1. Возраст Земли и других тел Солнечной системы. Определение возраста земной коры основано на исследовании содержания в ней радиоактивных элементов (урана, тория и др.), а также радиоактивных изотопов таких элементов, как калий, аргон и др. Как известно из физики, радиоактивные элементы непрерывно распадаются, причем процесс распада совершенно не зависит от внешних воздействий. При радиоактивном распаде образуются изотопы соседних элементов периодической системы Менделеева. Эти изотопы сами нередко оказываются радиоактивными, а значит, и они распадаются. Распад заканчивается, когда атомы радиоактивных элементов превращаются в нерадиоактивные атомы химических элементов и их изотопы. Например, распад урана ( 238 U) завершается образованием нерадиоактивного изотопа свинца ( 206 РЬ).
Промежуток времени ( Т), по истечении которого остается половина начального количества радиоактивных атомов, характеризует скорость распада и называется периодом полураспада. Для определения возраста земной коры используются медленно распадающиеся изотопы, например 238 U (Т≈4,5•10 9 лет), радиоактивный изотоп калия 40 К (Т≈1,3•10 9 лет) и др. Чтобы определить возраст земной коры, сравнивают содержание радиоактивных элементов и продуктов их распада в многочисленных пробах, взятых для анализа. Такое сравнение показывает, что возраст земной коры около 4,5 млрд. лет. Примерно таков же возраст Земли как оформившейся планеты. К 3,5—4,5 млрд. лет близок также возраст лунных пород и метеоритов. Солнце, конечно, не может быть моложе Земли и Луны. Скорее всего возраст Солнца (желтой звезды, находящейся в средней части главной последовательности диаграммы «спектр — светимость») — 5 млрд. лет. Сопоставление возраста Солнечной системы с возрастом Метагалактики (будем считать его равным 15 млрд. лет) показывает, что Солнце нельзя отнести к звездам «первого поколения». Скорее всего, в состав его и планет вошел газ, дважды побывавший в недрах более старых звезд. На ранних стадиях расширения Метагалактики, как вы уже знаете, вообще не было тяжелых химических элементов, которые впоследствии стали центрами конденсации твердых частиц, необходимых для формирования планет.
2. Основные закономерности в Солнечной системе. Космогоническая гипотеза о происхождении планет должна объяснить следующие основные закономерности, наблюдаемые в Солнечной системе:
а) углы наклонения плоскостей орбит планет к плоскости эклиптики не превышают нескольких градусов (у Плутона 17°), причем плоскость эклиптики почти совпадает с плоскостью экватора Солнца;
б) эксцентриситеты орбит планет очень малы;
в) средние расстояния планет от Солнца подчиняются определенному закону (25);
г) планеты движутся вокруг Солнца в том же направлении, в каком Солнце вращается вокруг своей оси (в том же направлении вокруг планет обращается большинство спутников);
д) у большинства планет (за исключением Венеры и Урана) направление вращения вокруг оси совпадает с направлением обращения вокруг Солнца;
е) на долю планет приходится 98% момента количества движения всей Солнечной системы; Солнце обладает лишь 2% момента количества движения;
ж) почти 99,9% массы вещества Солнечной системы приходится на долю Солнца;
з) по своим физическим характеристикам планеты резко делятся на две группы: планеты-гиганты и планеты земной группы.
3*. Первые космогонические гипотезы. Эти гипотезы появились значительно раньше, чем стали известны многие важные закономерности Солнечной системы. Значение первых космогонических гипотез состояло прежде всего в том, что они пытались объяснить происхождение небесных тел как результат естественного процесса, а не одновременного акта божественного творения. Кроме этого, некоторые ранние гипотезы содержали правильные идеи о происхождении небесных тел. Такой, например, оказалась гипотеза, предложенная немецким философом И.Кантом в середине XVIII в. Кант высказал догадку о том, что Солнечная система образовалась из облака пыли.
