Общая геология Лекция 1 Земля в космическом

Общая геология Лекция № 1 Земля в космическом пространстве

План Лекции № 1 Часть I. Введение в геологи 1. Что такое геология 2. Краткая история развития геологии 3. Основные ветви геологической науки Часть II. Понятие о вселенной и ее происхождении 1. Вселенная, ее состав и формы материи 2. Происхождение Вселенной, теория Большого Взрыва, возможное будущее 3. Метагалактика, туманности, звезды, галактики 4. Галактика Млечного пути, ее строение Часть III. Солнечная система 1. Происхождение СС 2. Строение СС: облако Оорта, пояс Койпера, планеты, астероиды, кометы 3. Солнце, ее состав, строение, возможное будущее 4. Внутренние планеты 5. Внешние планеты 6. Малые тела СС: спутники планет, астероиды, транснептуновые объекты, карликовые планеты, астероиды, метеориты, кометы.

Часть 1 Ведение в геологию

Литература • А. Ф. Якушова, В. Е. Хаин, В. И. Славин. Общая геология/ Под ред. В. Е. Хаина. - М, : Изд-во МГУ, 1988. -448 с.

Н. В. Короновский Общая геология: Учебник. – М. : Изд-во МГУ, 2002. – 448 с.

Н. В. Короновский Общая геология: учебник/ Н. В. Короновский. - КДУ, 2006. - 528 с.

Практическое руководство по общей геологии: учеб. пособие для студ. вузов/ А. И. Гущин, М. А. Романовская, А. Н. Стафеев, В. Г. Талицкий под ред. Н. В. Короновского. - 2 -е изд. стер. - М. : Издательский центр «Академия» , 2007. - 160 с.

Что такое современная геология • Геология (от греч. «гео» - Земля и «логос» - знание, наука. Геология – наука о Земле. Норвежец М. П. Эшольт (M. P. Escholt) в 1657 году. • Геология изучает строение, состав, историю развития Земли и процессы, протекающие и протекавшие в её недрах и на поверхности. География изучает устройство поверхности Земли, её взаимодействие с гидросферой, атмосферой, биосферой. • Рельеф – отражение на поверхности глубинного геологического строения и эндогенных процессов, приведших к формированию тех или иных структур земной коры.

Краткая история развития геологии • Доисторический период. Первобытное общество. Каменный век, Бронзовый век, Железный век. • Древние цивилизации, III-V вв. до н. э. Аристотель, Аристарх Самосский, Пифагор и Геродот, Древний Китай. • Эпоха Возрождения, XIV- XVIII века. Леонардо да Винчи, Агрикола (О горном деле и металлургии, 1555); Н. Коперник, Н Стено. До VIII века – период накопления первичных геологических знаний. • Вторая половина VIII века – начало научной геологии. Ж. Л. Бюффон (Теория Земли 1749 г. и Эпохи природы. 1778 г. ), И Кант, М. В. Ломоносов (О слоях земных, 1763), А. Вернер, Дж. Хаттон, П. С. Лаплас. • Современная геологическая наука

Первый геолог на Земле

Задачи и отрасли современной геологии I. Геологические науки, изучающие вещество: Минералогия – объект минералы – природные химические Минералогия соединения, слагающие горные породы Кристаллография – объект минералы, обладающие Кристаллография кристаллической структурой Петрология – объект магматические и метаморфические Петрология горные породы Литология – объект осадочные горные породы Литология Геохимия – наука о химическом составе Земли. Геохимия

II. Динамическая геология, изучает геологические процессы, изменяющие земную кору и её поверхность • Тектоника (геотектоника) – наука о строение земной коры Тектоника (литосферы) и её изменения во времени • Геодинамика – наука, изучающая физические процессы, Геодинамика которые обусловливают развитие твердой Земли в целом, и силы, их вызывающие • Геоморфология – наука о рельефе поверхности земной Геоморфология коры и его происхождении.

