Тема 6. Космология. Геофизика

Развитие представлений о строении Вселенной

Наблюдение за картиной неба было развито среди цивилизаций Египта, Древнего Шумера, Древней Индии, майа, ацтеков, инка и других древних очагов культуры. От этих цивилизаций до нас дошли в основном монументальные памятники архитектуры, которые имеют расположение в пространстве, сориентированное на определенные небесные визиры.

Наиболее древние литературные свидетельства наблюдения астрономической картины дошли до нас в форме памятников ведической культуры. В этих произведениях параллельно развиваются два подхода к описанию астрономической реальности. Одна точка зрения отображена в древних хрониках (пуранах), а другая точка зрения – в трактатах по астрономии (джйотиша-шастрах). В пуранах Вселенная описывается как многомерное образование и ее описание не соответствует нашему наблюдению. С другой стороны, в астрономических трактатах содержатся очень точные на то время измерения солнечной системы. Эти различия продиктованы разными системами отсчета. В целом же они не противоречивы. Это индивидуальные взаимосогласующиеся способы постижения Вселенной. Пураническая космология есть результат интуитивного постижения реальности, а эмпирическая модель мира была построена на наблюдении и математическом анализе. Мы только в XX веке приходим к пониманию многогранности реальности. Ранее западная наука  базировалась на представлении о том, что  природа  может  быть полностью  описана  единственной рациональной  моделью мира. Однако, традиционная культуры исходит из того, что человек не способен полностью описать мироздание, даже имея бесконечно долгое время. Поэтому подход  традиционной культуры к  описанию  природы  базируется  на стратегии представления  многих  взаимно  совместимых  аспектов одного, не доступного описанию человеком,  завершенного целого^[44].

 

Веды, пураны,	3 тыс. до н.э.	Модель 14 вертикальных миров «островов», расположенных в замкнутой  сферической Вселенной (брахманда).  Число вселенных бесконечно. Они появляются как пузырьки из пор кожи Творца Маха-Вишну и расширяются во время его выдоха, а во время вдоха, погружаются обратно. Взаимодействие между вселенными не происходит, т.к. они покрыты 8 оболочками.   Параллельно развиваются представления о шарообразной земле (бху голам).
Аристарх Самосский	III в. до н.э	Возникновение идеи гелиоцентрической системы мира.
Гиппарх	II в. до н.э.	Открытие прецессии земной оси
К. Птолемей	90-168 гг.	Рассчитал расстояние от Земли до Луны (29,5 диаметров Земли, современный ответ – 30,2). Исследовал преломление света и дал завершенную форму геоцентрической теории мироздания
Бируни	973-1048	Определение радиуса Земли и положения Солнца
От атомистов до Ньютона		С течением времени Вселенная не изменяется

Общая характеристика Вселенной

Космология – астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, заключающая в себе и определенное понимание свойств всей Вселенной. Космография – это описание Вселенной.

– Экваториальный диаметр Солнца = 1 392 000 км.

–       Солнечная система простирается на 50–100 тыс. а.е.^[45]

– Возраст всей Солнечной системы (ок. 4,6 млрд. лет) характеризуется содержанием радиоктивных элементов в метеоритах. В основе метода определения абсолютного возраста горных пород также лежит определение соотношения радиоктивных изотопов, входящих в состав минералов.

–       Диаметр нашей спиральной Галактики близок к 30 тыс. пс^[46].

– Космическое излучение является источником естественного радиационного фона Земли.

В дополнение к регистрируемой материи Вселенной, выдвигается гипотеза существования значительной доли темной материи (до 95 %), не испускающей излучения, определяемой по косвенно гравитационным эффектам.

Космическая шкала времени

Точка сингулярности – это момент нераздельного существования всего вещества во Вселенной. Только представьте, с точки зрения физики, мы все с Вами, всё вещество во Вселенной происходит из одной порции энергии. Большой адронный коллайдер, запущенный в 2008 г. в Европе, может заглянуть в эпоху, исчисляемую как одна миллионная после Большого взрыва. Однако преодолеть предел 10^-43 сек не удастся, похоже, никогда. За этой гранью перестаёт действовать общая теория относительности.