Подробнее картина образования Солнечной системы вырисовывалась в гипотезе, предложенной в конце XVIII в. французским ученым П. Лапласом. Лаплас рассматривал большую, медленно вращающуюся туманность, состоящую из разреженного горячего газа. При сжатии туманности скорость ее вращения возрастала, туманность сплющивалась. Из ее центральной части образовалось Солнце. По мере сжатия первичного Солнца угловая скорость его вращения вокруг оси увеличивалась (в силу закона сохранения момента количества движения) и в плоскости экватора Солнца стали отделяться газовые кольца. Из концентрической системы этих колец возникли планеты.
Картина получалась настолько наглядной, что очень долгое время гипотеза Лапласа была самой популярной. Однако в XX в. от гипотезы Лапласа пришлось отказаться, так как выяснилось, что она не может объяснить, например, распределение момента количества движения в Солнечной системе.
4. Современные представления о происхождении планет. На первый взгляд может показаться, что по сравнению с грандиозными проблемами космологии и звездной космогонии проблема происхождения Солнечной системы не очень трудна. На самом деле это не так. Проблема происхождения планет очень сложная и далеко еще не решенная проблема, во многом зависящая от развития не только астрономии, но и многих других наук (прежде всего наук о Земле). Ведь пока можно исследовать только единственную планетную систему, окружающую наше Солнце. Мы еще мало знаем о более молодых и более старых планетных системах, недавно открытых у других звезд. Чтобы правильно объяснить происхождение планет, необходимо также знать, как образовались Солнце и другие звезды, потому что планетные системы возникают вокруг звезд в результате закономерных процессов развития материи. И все-таки, несмотря на трудности, ученые убеждены в том, что правильное объяснение будет найдено. Знать, как произошла наша планета, очень важно для дальнейшего развития геофизики, геохимии, геологии и других наук о Земле.
Проблемами планетной космогонии в настоящее время занимаются ученые разных стран. В формирование современной планетной космогонии значительный вклад внесли отечественные ученые. Так, например, на протяжении полувека проблемами планетной космогонии занимался академик В. Г. Фесенков (1889—1972), всегда подчеркивавший, что должна существовать тесная связь между процессом формирования Солнца и процессом формирования планет. В начале 40-х гг. с космогонической гипотезой выступил академик О.Ю. Шмидт (1891—1956).
Наиболееважные выводы планетной космогонии сводятся к следующему:
а) Планеты сформировались в результате объединения твердых (холодных) тел и частиц, входивших в состав туманности, которая когда-то окружала Солнце (рис. 107). Эту туманность часто называют «допланетным» или «протопланетным» облаком. Считается, что Солнце и протопланетное облако сформировались одновременно в едином процессе, хотя пока неясно, как произошло отделение части туманности, из которой возникли планеты, от «протосолнца».
б) Формирование планет происходило под воздействием различных физических процессов. Следствием механических процессов стало сжатие (уплощение) вращающейся туманности, ее удаление от «протосолнца», столкновение частиц, их укрупнение и т. д. Изменялась температура вещества туманности и состояние, в котором находилось вещество. Замедление вращения будущего Солнца могло быть обусловлено магнитным полем, связывающим туманность с «протосолнцем». Взаимодействие солнечного излучения с веществом протопланетного облака привело к тому, что наиболее легкие и многочисленные частицы оказались вдали от Солнца (там, где сейчас планеты-гиганты). Теория, учитывающая все эти процессы, позволяет объяснить многие закономерности в Солнечной системе.
в) Спутники планет (а значит, и наша Луна) возникли, по-видимому, из роя частиц, окружающих планеты, т. е. в конечном итоге тоже из вещества протопланетной туманности. Главный пояс астероидов возник там, где притяжение Юпитера препятствовало формированию крупной планеты. Таким образом, основная идея современной планетной космогонии сводится к тому, что планеты и их спутники образовались из холодных твердых тел и частиц.