III. Историческая геология, рассматривает историю развития земной коры и всей нашей планеты • Палеогеография – изучает смену физико-географических Палеогеография условий на поверхности Земли • Палеотектоника – изучает изменения тектонических Палеотектоника условий в развитии Земли • Стратиграфия – изучает последовательность накопления осадочных и вулканогенных пород, их первоначальные взаимоотношения в пространстве, отвечающие этапам развития Земли и её органического мира • • Палеонтология – изучает остатки древних, вымерших Палеонтология организмов и помогает установить относительный возраст осадочных пород, которые их содержат.

IV. Геофизика, изучает Земли с помощью естественных и создаваемых физических полей. • Гравиметрия – изучает распределение аномального поля Гравиметрия силы тяжести с целью исследования глубинного строения Земли. • Магнитометрия – изучает строение земной коры, измеряя Магнитометрия изменения напряженности магнитного поля на поверхности Земли и во времени. • Геоэлектрика – исследует глубинное строение Земли с Геоэлектрика помощью естественных, или созданных искусственно, электрических и электромагнитных полей. • Сейсмология – наука о землетрясениях. Исследует Сейсмология внутреннее строение Земли с помощью упругих волн, вызванных землетрясениями или искусственно возбужденных (взрывы, удары и т. д. ) • Термометрия – исследует тепловое поле Земли. Термометрия • Радиометрия – изучает естественную радиоактивность Радиометрия горных пород с целью поисков радиоактивных руд.

Задачи современной геологии Прикладные 1. Добыча полезных ископаемых (рудные и нерудные). Инженерно-геологические изыскания (строительство зданий, плотин, каналов, железных дорог, нефте -и газопроводов и т. д. ). 2. Предупреждение природных катастроф (землетрясения, оползни, сели, переработка берегов, карст). Теоретические 1. Изучение происхождения и выявление закономерностей развития Земли в целом и всех слагающих ее составных частей. 2. Прогноз будущего Земли и человечества. Геоэкология.

Наиболее значимые достижения современной геологии Прогресс во всех областях геологии в ХХ веке. Причина – появление новых методов и инструментов исследования, следовательно, и инструментов объектов исследования. объектов - Геология океанов - Тектоника литосферных плит - Космическая геология

Часть 2 Происхождение Вселенной Галактика Млечного пути

Земля в космическом пространстве Знание наше ограничено, незнание – бесконечно. П. -С. Лаплас.

Вселенная и ее происхождение Вселенная - весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам материи. Не исключено существование других Вселенных. По современным представлениям, Вселенная возникла около 13, 7 млрд. лет назад в результате Большого Взрыва из сингулярного Большого Взрыва состояния с бесконечно большой температурой и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. расширяется охлаждается А. А. Фридман (1922 г. ) предсказал расширение Вселенной и предположил возникновение ее в результате взрыва, который произошел одновременно и повсюду, заполнив образовавшееся одновременно и повсюду пространство изначально очень плотным веществом, из которого плотным веществом через миллиарды лет образовались звёзды, галактики, Солнце, планеты и т. д. В 1948 г. Г. А. Гамов предположил, что первичное вещество Вселенной было еще и очень горячим. Согласно Гамову, очень горячим электромагнитное излучение первичного горячего вещества не должно исчезнуть, т. е. в космосе должно существовать фоновое постоянное излучение.

Подтверждения Большого Взрыва 1929 г. – первое фактическое подтверждение теории Большого Взрыва Э. Хаббл открывает Э. Хаббл общее расширение Вселенной. Согласно эффекту Доплера спектр удаляющегося объекта смещается в красную зону, т. н. красное смещение.

1965 г. – второе фактическое подтверждение теории Радиоинженеры А. Пензиас и Р. Вильсон случайно обнаруживают фоновое космическое электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне, с длиной волны 7, 35 см. Излучение однородно с точностью до тысячных долей процента, его интенсивность постоянна по всему небу. Температура излучения составляет 2, 728ºК. Третье фактическое подтверждение теории - теории наблюдаемый химический состав Вселенной, состоящей приблизительно из ¾ (по массе) водорода и ¼ гелия с гелия небольшой (порядка 1%) примесью прочих элементов. Согласно теории Большого Взрыва Н и Не образуются в Не первые минуты существования Вселенной. Прочие тяжелые элементы образуются гораздо позднее внутри звёзд и попадают в межзвёздное пространство в звёзд результате взрывов сверхновых звезд.

