Страница 261 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. Каков состав ядер планет земной группы?

Каков состав ядер планет земной группы?

Планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) имеют схожее внутреннее строение, которое включает в себя центральное металлическое ядро, окруженное силикатной мантией и корой. Основными компонентами ядер этих планет являются железо ($Fe$) и никель ($Ni$). Однако состав, размер и физическое состояние (жидкое или твердое) ядер у каждой планеты имеют свои особенности.

• Земля: Ядро Земли изучено наиболее подробно с помощью сейсмологических данных. Оно состоит из двух частей: жидкого внешнего ядра и твердого внутреннего ядра. Обе части состоят преимущественно из железо-никелевого сплава. Во внешнем ядре, по оценкам, содержится до 10-15% более легких элементов, таких как сера, кислород, кремний и углерод. Эти примеси понижают температуру плавления сплава. Внутреннее ядро считается почти полностью состоящим из твердого железа и никеля.
• Меркурий: Эта планета обладает аномально большим ядром, которое составляет около 85% от радиуса планеты (для сравнения, у Земли — около 55%). Предполагается, что ядро Меркурия, как и у Земли, богато железом и никелем. Данные космического аппарата MESSENGER указывают на то, что ядро, вероятно, частично расплавлено (имеет жидкую внешнюю часть) и, возможно, даже обладает твердым внутренним ядром, подобно Земле. Наличие у Меркурия собственного магнитного поля подтверждает существование жидкой, конвектирующей части ядра.
• Венера: Внутреннее строение Венеры, "сестры" Земли по размеру и массе, предположительно очень схоже с земным. Считается, что у нее есть металлическое ядро, состоящее из железа и никеля. Однако, в отличие от Земли, у Венеры отсутствует глобальное магнитное поле. Это может означать, что ее ядро либо полностью жидкое (и в нем нет конвекции, необходимой для генерации поля), либо полностью затвердело, либо конвекция в жидком ядре по каким-то причинам прекратилась. Точный состав и состояние ядра Венеры остаются предметом исследований.
• Марс: Ядро Марса меньше и менее плотное, чем у Земли. Данные, полученные спускаемым аппаратом InSight, позволили уточнить его характеристики. Ядро Марса полностью жидкое и состоит из железо-никелевого сплава с большой примесью более легких элементов, в основном серы (около 20% по массе). Также могут присутствовать кислород, углерод и водород в меньших количествах. Высокое содержание серы значительно понижает температуру плавления, объясняя, почему ядро до сих пор остается жидким, несмотря на более быстрое остывание Марса по сравнению с Землей.

Таким образом, общим для всех планет земной группы является наличие железо-никелевого ядра. Различия заключаются в его относительном размере, физическом состоянии (соотношении твердой и жидкой фаз) и количестве примесей легких элементов.

Ответ: Ядра планет земной группы состоят в основном из железа и никеля. В зависимости от планеты, в состав ядра также могут входить в значительном количестве более легкие элементы, такие как сера, кислород, кремний и углерод.

2. Почему у Луны отсутствует железное ядро?

Современное научное представление о ядре Луны

Вопрос об отсутствии у Луны железного ядра основан на несколько устаревших данных. Современные исследования, основанные на сейсмических данных миссий «Аполлон» и анализе гравитационного поля Луны, показывают, что у Луны все же есть ядро. Однако оно значительно меньше по сравнению с ядром Земли и имеет свои особенности, что и породило исходный вопрос.

Теория гигантского столкновения (Импактная гипотеза)

Наиболее признанной теорией, объясняющей как формирование Луны, так и особенности её состава, является теория гигантского столкновения. Согласно этой гипотезе, около 4,5 миллиарда лет назад, на заре формирования Солнечной системы, прото-Земля столкнулась с другим крупным небесным телом размером примерно с Марс. Этот гипотетический объект получил имя Тейя.

Процесс формирования Луны и её состав

Столкновение было колоссальной силы и произошло по касательной. В результате:

• Тяжелое железное ядро Тейи погрузилось вглубь прото-Земли и слилось с её собственным ядром. К тому моменту на обоих телах уже произошла дифференциация недр, то есть тяжелые элементы (железо, никель) опустились к центру, образовав ядро, а более легкие силикаты сформировали мантию.
• Огромное количество вещества из мантий (внешних, силикатных оболочек) обоих тел было выброшено на околоземную орбиту.
• Из этого облака обломков, состоящего преимущественно из легких силикатных пород и обедненного железом, со временем под действием гравитации сформировалась Луна.

Таким образом, основная масса железа, которая была и у прото-Земли, и у Тейи, оказалась сконцентрирована в ядре новообразованной Земли. Материал, из которого образовалась Луна, был взят преимущественно из мантий, где содержание железа значительно ниже.