Земля как планета в основном сформировалась за время порядка 100 млн. лет и вначале тоже была холодной. Последующий разогрев Земли происходил в результате ударов крупных тел (размером с астероиды), гравитационного сжатия, распада радиоактивных элементов и некоторых других физических процессов. Постепенно в процессе гравитационной дифференциации вещества (т. е. в процессе разделения вещества, состоящего из тяжелых и легких химических элементов) в центре Земли сосредоточивались тяжелые химические элементы (железо, никель и др.), из которых образовалось ядро нашей планеты. Из более легких химических элементов и их соединений возникла мантия Земли.
Кремний и другие химические элементы стали основой формирования континентов, а самые легкие химические соединения образовали океаны и атмосферу Земли. В земной атмосфере первоначально было много водорода, гелия и таких водородсодержащих соединений, как метан, аммиак, водяной пар. Со временем водород и гелий улетучились, а с появлением растений, способных «выдыхать» кислород, земная атмосфера начала обогащаться кислородом, наличие которого представляет одно из необходимых условий существования животного мира.
Уже открыты газопылевые диски, и даже планеты у десятков других звезд. Это поможет развитию планетной космогонии.
Источник
Каков возраст планет Солнечной системы?
Сколько лет существует Земля и остальные планеты? Веками ответить на этот вопрос было невозможно. Первые научные теории стали появляться лишь в XVII в. Используя данные о горных породах, представления о продолжительности биологической эволюции и модели остывания Земли, разные ученые получали цифры от 20 млн до 4 млрд лет.
Лишь с появлением в начале XX в. метода радиоизотопного датирования были получены более точные оценки. Самые древние горные породы Земли обнаружены в Австралии – им порядка 4,404 млрд лет. Однако на Земле могли не сохраниться первоначальные породы, из которых она состояла. Возраст лунного грунта (а Луна моложе Земли, так как возникла после столкновения нашей планеты с другим небесным телом) составляет 4,51 млрд лет. Анализируя возраст метеоритов, возникших при формировании Солнечной системы, Клэр Паттерсон в 1956 году установил, что возраст Земли равен 4,54 млрд лет. Погрешность этой оценки – не более 70 млн лет. С тех пор более точных цифр получено не было.
Возраст других планет примерно совпадает с земным, ведь планеты формировались одновременно. Само Солнце вспыхнуло примерно 4,6 млрд лет назад. После этого из протопланетного диска образовались планеты. Этот процесс занял порядка 100 млн лет, хотя некоторые теории предполагают, что это был значительно более быстрый процесс. Таким образом, все планеты Солнечной системы возникли 4,5-4,6 млрд лет назад.
Однако современные орбиты планет формировались значительно дольше. Изначально Нептун был ближе с Солнцу, чем Уран, однако гравитация Юпитера и Сатурна вытолкнула его значительно дальше, в результате чего он столкнулся с поясом Койпера. Также предполагается, что в Солнечной системе мог существовать ещё один газовый гигант, но гравитация других тел вытолкнула его за пределы нашей системы. Примерно 4 млрд лет назад орбиты газовых гигантов обрели современные очертания, и с тех пор Солнечная система почти не изменялась.
Источник
Сколько лет назад образовалась наша Солнечная система?
На сегодняшний день физики создали достаточно подробную теорию формирования Солнечной системы. Известен даже ее возраст. Каков же он и как его определили? Считается, что Солнечная система возникла 4,568 млрд лет назад. Погрешность этого значения не превышает 1 млн лет. До Солнечной системы на ее месте существовало огромное газопылевое облако, оставшееся после смерти предыдущего поколения звезд (само Солнце относят к третьему поколению звезд). Из-за действия гравитационных сил частицы облака притягивались друг к другу, в результате чего загорелось Солнце, вокруг которого сформировался протопланетный диск. Из него со временем сформировались планеты и другие небесные тела (спутники, астероид, карликовые планеты) нашей системы.