На что был похож Большой Взрыв? Неверно. Вещество, подобно бомбе взорвалось в центре Неверно Вселенной. Давление было высоким в центре и низким в окружающей пустоте, что и вызвало разлёт вещества. Верно. Это был Взрыв самого пространства, который привёл Взрыв пространства вещество в движение. Наше пространство и время возникли в Большом Взрыве и пространство начало расширяться. в Большом Взрыве

Расширяются ли объекты во Вселенной? Неверно. Расширение Вселенной заставляет и всё, Неверно находящееся в ней увеличиваться. Верно. Связанные объекты во Вселенной не Верно расширяются. Взаимное притяжение соседних галактик пересиливает расширение. Формируются скопления такого размера, которые соответствуют их равновесным состояниям.

Могут ли галактики удаляться со скоростью выше скорости света? Неверно. Не могут. Чем Неверно дальше галактика, тем выше её скорость (стрелки), но, если скорость света предел, то скорость удаления должна в итоге стать постоянной. Верно. Могут! Скорость удаления Верно бесконечно возрастает с расстоянием. Дальше некоторого расстояния (радиус Хаббла) она превышает скорость света. Это не нарушение ТО, т. к. удаление вызвано не движением в пространстве, а расширением самого пространства.

Размеры наблюдаемой Вселенной Неверно Вселенной ~ 14 млрд. световых лет, поэтому наблюдаемая её часть должна иметь радиус ~ 14 млрд. свет. лет. Верно Пространство расширяется, поэтому радиус наблюдаемой области > 14 млрд. свет. лет. Пока свет летит к нам, пространство, которое он преодолевает расширяется и расстояние до испустившей его галактики становится больше.

Эволюция Вселенной В 1 -ую секунду после Большого Взрыва возникли электроны, нейтроны, протоны и лучевая энергия, возникло пространство и время. ТºС Вселенной того периода оценивается в 100 млрд. ºС. В течение первых 4 -х минут сформировались атомы гелия и дейтерия (ТºС ниже 1 млрд. ºС), потом в течение примерно 1 млн. лет шло формирование всех других атомов (ТºС неск. тыс. ºС). В течение следующего млрд. лет происходило образование протогалактик, т. е. сгустков космической материи, на месте которых в последующие 5 млн. лет формировались первичные галактики. Современная средняя ТºС Вселенной оценивается в -270ºС, т. е. приближается к абсолютному нулю по Кельвину (-273 ºС). С момента Большого Взрыва происходит непрерывное расширение Вселенной, выражающееся в разбегании галактик во всех направлениях друг от друга и от центра Вселенной, и уменьшении ее средней плотности, соответствующей на сегодня примерно 1 грамму вещества, распыленному в кубе с ребром равным 40 тыс. км.

Будущее нашей Вселенной -31 -30 В кубе с длиной ребра 40 000 км содержится 1 г вещества Вещество распределено неравномерно: одиночные элементарные частицы и атомы, молекулы, крупные газовые и пылевые туманности, звезды, галактики и т. д

Итак : Наша Вселенная расширяющаяся. Наша Вселенная остывающая. Наша Вселенная не вечна. Гипотезы развития Вселенной:

Расстояния во Вселенной Огромный интервал пространственных масштабов от размеров электрона (10 -13 см) до границ видимой Вселенной (10 28 см) 1 астрономическая единица, а. е. – единица измерения а. е расстояний равная среднему радиусу орбиты Земли или расстоянию от Земли до Солнца – 149, 6 млн. км. В научно – популярной литературе используют понятие световой год – расстояние, проходимое светом в вакууме год за год, приблизительно равное 63 241, 1 а. е. или 9 400 млрд. км, а также понятие парсек Парсек (1 пк) ≈ 206 265 а. е. ≈ 3, 258 св. года. Парсек (1 пк) 1 световой год ≈ 0, 306601 пк.