 

Космическое время	Эпоха	То (К)	Характерные процессы и явления	Время (назад)
0	Сингулярность		«Кипение» физического вакуума	20 млрд л.
10 -43 сек	Планка	1032	Рождение элементарных частиц. Во Вселенной доминирует излучение
10-35 сек	Барионов	1028	Установление числа барионов, возникновение ассиметрии между материей и антиматерией
10-8 сек	Андронов	1014	Аннигиляция протон-антипротонных пар
10-3 сек	Лептонов	1012	Аннигиляция электронно-позитрониых пар
100 сек	Синтеза ядер	109	Становление первоначального химического состава Вселенной (Н-70%, Не-30%)
10000 лет	Вещества		Во Вселенной доминирует вещество
108 лет	Прозрачной Вселенной	3500	Отделение излучения от вещества	19,7
1 -2 млрд. лет			Начало образования галактик, разбегание галактик[47]	19-18
3			Галактики начинают образовывать скопления	17
4			Сжатие нашей Протогалактики	16
4,1			Образование звезд	15,9
15.2			Образование межзвездного облака, давшего начало Солнечной системе	4,8
15,4		2.7	Образование планет
16,1	КАТАРХЕЙ		Образование самых древних земных пород	3,9
17	АРХЕОЗОЙ		Прокариоты (бактерии и сине-зеленые)	3,5 - 2,6
18	ПРОТЕРОЗОЙ		Атмосфера обогащается кислородом	2,6
19	Рифей		Зарождение макроскопических форм жизни	1
19,4	Венд		Ранние окаменелости. Кишечнополостные	600 млн.л
19,420  19,425 19,49  19,575	ПАЛЕОЗОЙ Ранний кембрий Поздний кембрий Ордовик Ранний силур		Иглокожие, трилобиты,  брахиоподы.  Фораминисферы, моллюски.  Беспозвоночные Челюстноротые,  бесчелюстные	580  575  515 450  425
19,580	Поздний силур		Первые растения на суше	420
19,610	Ранний девон		Рыбы, папоротники, бескрылые насекомые	390
19,630 19,690 19,735 19,755 19,850 19,880 19,939 19,944 19,955	Поздний девон Поздний карбон Ранняя пермь МЕЗОЗОЙ Ранний триас Поздняя юра Ранний мел КАЙНОЗОЙ Палеоцен Эоцен Олигоцен Миоцен Плиоцен		Голосеменные. Крылатые Насекомые. Зверообразные Ящеры Динозавры Птицы. Покрытосеменные Приматы Злаки Грызуны       Проконсул, ориопитек Австралопитек	370 310 265 245 150 120 61 56 45 40 38 25 5
19,998	Плейстоцен Голоцен		Питекантроп Неандертальцы Кроманьонцы	2 0,01 0,004

 

Что было до сингулярности? В физике развиваются представления о виртуальном квантовом вакууме, который флуктуирует в бесконечном множестве состояний (10⁵⁰⁰). Вселенная рождается из точки бифуркации неравновесного состояния вакуума. После этого вещество рабегается и мы получаем модель «пульсирующей» Вселенной. В связи с обнаружением большого количества гравитационных эффектов во Вселенной, астрофизиками была выдвинута гипотеза существования невидимой «тёмной» материи.