Как ученые определили возраст Солнечной системы?
Существуют специальные способы, называемые радиоизотопным датированием, которые позволяют определить возраст различных минералов (начиная с момента их кристаллизации). В частности, уран-свинцовый метод основан измерении концентрации изотопов этих металлов. Однако на Земле в результате геологических изменений могли не сохраниться те породы, чей возраст равен земному. Поэтому ученые предпочитают изучать те метеориты, которые падают на Землю, ведь они возникли в одно время с Солнечной системой. Наиболее древним является метеорит Альенде, упавший в Мексике в 1969 г. Его возраст достигает 4,568 млрд лет. Анализ лунного грунта показывает, что наш спутник сформировался 4,51 млрд лет назад, то есть через 60 млн лет после возникновения Солнечной системы.
Важно понимать, что возраст Солнца может быть несколько больше, так как оно зажглось раньше формирования метеоритов и планет. Считается, что наше светило вспыхнуло 4,6 млрд лет назад. Для сравнения – возраст же всей нашей Вселенной оценивается в 13,799 млрд лет.
Источник
Откуда нам известен возраст Солнечной системы?
Астрономы и астрофизики с уверенностью определяют возраст солнечной системы. Но каким образом они датируют происхождение нашего мира?
Миллиарды лет назад, в каком-то забытом уголке Млечного Пути, молекулярное облако, не отличающееся от множества остальных, сжалось и сформировало новые звёзды. Одна из них появилась в относительной изоляции, собирая материал из окружающего её протопланетного диска, который, в итоге, превратился в наше Солнце, восемь планет и всю остальную Солнечную систему.
Откуда мы узнали о возрасте солнечной системы
Сегодня учёные заявляют, что Солнечной системе 4,6 млрд лет, плюс-минус несколько миллионов. Но откуда мы это знаем? Равен ли возраст, допустим, Земли и Солнца?
Отличный вопрос, полный нюансов – но наука справится с такой задачей. Вот вам история того, как всё было.
Разрывы, комки материи, спиральные формы и другие асимметрии демонстрируют свидетельства происходящего формирования планет в протопланетном диске вокруг Elias 2-27. Однако какой возраст окажется у различных компонентов системы, которые сформируются в итоге, в общем случае сказать нельзя .
Как формируются звезды
Нам довольно многое известно по поводу возраста и происхождения нашей Солнечной системы. Мы очень многое узнали, наблюдая за формированием других звёзд, изучая удалённые регионы зарождения звёзд, измеряя протопланетные диски, наблюдая за тем, как звёзды проходят различные этапы жизненного цикла, и т.д. Но каждая система развивается по своему, и здесь, в нашей Солнечной системе, через миллиарды лет после появления Солнца и планет остались лишь выжившие объекты.
Изначально все звёзды формируются из предзвёздной туманности, собирающей вместе материю, с объёмным внешним слоем, остающимся холодным, где собираются аморфные силикаты, углеродные компоненты и лёд. Как только в предзвёздной туманности появляется протозвезда, а потом и настоящая звезда, этот внешний материал начинает притягиваться и формировать более крупные комки.
Со временем комки вырастают, перемещаются ближе к центру, взаимодействуют, сливаются, сдвигаются и, возможно, даже выбрасывают друг друга из системы. За промежуток времени от сотен тысяч до миллионов лет после появления звезды появляются и планеты – на космических масштабах это довольно быстро.
И хотя, вероятно, в Солнечной системе было множество промежуточных объектов, по прошествии нескольких миллионов лет Солнечная система стала выглядеть очень похоже на то, что мы имеем сегодня.
Но в ней могли быть и очень важные отличия. Тут мог существовать пятый газовый гигант; четыре оставшихся у нас гиганта могли быть гораздо ближе к Солнцу, и затем отодвинуться дальше; и, что самое важное, между Венерой и Марсом, скорее всего, был не один, а два мира: Протоземля и меньший мир размером с Марс, Тейя. Гораздо позже, возможно, через десятки миллионов лет после формирования других планет, Земля и Тейя столкнулись.