Парсек — расстояние, с которого средний радиус земной орбиты (равный 1 а. е. ), перпендикулярный лучу зрения, виден под углом в одну угловую секунду (1″).

Примеры некоторых расстояний • Расстояние от Солнца до ближайшей звезды Проксима Центавра ≈ 1, 3 пк = 4, 22 св. года. • Расстояние от Солнца до центра нашей Галактики ≈ 10 кпк ≈ 32 000 св. лет. • Диаметр нашей Галактики ≈ 30 кпк ≈ 100 000 св. лет. • Расстояние до Туманности Андромеды ≈ 0, 77 Мпк = 772 кпк ≈ 2, 5 млн. св. лет. • Ближайшее к нам крупное скопление галактик, скопление Девы, находится на расстоянии 18 Мпк ≈ 59 млн. св. лет.

Метагалактика Наблюдаемая с С Земли с помощью современной астрономической аппаратуры часть нашей Вселенной называется Метагалактика - объём, заполненный звёздами, галактиками, скоплениями галактик (всего около 1 млрд. галактик), радиусом ~14 млрд. св. лет. Звёзды – основное население Метагалактики. Звёзды – шарообразные горячие газовые Звёзды (плазменные) самосветящиеся небесные тела, подобные Солнцу. Звёзды состоят из водорода (70 -80%) и гелия (20 -30%), остальные химические элементы – от 0, 1 до 4%. Звезды сосредотачивают в себе до 90% видимого вещества нашей Вселенной. Источник тепловой энергии звёзд – термоядерная реакция в их недрах. реакция

Звёздные скопления А Б А – рассеянное скопление, сотни молодых звёзд. Б – шаровое скопление, сотни тысяч старых, маломассивных звёзд. Одиночные звезды встречаются редко

Галактики (греч. galaktikos – млечный) • Галактики – звёздные системы, связанные гравитационным притяжением (сотни млрд. звёзд). • Диаметр галактик - от нескольких тысяч до сотен тысяч световых лет. • По внешнему виду галактики делят на: - спиральные (S), - эллиптические (Е), - неправильные (Ir).

Спиральные галактики – самые многочисленные Спиральная галактика М 31 Туманность Андромеды

Эллиптическая галактика М 87 в созвездии Девы

Неправильные галактики Галактика Большое Магелланово Облако Галактика М 82 в созвездии Большой Медведицы

Группы галактик включают несколько десятков галактик Наша Местная группа галактик включает 50 галактик и имеет диаметр 3, 3 млн. св. лет. Самые крупные в Местной группе галактики - Млечный путь и Туманность Андромеды (находится от нас на расстоянии 2, 3 млн. св. лет) Остальные – карликовые

Сверхскопления галактик • Включают в себя свыше 90% всех существующих галактик. • Занимают около 10% всего объёма пространства нашей Вселенной. • Обладают массами на 15 порядков больше массы Солнца. Пример: ближайшее к нам Местное сверхскопление галактик – Сверхскопление Девы, размер ~ 200 млн. св. лет. В состав МСС Сверхскопление Девы входят ~ 100 групп и скоплений галактик и около 30 тысяч галактик

Ячеистая структура Метагалактики Сверхскопления имеют сильно вытянутую форму и напоминают ленты или цепочки длиной в несколько сотен млн. световых лет. Пересекаясь они образуют ячейки (воиды), внутри которых галактик практически нет.

Галактика Млечного пути

Млечный Путь (ГМП) – типичная спиральная галактика

Млечный Путь Гигантская звёздная система, одна из многочисленных галактик нашей Вселенной. В 3/5 расстояния от центра Галактики находится Солнце, которое совершает оборот вокруг центра ГМП за 220 (± 10%) млн. лет со скоростью 240 км/сек.

Положение нашей Галактики Местная группа входит в Сверхскопление Девы Вместе с галактикой Туманность Андромеды (М 31) и меньшими галактикамиспутниками (~50) Галактика Млечного Пути образует Местную группу галактик.