Гипотезы происхождения солнечной системы

Название	Гипотеза	«Минусы» гипотезы
Небулярная гипотеза (Кант, Лаплас, О.Ю. Шмидт и др.)	Все небесные тела Солнечной системы произошли из одного протопланетного облака, которое оказалось захваченным Солнцем. Кант, Лаплас полагали, что Солнце и планеты происходят из одного газово-пылевого облака. Шмидт вводит две туманности: из одной возникает Солнце, а вторая притягивается Солнцем и образует планеты.	1. Неравномерное распределение момента количества движения: несмотря на то, что масса всех планет в 750 раз меньше массы Солнца, на долю Солнца приходится около 2% момента количества движения, а на долю планет – около 98%. 2. Количество движения каждой планеты на ее единицу массы. После встречи с Солнцем части облака должны были бы иметь одинаковый удельный момент количества движения. 3. Диффузная материя не может служить материалом, пригодным для прямого получения из него небесных объектов Солнечной системы, т.к. составляет менее 1 % видимого вещества во Вселенной. 4. Неоднородное распределение вещества протопланетного облака[48]. 5. Обратное вращение третей части всех спутников солнечной системы. 6. Различные наклоны плоскости экватора у планет к плоскости своей орбиты.
Гипотеза налипания	Массы небесных тел происходит посредством присоединения диффузной материи из космоса, а также падений более мелких тел на поверхность более крупных.	См. недостатки 3, 4, 5 предыдущей гипотезы
Гипотеза захвата	Вещество притягивается Солнцем извне. Тела тормозятся и меняют гиперболическую орбиту на эллиптическую	1. Такой тормозящий эффект не может быть создан Солнцем, учитывая скорость движения планеты-гиганта по гиперболической орбите. 2. Столкновение также не может гарантировать ровного распределения тел по орбитам, ибо обычно столкновение на скорости несколько десятков километров в секунду приводит к образованию потока астероидов. 3. До сих пор мы не знаем о существовании свободных гигантских тел, вращающихся по гиперболическим орбитам. 4. Одни планеты вращаются вокруг своей оси в прямом направлении, а другие (Венера, Уран) – в обратном.
Гипотеза самопроявления  Д.Х. Джинс (1877-1946)	Планеты произошли из струи вещества, вырванного из Солнца притяжением пролетавшей мимо звезды.	1. Вещество, вырванное из Солнца стало бы обращаться вокруг него на расстоянии нескольких солнечных радиусов, тогда как радиусы планет орбит составляют сотни и тысячи радиусов Солнца. 2. Вырванное вещество, имея температуру в миллионы градусов, рассеялось бы в пространстве, если бы оно распределялось по гиперболической орбите. Если бы оно следовало эллиптической орбите, то попало бы обратно на солнце. 3. Неясно, как могут образоваться из гелия и водорода силикатные планеты с таким неоднородным составом.

Строение и развитие Земли

Средняя мощность земной коры составляет 35 км, верхней мантии – до 200 км, средней мантии – до 900 км, нижней мантии – до 2900 км, внешней части ядра – 2900- 5000 км, переходной зона между внутренним и внешним ядром – 5000 до 5100 км, внутреннего ядра – от 5100 до 6371 км. Внутренне ядро состоит их железа (80%) и никеля (20%). Температура мантии – 2000- 2500° С, внутреннего ядра – 4500- 6000"С.

В XIX в. сформировалось две концепции развития Земли. «Теория катастроф» Ж. Кювье утверждала, что развитие осуществляется посредством скачков, катастроф. Эволюционная теория Ч. Лайеля основывалась на развитии посредством небольших изменений, осуществляющихся в одном направлении. Суммируясь эти изменения приводят к значительным результатам.

 

Концепции движения материков

Первая гипотеза мобилизма была сформулирована немецким геофизиком А. Вегенером в 1912: В Карбоне (геологический период) существовал единый массив суши - Пангея. Пангея раскололась на Лавразию и Гондвану. 135 млн. лет назад Африка отделилась от Южной Америки, а 85 млн. лет назад Северная Америка - от Европы; 40 млн. лет назад Индийский материк столкнулся с Азией и появились Тибет и Гималаи. Основание этой модели заключается в сходстве очертаний материков, как частей расколовшегося когда-то единого праматерика Пангеи;  эмпирическом обнаружении в конце 50-х годов расширения дна океана; сходстве геологического строения, верхнепалеозойской флоры и фауны приатлантических континентов (особенно Африки и Южной Америки).