Модель ударного формирования постулирует, что тело размером с Марс столкнулось с ранней Землёй, а осколки, не упавшие обратно, сформировали Луну. Земля и Луна, в результате, должны быть моложе остальной Солнечной системы
Именно в этом столкновении, как мы подозреваем, и появилась Луна: мы называем это явление гипотезой гигантского столкновения. Схожесть лунных камней, привезённых миссией «Аполло», с земным составом, заставило нас подозревать, что Луна сформировалась из Земли. Другие каменистые планеты, которым подозрительно не хватает крупных спутников, скорее всего, не пережили таких крупных столкновений в своей истории.
Газовые гиганты, обладая гораздо большей массой, чем остальные, смогли удержать водород и гелий (самые лёгкие элементы), существовавшие, когда Солнечная система только начала формироваться; с других миров большую часть этих элементов сдуло. Благодаря слишком большой энергии Солнца и недостаточно сильной для их удержания гравитации, Солнечная система начала принимать известную нам сегодня форму.
Иллюстрация молодой звёздной системы Бета Живописца, в чём-то аналогичной нашей Солнечной системе, во время её формирования. Внутренние миры не смогут удержать водород и гелий, если только не будут достаточно массивными
Геофизика
Но теперь уже прошли миллиарды лет. Откуда нам известен возраст Солнечной системы? Совпадает ли возраст Земли с возрастом других планет; можем ли мы обнаружить эту разницу?
Самый точный ответ, как это ни удивительно, даёт геофизика. И это не обязательно означает «физику Земли», это может быть физика всяческих камней, минералов и твёрдых тел. Все такие объекты содержат множество элементов периодической таблицы, и различные плотности и составы соответствуют тому, в каком месте Солнечной системы, в смысле расстояния от Солнца, они сформировались.
Плотности разных тел Солнечной системы. Заметьте взаимосвязь между плотностью и расстоянием от Солнца
Это говорит о том, что различные планеты, астероиды, луны, объекты пояса Койпера, и т.п. должны состоять из различных материалов. Тяжёлые элементы периодической таблицы, к примеру, должны в основном присутствовать на Меркурии, а не, допустим, Церере, которая, в свою очередь, должна быть богаче Плутона. Но думается, что универсальным должен быть процент различных изотопов одних и тех же элементов.
При формировании Солнечной системы в ней должен сохраняться определённая пропорция, допустим, углерода-12 к углероду-13 и к углероду-14. У углерода-14 по космическим меркам маленький период полураспада (несколько тысяч лет), поэтому весь доисторический углерод-14 уже исчез. Но углерод-12 и углерод-13 стабильны, и значит, что при обнаружении углерода по всей Солнечной системе у него должно быть одно и то же относительное содержание изотопов. Это касается всех стабильных и нестабильных элементов, и изотопов Солнечной системы.
Количество элементов в сегодняшней Вселенной, измеренное по нашей Солнечной системе
Поскольку Солнечной системе уже миллиарды лет, мы можем искать изотопы с периодами полураспада в миллиарды лет. Со временем эти изотопы будут распадаться, и изучая пропорции продуктов распада по отношению к изначальному оставшемуся материалу, мы можем определить, сколько времени прошло с момента формирования этих объектов.
Для этой цели наиболее надёжными элементами будут уран и торий. У урана есть два основных, встречающихся в природе изотопа, U-238 и U-235, и они отличаются продуктами и скоростью распада, однако, находящимися в пределах миллиардов лет. У тория наиболее полезным изотопом оказывается Th-232.
Но самое интересное – лучшее свидетельство возраста Земли и Солнечной системы обнаруживается вовсе не на Земле!
