиеся вокруг оси в одну сторону, со спутниками, вращающимися в ту же сторону, и кольцами. Об исключениях во вращении Урана и Венеры тогда еще было неизвестно. Кометы Лаплас считал телами, приходящими в Солнечную систему извне, ссылаясь на параболичность их орбит, и не рассматривал их возникновение в рамках своей теории.

Ошибки Лапласа

1. Неверна идея о кольцевом происхождении планет и спутников. Отделение частиц от вращающейся туманности должно было происходить не кольцами, а непрерывно.

2. Неверно его предположение о целостной природе кольца Сатурна. Теперь известно, что состоит оно из множества свободных частиц, вращение каждой из которых подчиняется законам Кеплера.

3. Неверно исключил он и кометы из Солнечной системы.

Однако Лаплас, как и Кант (их гипотезы часто называют одной теорией Канта — Лапласа), сделал еще один шаг вперед к истине, причем в своей гипотезе он пытался придерживаться принципов научности и доказуемости настолько, насколько это было возможно в то время. Он избегал вмешательства Бога в жизнь Солнечной системы и всякого несоответствия своих предположений астрономическим наблюдениям.

От газопылевого диска до планет

Отто Юльевич Шмидт, советский ученый, изложил теорию, которая и по сей день лежит в основе представлений человека о происхождении планетной системы, нашей и любой ей подобной. Шмидт заявлял, что планеты образовались из диска. Этот диск являл собою остаток того облака, из которого возникло само Солнце. Еще на ранних стадиях возникновения этого облака оно приобрело вращение, благодаря которому возник именно вращающийся сплюснутый диск, а не шар.

Начальный диск на 98—99% состоял из водорода и гелия. Остальные элементы были представлены в ничтожном количестве, однако именно с их наличием сегодня связывают возникновение планет. При остывании облака тугоплавкие вещества (железо, кремний, титан, никель, их соединения и др.) начинали конденсироваться в пылинки. Но для конденсации таких газов, как водород и гелий, понадобились бы столь низкие температуры и высокие давления, что в естественных условиях газопылевого облака такой конденсации никогда бы не произошло. Кроме того, в допланетном облаке не было подходящих условий для существования большинства веществ в жидком состоянии, поэтому газы, более тяжелые, чем гелий и водород, сразу образовывали твердые частицы, жидкую фазу. Так же, к примеру, ведут себя пары воды на Марсе.

Благодаря относительно большой массе пылинки стремились приобрести более устойчивое движение, перемещаясь к центру диска. Постепенно образовался тонкий пылевой диск внутри толстого газопылевого. С охлаждением облака число и размеры пылинок росли, плотность пылевого диска увеличивалась, а остальная часть начального диска становилась все разреженнее. В конце концов пылевой диск стал во много раз тоньше своего диаметра.

Состав этого пылевого диска был неодинаков в разных его частях и зависел от расстояния до Солнца. Внутренние прогретые Солнцем области состояли только из пылинок тугоплавких веществ. С удалением от центрального светила температура падала, поэтому все больше веществ могло образовывать твердые частички. Водяные пары, например, судя по современным исследованиям, могли переходить в лед только где-то в районе орбиты Юпитера. С удалением от Солнца падала также и плотность диска. Солнечный ветер выдувал легкие молекулы газа из внутренних частей Солнечной системы быстрее, чем из внешних. Из-за этого газ вскоре почти покинул близкие к Солнцу области.

Постепенное охлаждение облака способствовало образованию бессчетного количества соединений, по большей части входивших в растущие пылинки. По законам физики газы быстрее конденсируются на уже существующих пылинках, а не образуют новые.

Когда завершилось образование тонкого пылевого диска, его плотность в десятки раз превышала плотность окружающего газа. Размеры твердых частиц достигли нескольких сантиметров. Диск стал гравитационно неустойчивым: случайные уплотнения в нем не рассеивались, а, наоборот, росли, а разрежения опустошались за счет увеличения уплотнений. Этот процесс завершился образованием миллионов тел размером в несколько километров. Такие тела и стали зародышами планет. Их назвали планетезималями. Состав их был неодинаков — соответствовал температурным условиям и плотности изначального диска, которые, напомним, зависели от расстояния до Солнца.

В течение последующих нескольких сот миллионов лет шел рост самых больших допланетных тел и разрушение малых. Малые допланетные тела также выбрасывались из Солнечной системы гравитационным влиянием массивных планетезималей.

Рост будущего Юпитера шел быстрее всего: он находился в той области Солнечной системы, где уже образовывались ледяные водные частицы. Они-то и способствовали быстрому начальному росту гиганта. Вторым важным обстоятельством роста Юпитера, давшим ему преимущество перед остальными планетами- гигантами, было более близкое его расположение к Солнцу, где плотность пылевого диска была выше. Зародыши Сатурна, Урана и Нептуна из-за меньшей плотности диска в районах их образования отстали в росте от Юпитера. Юпитер успел вобрать в свою атмосферу огромное количество газа, пока тот еще не был рассеян солнечным ветром. Сегодня мы видим, что Юпитер по массе больше всех остальных планет, вместе взятых.

Планеты земной группы, хотя и образовывались в самой плотной части допланетного диска, не смогли стать самыми массивными планетами Солнечной системы. Близко к Солнцу из-за высокой температуры и плотных потоков солнечного ветра твердые частицы образовывались без особого энтузиазма. А тяжелые вещества (железо и кремний) в начальном облаке, как мы помним, были в явном меньшинстве. Так Солнечная система получила маленькие планеты около Солнца, состоящие в основном из кремния, железа и их соединений. Среди этих планет только Венера и Земля обладают достаточными массами, чтобы удерживать возле себя атмосферу, да и то состоящую лишь из тяжелых газов, молекулы которых не так проворны. Поэтому Луна и Меркурий не имеют газовой оболочки, а Марс почти всю ее уже растерял.

Планеты-гиганты имеют твердые ядра в две-три массы Земли и мощную газовую оболочку. После того как зародыши этих планет достаточно выросли, чтобы удерживать молекулы газа, они создали себе газовую одежду. Поскольку газа с каждым годом становилось все меньше, атмосферы планет-гигантов развились по-разному. Первым вырос зародыш Юпитера, ему и досталось больше остальных. Ко времени, когда нужную массу обрел Сатурн, газа осталось значительно меньше, и теперь Сатурн втрое уступает по массе Юпитеру. Уран и Нептун еще в шесть раз беднее своими атмосферами. В то же время атмосферы гигантов отличаются и по химическому составу. Отставший на десятки миллионов лет Сатурн приобрел атмосферу с более значительным содержанием тяжелых газов: гелия и водорода оставалось немного. Уран и Нептун вообще поспели к шапочному разбору: лишь десятая часть их атмосфер приходится на легкие газы, зато в изобилии аммиак, метан и все та же вода.

Домашнее задание

Повторить теории, рассмотренные на уроке.