Состав Галактики 1. Звёзды и звёздные скопления. Всего звёзд от 200 до 400 миллиардов. 2. Газовые и пылевые туманности. 3. Межзвёздный газ и межзвёздная пыль. 4. Гравитационные и магнитные поля и потоки электрически заряженных частиц (космические лучи). Строение Галактики Балдж

Ядро и рукава Ядро Галактики проецируется на созвездие Стрельца. В его центре, возможно, располагается массивная черная дыра, гравитационное действие которой заставляет соседние звёзды двигаться по необычным траекториям. У Галактики МП есть спиральные рукава. Солнечная система расположена в рукаве Ориона.

Часть 3 Происхождение и строение Солнечной системы

Происхождение Солнечной системы Этапы эволюции протосолнечного газопылевого облака I. Первоначальная протосолнечная газопылевая туманность и звезда, впоследствии ставшая сверхновой (> 4, 7 млрд лет). II. Туманность попала в сферу действия сверхновой (4, 7 млрд. лет). III. В выведенной из равновесия туманности начинаются процессы упорядочения, аккреции вещества туманности и вращение. IV. Центральное сгущение превратилось в Солнце, началось формирование планет (4, 6 -4, 5 млрд. лет).

Газово-пылевые туманности и взрыв сверхновой звезды

Солнечная система

Строение Солнечной системы Нептун Сатурн Уран Юпитер Марс Солнце Земля Меркурий Пояс астероидов Венера

Строение Солнечной системы Пояс Койпера (>30 -55 а. е. ).

Строение Солнечной системы Облако Оорта (50 000 -100 000 а. е. ).

Размеры Солнечной системы -до орбиты Нептуна – 30 а. е. -до орбиты Плутона – 40 а. е. -до внешней границы пояса Койпера ~ 55 а. е. -до внешней границы облака Оорта ~ 100 000 а. е.

Солнце ☼ Звезда по имени Солнце - центральная и единственная звезд СС Масса ☼ ≈ 99, 8% массы всей СС ☼ состоит из H (~ 73%), He (~ 25%), на долю других 67 х/э приходится ~ 2% от массы. По спектральной классификации ☼ относится к типу G 2 V (желтый карлик). Источник энергии ☼ - термоядерный синтез He из Н. ☼ вращается вокруг центра Галактики, делая один оборот за 220 -230 млн. лет. V ≈ 240 км/с.

Гелиосфера - область околосолнечного пространства, в Гелиосфера которой плазма солнечного ветра движется со сверхзвуковой скоростью. Первые десять млрд. км скорость ветра - более тысячи км/с, скорость на уровне орбиты Земли - около 400 км/с. По мере столкновения с межзвёздной средой, происходит торможение ветра и смешение с ней. Граница, вдоль которой уравновешивается давление солнечного ветра и межзвёздной среды, называется гелиопауза. Т. е. в гелиосфере магнитное поле Солнца, а . также солнечный ветер доминируют над межзвездными излучениями, а на ее границе, энергия частиц солнечного ветра падает до уровня излучения космических лучей. По современным представлениям, гелиосфера простирается на 100 -150 а. е.

Строение Солнца

Атмосфера Солнца: корона+хромосфера Корона – самая внешний слой атмосферы Солнца. Т до 5 Корона млн. ºК. Прослеживается на расстояние до 12 -15 млн. км. Корональная арка Корона во время полного затмения Солнечный ветер – поток ионизированных частиц (плазмы), в основном протонов, электронов и γ-частиц, имеющий скорость 1200 -300 км/с и распространяющийся до границ гелиосферы.

Хромосфера – внешняя оболочка толщиной ~ 10000 – 15000 км. Т от 4000 до 15000 ºК. Основной элемент структуры – спикулы, вытянутые, наклонно торчащие струи газа.