Вторая гипотеза мобилизма называется «новая глобальная тектоника»: литосфера разбита на крупные плиты, которые перемещаются по астеносфере (слой пониженной вязкости в верхней мантии Земли; вероятно, в ней происходит перетекание вещества, которое вызывает вертикальное и горизонтальное движение участков блоков литосферы) в горизонтальном направлении. Близ срединно-океанических хребтов литосферные плиты наращиваются за счет вещества, поднимающегося из недр, и расходятся в стороны. В глубоководных желобах одна плита подвигается под другую и поглощается мантией. Там, где одна плита сталкивается с другой плитой, образуются складчатые участки блоков литосферы. Изучение литосферы сегодня не обходиться без учета взаимодействия общества и геологической компоненты. Новая глобальная тектоника может быть ответственной за океанизацию прибрежных материковых зон и составляет альтернативу Киотской угледорной концепции потепления климата Земли.

 

Экологические функции литосферы

Ресурсная функция верхних горизонтов литосферы заключается в ее потенциальной способности обеспечения потребностей биоты (экосистем) абиотическими ресурсами, в том числе и потребностей человека теми или иными полезными ископаемыми, необходимыми для существования и развития человеческой цивилизации. Ресурсные потребности человека давно вступили в противоречие с потребностями биоты в целом. Около 70% добываемых полезных ископаемых в мире составляют энергоресурсы, нехватка которых все растет. На фоне нехватки собственных природных ресурсов энергопотребители стремятся захватить мировые рынки сбыта полезных ископаемых, прежде всего нефти, угля, металлических и полиметаллических руд и т.д., объявляя их зоной национальных экономических интересов. Малейшие «сбои» в этих зонах приводят к тяжелейшим, прежде всего энергетическим и экономическим, кризисам в этих странах. В конечном итоге такой путь развития губителен для людей: все большее число стран, переходя в стадию экономически высокоразвитых государств, с одной стороны, будет вынуждено вступать в конфликты из-за ресурсов, а с другой - все более интенсивно эксплуатировать ресурсы слаборазвитых стран.

Геодинамическая функция литосферы в экологическом аспекте проявляется в ходе различных геологических процессов (экзогенных - оползней, обвалов, селей, береговой абразии, подтопления и т.д. и эндогенных – землетрясений, вулканических извержений и т.д.), так или иначе влияющих на различные экосистемы, в том числе и человеческое общество. Эти процессы, как указывалось выше, делятся на природные геологические и процессы, вызванные человеком. Техногенное воздействие человека на литосферу приводят к не только к локальным бедствиям (эрозия почвы, обвалы, наводнения), но и способы инициировать масштабные катаклизмы (землетрясения, цунами, смещение орбиты Земли).

Геохимическая функция литосферы заключается в ее активном участии в процессах круговорота веществ в природе. Выделяют механическую, физико-химическую, биогенную и техногенную миграцию миграцию веществ.

Географическая функция литосферы – это способность поверхности Земли долгое время сохранять сухопутные и водные границы. Движение материков составляет сейчас несколько сантиметров в год, но оно ускоряется при активном техногенном воздействии на литосферу.

Итак, экологические функции литосферы –  функции, определяющие роль и  значение литосферы в  жизнеобеспечении биоты, и  главным образом человеческого  сообщества. Во всем мире затраты на восстановление естественного равновесия в литосфере пока очень малы. Однако плата человека за вмешательство в природную среду год от года увеличивается. В США ассигнования на природоохранные мероприятия в 1990 финансовом году составили 12,7 млрд. долларов. В России на эти цели выделяется ассигнований почти в 10 раз меньше.

 

План семинарского занятия по теме № 6.

1.     Развитие представлений о строении Вселенной.

2.     Солнечная система.

3.     Строение и эволюция Земли.

4.     Экологическое значение литосферы.

 

Задания

1. Поставьте сценку о слоне, которого постигали слепые мудрецы. Чему нас учит в понимании Вселенной притча?

2. Смоделируйте будущее Вселенной.

3. Чем отличается астрология от астрономии? Является ли астрология наукой?

4. К каким политическим последствиям может привести движение материков?

5. Россия тратит ежегодно миллионы рублей на космическую программу, в то время как сотни тысяч её граждан лишены собственного жилья; не хватает больниц, детских садов, сельских дорог. Оправданы ли такие расходы? Ответ обоснуйте.

6. Какие законы определяют статус искуственных и естественных космических объектов? Имеет ли юридическую силу продажа звёзд, участков на Луне и планетах?