Характеристики лунного ядра

Хотя Луна сформировалась из материала, бедного железом, некоторая его часть все же присутствовала. Под действием гравитации более плотные элементы, включая оставшееся железо, со временем опустились к центру спутника, образовав ядро. Современные данные позволяют описать его так:

• Малый размер: Радиус ядра составляет примерно 330 км, что составляет лишь около 20% от общего радиуса Луны (1737 км). Для сравнения, радиус ядра Земли составляет более 50% от радиуса планеты.
• Низкая масса: Масса лунного ядра оценивается всего в 1-2% от общей массы Луны (у Земли ядро составляет около 32% массы).
• Строение: Предполагается, что ядро состоит из твердого внутреннего ядра (радиусом около 240 км), богатого железом, и жидкого внешнего ядра (до радиуса 330 км). Его окружает частично расплавленный слой на границе с мантией.

Ответ:

Утверждение о полном отсутствии у Луны железного ядра некорректно; ядро есть, но оно очень маленькое. Причина этого кроется в гипотезе формирования Луны в результате гигантского столкновения прото-Земли с планетой Тейя. В ходе этого катаклизма тяжелые железные ядра столкнувшихся тел слились и стали частью ядра Земли. Луна же сформировалась из выброшенных на орбиту обломков их силикатных мантий, которые были значительно беднее железом. Поэтому ядро Луны составляет лишь 1-2% от её массы, в отличие от земного, составляющего около 32% массы нашей планеты.

3. Какой астрономический объект называют кометой?

Кометой называют малое небесное тело, которое обращается вокруг Солнца по очень вытянутой, эллиптической орбите. По своей структуре комета представляет собой "грязный снежок" — это конгломерат, состоящий из льда (замороженной воды, метана, аммиака, углекислого газа), смешанного с пылью и твердыми скалистыми частицами.

Большую часть времени комета проводит на далеких окраинах Солнечной системы и представляет собой холодное, темное ядро размером от нескольких сотен метров до десятков километров. В этом состоянии она практически невидима с Земли.

Когда комета на своей орбите приближается к Солнцу, солнечное тепло вызывает сублимацию (переход из твердого состояния сразу в газообразное) льдов на ее поверхности. Этот процесс приводит к образованию вокруг ядра обширной газопылевой оболочки, называемой комой. Диаметр комы может достигать сотен тысяч километров.

Из вещества комы под воздействием солнечного ветра (потока заряженных частиц от Солнца) и давления солнечного света формируются характерные хвосты кометы. Хвосты всегда направлены в сторону от Солнца. Как правило, у кометы можно выделить два основных хвоста:

• Пылевой хвост: состоит из твердых пылинок, вытолкнутых из комы давлением света. Он имеет желтоватый цвет, так как просто отражает солнечный свет. Из-за орбитального движения кометы этот хвост часто выглядит широким и изогнутым.
• Ионный (газовый) хвост: состоит из ионизированного газа, который "сдувается" солнечным ветром. Он светится голубым или синеватым светом (за счет флуоресценции ионов, например, угарного газа CO⁺) и направлен практически строго от Солнца по прямой линии.

Считается, что источниками комет служат две области на периферии Солнечной системы: пояс Койпера, расположенный за орбитой Нептуна, и гипотетическое облако Оорта, которое окружает Солнечную систему на огромном расстоянии.

Ответ: Комета — это малый астрономический объект, состоящий из смеси льда, пыли и камней, который при приближении к Солнцу из-за нагрева образует газопылевую оболочку (кому) и вытянутый хвост.

4. В чём особенность образования планет земной группы?

Решение

Особенности образования планет земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) определяются их положением во внутренней части протопланетного диска, близко к молодому Солнцу. Процесс их формирования можно разделить на несколько ключевых этапов, отличающих их от планет-гигантов.

1. Температурные условия и «линия инея» (снеговая линия):

В ранней Солнечной системе существовал сильный градиент температур: чем ближе к прото-Солнцу, тем выше была температура. Существует условная граница, называемая «линией инея» или снеговой линией, которая находилась примерно между орбитами Марса и Юпитера.

• Внутри снеговой линии (где формировались планеты земной группы) температура была слишком высокой для того, чтобы летучие соединения, такие как вода ($H_2O$), аммиак ($NH_3$) и метан ($CH_4$), могли конденсироваться в твердые частицы (лед). Здесь в твердом состоянии могли существовать только тугоплавкие вещества: металлы (железо, никель) и силикаты (каменные породы).
• За снеговой линией температура была достаточно низкой, чтобы летучие соединения замерзали. Это привело к тому, что общее количество твердого вещества, доступного для формирования планет, было там в несколько раз больше.

2. Состав и процесс аккреции:

Из-за ограниченного набора строительных материалов (только металлы и силикаты) протопланеты в этой зоне росли медленнее. Процесс формирования шел путем аккреции:

• Мельчайшие пылинки слипались, образуя более крупные тела — планетезимали (размером в несколько километров).
• Планетезимали, в свою очередь, сталкивались и объединялись под действием гравитации, формируя более крупные протопланеты.
• На финальной стадии произошла серия гигантских столкновений между несколькими десятками протопланет, в результате которых и сформировались четыре планеты земной группы с их нынешними массами и орбитами.

3. Размер и атмосфера:

Так как тугоплавкие вещества составляли лишь малую долю (около 0.6%) от общей массы протопланетного диска, планеты земной группы не смогли набрать большую массу. Их гравитация оказалась недостаточной для захвата и удержания значительных объемов легких газов — водорода и гелия, которые составляли основную массу туманности. Кроме того, мощный солнечный ветер молодого Солнца быстро «сдул» остатки этих газов из внутренней части системы.

В результате планеты земной группы получились небольшими, плотными, каменистыми телами с твердой поверхностью. Их современные (вторичные) атмосферы образовались значительно позже за счет вулканической дегазации недр и частичной доставки летучих веществ кометами и астероидами из внешних областей Солнечной системы.

В отличие от них, за снеговой линией ядра планет-гигантов быстро росли за счет аккреции не только камня и металлов, но и льдов. Достигнув массы в несколько масс Земли, они смогли своей мощной гравитацией захватить огромные объемы водорода и гелия, превратившись в газовых гигантов.

Ответ: Главная особенность образования планет земной группы заключается в том, что они формировались во внутренней, горячей части протопланетного диска (внутри «снеговой линии»). Это привело к тому, что их строительным материалом могли быть только тугоплавкие вещества (металлы и силикаты). Из-за относительного дефицита этого материала планеты выросли небольшими по размеру и массе, получились плотными и каменистыми, и не смогли удержать первичную атмосферу из водорода и гелия.

5. Каков состав атмосферы планет земной группы?

Планеты земной группы — это четыре ближайшие к Солнцу планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Их атмосферы существенно различаются по плотности, давлению и химическому составу.

Меркурий

Меркурий практически лишён атмосферы в традиционном понимании. Он окружён чрезвычайно разреженной газовой оболочкой, которую правильнее называть экзосферой. Давление на поверхности в триллионы раз меньше земного. Эта газовая оболочка состоит из атомов, выбитых с поверхности планеты солнечным ветром и микрометеороидами. Основные компоненты экзосферы: кислород (около 42%), натрий (около 29%), водород (около 22%), гелий (около 6%) и калий (около 0,5%). Состав крайне непостоянен.

Ответ: Меркурий обладает крайне разреженной экзосферой, состоящей в основном из атомарного кислорода ($O$), натрия ($Na$), водорода ($H$) и гелия ($He$).

Венера

Венера обладает очень плотной, горячей и токсичной атмосферой, которая создаёт мощный парниковый эффект, разогревая поверхность до температур около 467°C. Атмосферное давление у поверхности примерно в 92 раза превышает земное. Её основной состав: углекислый газ ($CO_2$) — около 96,5%; азот ($N_2$) — около 3,5%; а также незначительные примеси диоксида серы ($SO_2$), аргона ($Ar$), водяного пара ($H_2O$) и угарного газа ($CO$). Характерной чертой являются плотные многослойные облака из капелек серной кислоты ($H_2SO_4$).

Ответ: Атмосфера Венеры на 96,5% состоит из углекислого газа ($CO_2$) и на 3,5% из азота ($N_2$), отличается высокой плотностью, давлением и наличием облаков из серной кислоты.

Земля

Атмосфера Земли имеет уникальный состав, который сформировался в том числе под влиянием живых организмов и поддерживает жизнь. Основные компоненты сухого воздуха у поверхности: азот ($N_2$) — около 78,08%; кислород ($O_2$) — около 20,95%; аргон ($Ar$) — около 0,93%; углекислый газ ($CO_2$) — около 0,04%. Также в атмосфере содержатся переменное количество водяного пара ($H_2O$), который играет ключевую роль в климате, и следовые количества других газов, таких как неон ($Ne$), гелий ($He$), метан ($CH_4$) и криптон ($Kr$). Высокое содержание свободного кислорода — результат жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов.

Ответ: Атмосфера Земли состоит преимущественно из азота (~78%) и кислорода (~21%), с небольшой долей аргона (~0,9%) и незначительным количеством других газов, включая углекислый газ и водяной пар.

Марс

Марс обладает разреженной атмосферой, давление у его поверхности составляет всего около 0,6% от земного. По своему основному составу она напоминает венерианскую, но является несравнимо более тонкой. Основные компоненты: углекислый газ ($CO_2$) — около 95,3%; азот ($N_2$) — около 2,7%; аргон ($Ar$) — около 1,6%. Также присутствуют небольшие количества кислорода ($O_2$), угарного газа ($CO$) и водяного пара ($H_2O$). Из-за низкой плотности атмосфера Марса слабо удерживает тепло, что приводит к большим суточным перепадам температур на поверхности.

Ответ: Атмосфера Марса — разреженная, состоит в основном из углекислого газа ($CO_2$, ~95,3%), с примесями азота ($N_2$, ~2,7%) и аргона ($Ar$, ~1,6%).