Фотосфера Видимая поверхность ☼, основной источник света и тепла. Средняя T- 5800 ºК. По фотосфере определяют размеры Солнца. Мощность – 300 км. Здесь рождаются протуберанцы Имеет гранулированную структуру за счет конвективных ячеек, светлых –горячих до 8000ºК, темных – холодных. Наблюдаются области пониженной Т, до 1500 ºК, – солнечные пятна.

Внутреннее строение Солнца Зона конвекции до глубины Зона конвекции ~200 тыс. км. Зона переноса энергии к поверхности за счёт вихревого перемещения плазмы. Т ~ 2 млн. ºК. Зона радиации – зона Зона радиации переноса энергии с помощью переизлучения фотонов. Т ~10 млн. ºК. Ядро – центральная часть с Ядро радиусом ~ 150 тыс. км, где идут термоядерные реакции. Т>14 млн. ºК.

Будущее Солнца

Сравнительные размеры планет

Внутренние планеты, или планеты земной группы Сравнительные размеры Меркурий Марс Венера Земля

Внутреннее строение планет земной группы Меркурий. 1. Ядро Fe 2. Мантия 3. Кора Марс Венера Земля Все эти планеты твёрдые!

Меркурий

Венера Вулкан Маат, Земля Иштар

“Радиально-трещиноватые центры” [Shubert et al. , 1991] 64 структуры Đ = 150 -200 км Вид на СВ. Вертикальный масштаб увеличен в 20 раз. Совмещение радарного изображения и альтиметрических данных.

- структуры растяжения Трехмерные изображения новы (гора Мбокому). Вид на З-ЮЗ. Вертикальный масштаб увеличен в 20 раз.

Марс

Внешние планеты, планеты – гиганты Сравнительные размеры Уран Юпитер Сатурн Нептун

Внутреннее строение планет-гигантов Земля Уран Юпитер Жидкий молекулярный водород Жидкий металлический водород Нептун Сатурн Газообразный водород, гелий, метан Мантия (лёд воды, аммиака, метана) Ядро (силикаты? , лёд) Эти планеты – газово-жидкие!

Юпитер

Сатурн

Малые тела СС Луна

Ледяная корка на Европе Вулканы на Ио

Структура поверхности спутника Сатурна Титана и спутников Юпитера Ганимеда и Европы

Карликовые планеты Церера Реголит Мантия (водяной лёд) Каменное ядро Орбита лежит между Марсом и Юпитером в поясе астероидов. Форма – сфероид размером 975 х909 км. Масса в 6000 раз меньше массы Земли.

Астероиды – малые планеты 33 х13 км 578 х458 км В Солнечной системе насчитывается десятки тысяч астероидов Матильда 60 х48 км

Формы и орбиты астероидов

Ударные процессы на Земле Астроблемы – метеоритные кратеры Кратер Барингера, Аризона, Диаметр 1, 2 км, глубина 175 м, возраст 50000 лет. Кратер Bosumtvi, Гана. Диаметр 10, 5 км, возраст 1, 3 млн. лет Астроблема от греч. astra - звезда и blema — рана, т. е. «звёздная рана» Астроблема

Строение астроблем Импактиты – метаморфические породы, образующиеся в результате Импактиты ударного (импактного, от англ. impact - ударять) изменения горных пород Строение астроблем (По В. И. Фельдману, 2010): 1 -5 – импактиты; 5 - разрывные нарушения; 6 - породы мишени http: //www. pereplet. ru/obrazovanie/stsoros/845. html

Метеориты Метеорит Гоба, 60 тонн, Намибия Каменные метеориты, хондриты По составу метеориты делятся на: -каменные (92, 8 % всех находок), -железо-каменные и -железные. Среди каменных выделяют хондриты (85, 7 % общего числа находок) и ахондриты Железо-каменный метеорит

Кометы – хвостатые звёзды Строение кометы Ядро –твёрдые частицы и лёд Кома – оболочка из газа и пыли Хвост – смесь разреженного газа и пыли (от др. -греч. κομήτης, komḗtēs — волосатый, косматый

Кометы (от греч. komḗtēs — волосатый, косматый) Комета Галлея 12 марта 1986 года

Спасибо за внимание!