Рисунок художника с изображением столкновения, которое 466 млн лет назад породило множество падающих сегодня метеоритов
Метеориты — помошники
На Землю падало достаточно много метеоритов, и мы измерили и проанализировали их состав по элементам и изотопам. Главным образом мы наблюдаем за свинцом: отношение Pb-207 к Pb-206 меняется со временем из-за распада U-235 (что приводит к появлению Pb-207) и U-238 (откуда появляется Pb-206).
Расценивая Землю и метеориты как части одной развивавшейся системы – то есть, что отношения количества изотопов в них должны быть одинаковыми – мы можем посмотреть на самые старые из найденных на Земле свинцовых руд, чтобы подсчитать возраст Земли, метеоритов и Солнечной системы.
Это довольно неплохая оценка, дающая нам цифру порядка 4,54 млрд лет. Погрешность оценки не превышает 1%, но это всё же неопределённость размером в десятки миллионов лет.
Метеорный дождь Леониды 1997 года, вид из космоса. Когда метеоры сталкиваются с верхней частью атмосферы Земли, они сгорают и порождают яркие чёрточки и вспышки света, которые мы связываем с метеорными дождями. Иногда падающий камень оказывается достаточно большим, чтобы достичь поверхности, и становится метеоритом
Но мы можем поступить лучше, чем просто собрать всё вместе! Конечно, это даёт хорошую общую оценку, но мы думаем, что Земля и Луна моложе метеоритов.
Мы можем изучить самые старые метеориты, или те, что демонстрируют наиболее крупное отношение изотопов свинца, чтобы попробовать оценить возраст Солнечной системы. Мы получим цифру в 4,568 млрд лет.
Мы можем изучить лунные камни, не подверженные геологическим изменениям, какие проходили на Земле. Их возраст составляет 4,51 млрд лет.
И, наконец, мы можем проверить сами себя. Всё это было основано на предположении, что отношение U-238 к U-235 одинаково по всей Солнечной системе. Но новые свидетельства, полученные за последние 10 лет, показали, что это, вероятно, не так.
Существуют места, где U-235 обогащён на 6% больше типичного значения. Согласно Грегори Бреннеке:
С 1950-х, или даже ещё раньше, никто не мог обнаружить разницы в пропорциях урана. Теперь мы смогли найти небольшие различия. И это была проблемой для нескольких людей в области геохронологии. Чтобы точно сказать, что нам известен возраст Солнечной системы на основании возраста камней, они обязательно должны совпадать друг с другом.
Но два года назад было обнаружено решение проблемы: ещё один элемент играет свою роль. Кюрий, элемент более тяжёлый и с меньшим периодом полураспада, чем даже плутоний, при распаде превращается в U-235, что объясняет эти различия. В результате погрешность [определения возраста] составляет всего несколько миллионов лет.
Протопланетные диски, из которых, как считается, формируются звёздные системы, со временем соберутся в планеты, как на рисунке. Важно понять, что центральная звезда, отдельные планеты и оставшийся изначальный материал (который, к примеру, может превратиться в астероиды), могут отличаться по возрасту на десятки миллионов лет
Так что, в целом, мы можем сказать, что старейший из известных нам в Солнечной системе твёрдых материалов датируется 4,568 млрд лет, с погрешностью в 1 млн лет. Земля и Луна примерно на 60 млн лет моложе, они приняли свою окончательную форму позже. Кроме того, мы не можем узнать это, изучая только Землю.
Но Солнце, как ни удивительно, может быть немного старше, поскольку его появление должно предшествовать появлению твёрдых объектов, составляющих остальные компоненты Солнечной системы.
Солнце может быть на десятки миллионов лет старше самых старых камней Солнечной системы, возможно, приближаясь к отметке в 4,6 млрд лет. Главное – искать все ответы за пределами Земли. По иронии, это единственный способ точно узнать возраст нашей собственной планеты! опубликовано econet.ru
Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях. Подпишитесь на наш ФБ:
