VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Горы Солнечной системы
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Человека издавна привлекали горы не только своей красотой и практической пользой, но и с научной точки зрения. Горы изучаются разными науками: геология (наука о строении Земли), минералогия, вулканология, горная наука и др. Геология вышла за пределы нашей планеты. Развиваются космическая геология, космохимия, космология (наука о свойствах Вселенной).
Лет 40 назад родилось новое направление - сравнительная планетология. Рождение этого направления связано с именем геохимика Кирилла Павловича Флоренского. Работая на месте взрыва Тунгусского метеорита, его экспедиция обнаружила следы взрыва - мельчайшие магнитные шарики, изучение свойств которых стало началом сравнительной планетологии. Эта наука стала быстро развиваться после появления хороших оптических приборов и фотографий с запускаемых космических аппаратов.
Гипотеза: зная особенности космических тел, можно предположить максимальную высоту гор на любом космическом объекте.
Целью работы является моделирование способа определения максимальной высоты гор на объектах Солнечной системы.
Для достижения поставленной цели поставлены следующие задачи:
1) выяснить какие самые высокие горы в Солнечной системе и способы их образования;
2) сравнить физические свойства планет;
3) вывести теоретическую модель определения максимальной высоты гор на различных небесных телах.
Объект исследования: горы Солнечной системы.
Предмет исследования: возможная высота гор.
Методы исследования: аналитический, поисковый, сравнительно-сопоставительный анализ полученной информации.
Основная часть
1. Солнечная система и горы
Эпиграфом к нашей работе стали слова ученого-геолога А.Е. Ферсмана. В книге «Занимательная минералогия» он написал: «Вся Вселенная со всеми своими кометами, звездами, туманностями и планетами построена довольно однообразно. Одни и те же вещества составляют ее основу… Наша Земля лишь кусочек Вселенной, и ее законы – законы всего мироздания».
По современным данным Солнечная система состоит из 9 планет, более 60 спутников, более 20 тысяч астероидов (малых планет), миллионов комет и других, более мелких по размерам тел, которые вращаются вокруг Солнца. Горы обнаружены на некоторых планетах и спутниках.
Все планеты Солнечной системы делятся на 2 группы: планеты Земной группы (Меркурий, Марс, Земля, Венера) и газовые гиганты (Сатурн, Юпитер, Уран, Нептун).
Сатурн и Юпитер − огромные шары газа с небольшим твердым ядром в центре. Уран и Нептун – ледяные гиганты (замерзшие газы). На газовых планетах гор быть не может, т.к. они не имеют коры.
Из названия «Земная группа» следует, что планеты имеют схожую историю. Они начали формироваться одновременно 4-5 млрд. лет назад. Все имеют кору, мантию и ядро. Похожим способом устроена и Луна. Эти планеты могут иметь горы.
2. Земные горы
Сначала мы рассмотрим процесс горообразования на нашей планете. Горы на Земле занимают 24 % поверхности планеты, имеют разную высоту и способ образования. Древние люди, пытаясь объяснить причину появления гор, придумывали легенды. Например, что горы – это гигантские люди, которых боги в наказание превратили в камень. Иногда люди-гиганты оживают и показывают свой жестокий характер.
Геологи утверждают, что внутри нашей планеты скрывается огромная сила, которая до сих пор формирует рельеф (поверхность суши) Земли. Молодые горы все время «растут», примерно на 8 см в год. Старые – постоянно разрушаются под действием ветра, воды, разницы в температуре.
2.1 Как образуются земные горы
Земля состоит из нескольких слоев. Верхний слой - литосфера (твердая оболочка Земли), включает в себя земную кору и твердый верхний слой мантии.
Следующий слой – астеносфера – вязкий слой мантии, на котором плавают огромные литосферные плиты.
Глубже основная мантия, отсюда начинается действие вулканов и землетрясений.
Потом внешнее – жидкое ядро (отвечает за магнитное поле Земли). И в самом центре твердое внутреннее ядро.
Наличие ядра и слоев мантии учеными доказано на теоретическом уровне, потому что никто еще до таких глубин не добрался.
Движение литосферных плит (тектоника плит) похоже на движение огромных льдов по реке. Твердые плиты, как льдины, сталкиваются и налезают друг на друга. На поверхности происходит землетрясение, появляются новые горы.
Считается также, что образование складчатых гор может быть связано с действием силы тяжести. Земля имеет форму шара, все частицы планеты стремятся расположиться симметрично центу планеты и давят друг на друга. Тяжелые горные породы вытесняют на поверхность более легкие. Это ведет к неровности поверхности гор.
Изменение положения плит происходит очень медленно, всего на несколько сантиметров в год. Но за миллионы лет так образовалось множество горных систем.
Слои мантии постоянно перемешиваются: раскаленные слои поднимаются, холодные опускаются. При этом некоторые литосферные плиты затягиваются в глубину мантии, плавятся от высокой температуры и превращаются в магму. Магма более легкая по своему составу, чем мантия, начинает подниматься и увеличивается в объеме, словно дрожжевое тесто. Магма поднимает земную кору и остывает. Так образуются куполообразные горы.
Магма может найти в коре слабый слой и вырваться наружу вместе с газами, водой, камнями и пеплом. Так образуются вулканические горы. Стекающую по склонам магму принято называть лавой. Обычно вулканы имеют форму конуса. Но иногда во время извержения стены обрушиваются, и образуются огромные впадины - кальдеры.
2.2 Самые высокие земные горы
Используя информацию из Интернета, мы составили сравнительную таблицу «Зависимость высоты гор от способа их образования».
Полученные данные наглядно демонстрируют, что самые высокие горы на Земле – складчатые горы. А гора Эверест (Джомолунгма) в Гималаях - самая высокая гора суши, достигает 8848 м.
На втором месте по высоте горы-вулканы. Всего на поверхности Земли известно 800 действующих вулканов. Большинство из них находятся на берегах и островах Тихого океана. На дне этого океана около 1000 гор вулканического происхождения высотой больше 1 км.
Если учитывать подводную и надводную часть гор, то самой высокой окажется вулкан Мауна-Кеа на Гавайских островах. Его общая высота 10 203 метра.
Самые высокие вулканы на суше: Килиманджаро в Африке (5895 м), Котопахи (5897 м) и Мисти (5821 м) в Южной Америке, Орисаба (5700 м) и Попокатепетль (5452 м) в Мексике.
3. Сравнение планет Земной группы
Планеты Земной группы отличаются размерами, толщиной слоя литосферы и размером ядра. Выдвигают разные предположения о состоянии ядра и мантии этих планет. Многие ученые склоняются к факту, что эти части жидкие, но разной густоты и температуры.
На Меркурии, Венере, Марсе и Луне нет океанов, поэтому толщина литосферных плит под всей поверхностью коры примерно одинаковая. Возможно вся литосфера цельная.
Поэтому возвышенно и горы на этих планетах образованы вулканическим способом.
На Венере толщина коры, как на Земле, и самая горячая мантия. Спускаемые аппараты обнаружили на ее поверхности 800 действующих вулканов. В Солнечной системе по вулканической активности с Венерой может поспорить только спутник Юпитера Ио.
На Луне, Меркурии и Марсе вулканическая деятельность когда-то также была активной. Есть возвышенности, горы, кратеры вулканов, «моря» - огромные углубления, заполненные базальтом (горной породой).
4. Способ определения максимальной высоты гор
Мы предполагаем, что на высоту гор космических тел могут действовать следующие факторы:
1) размер планеты и толщина литосферы (чем больше эти показатели, тем больше в планете тепла – для планет Земной группы);
2) сила тяжести (условие преодоления силы притяжения);
3) наличие атмосферы
4) воздействие соседних объектов (ударные процессы и приливные возмущения).
Рассмотрим эти характеристики для каждой планеты.
Меркурий. Сила тяжести меньше, чем на Земле, в 3 раза.Самая маленькая планета (в 2,5 раза меньше Земли по размеру и в 20 раз меньше по массе). Падающие метеориты разрушают кору. Со стороны Солнца поверхность нагревается до +400 градусов, с обратной стороны остывает до -300 градусов.
Выводы: плотность планеты позволяет горам подняться выше, чем на Земле, но все остальные условия ведут к снижению высоты: быстрое движение вокруг Солнца, тонкая мантия, не позволяющая коре углубляться. Верхний слой планеты разрушается от ударов метеоритов и перепад температуры. Наивысшая точка на Меркурии – 4 км.
Вернера. Планета по своим размерам близка к Земле. Плотность выше земной. Вращается вокруг Солнца быстрее Земли. Имеет толстый слой атмосферы, который защищает планету от метеоритов, но давит на поверхность в 90 раз сильнее земной атмосферы. Атмосфера на 95 % процентов состоит из углекислого газа. Толстый слой облаков создает парниковый эффект: температура постоянно высокая до +500 градусов, на поверхность капает серная кислота.
Вывод: горы на Венере могли бы быть значительно выше земных, если бы не тяжесть и состав атмосфера. Серная кислота способна медленно разрушить даже крепкий базальт. На Венеры есть горы высотой 12 км.
Земля. Ученые считают, что толщина земной коры колеблется от 5-6 км под океанами до 40-50 км под материками. Корни самых высоких гор опускаются в мантию еще глубже. Под Гималаями гранитный слой около 70 км. Значит, чем больше гора, тем «крепче» должна быть опора под ней.
Допустим, что высота какого-то объекта на Земле 18 км, т.е. в 2 раза выше Эвереста. Тогда основание горы спустится на глубину 150 км, где температура достигает +1500 градусов, т.е. температуры плавления гранита и базальта. Это граница между литосферой и астеносферой. Нижний край горы начнет плавиться, и гора опускаться. При этом от давления рядом с горой поднимается новая гора, выдавленная под тяжестью первой.
Массу самой высокой горы на Земле - Мауна-Кеа (10203 м) - уравновешивает вода океан. Известно, что плотность воды меньше, и масса предмета в воде уменьшается. Поэтому горы на Земле не могут быть выше 10 км.
Марс. Также как на Меркурии сила тяжести на Марсе меньше, чем на Земле, в 3 раза. Толщина коры до 135 км. По размерам Марс меньше и легче Земли. Есть неплотная атмосфера. Имеет два спутника. Подвержен влиянию соседней планеты Юпитер. Из-за удаления от Солнца температура низкая, – 70 градусов.
Вывод: сила тяжести создает условия для существования высоких гор, которые раза в 3 выше, чем на Земле. Наличие приливного влияния спутников и Юпитера также способствуют росту гор. Уменьшают высоту гор метеориты и процессы выветривания.
На Марсе находятся самые большие горы Солнечной системы. Это потухшие вулканы. Олимп имеет диаметр 600 м и высоту 21-24 км. Гора Аскрийская, Гора Павлина и Гора Арсия достигают высоты до 27 км.
Луна. Луна в 81 раз легче Земли. Как и на Меркурии на Луне полностью отсутствует атмосфера, вся поверхность в следах от ударов метеоритов. Сила тяжести на Луне в 6 раз меньше земной. В таких условиях лавы при извержении должно подняться в 6 раз больше. Наверно так и было. Луна остыла примерно 3 млрд лет назад. В наши дни спутник Земли похож на большой холодный камень. Горы на Луне достигают 8 км. Есть гипотеза, что они горы образованы ударом крупных астероидов.
Заключение
В работе мы выяснили условия возникновения гор на планетах Земной группы и Луне. Подтвердились слова А.Е. Ферсмана, что Вселенная «построена довольно однообразно». Однообразно, но не одинаково. Планеты отличаются свойствами и условиями существования. На высоту гор влияют размер планеты и толщина ее литосферы, сила тяжести, наличие атмосферы, воздействие соседних объектов. Зная эти показатели, можно предположить максимальную высоту гор на любом космическом объекте. Ученые столетиями собирают и анализируют факты, стремятся по ним установить причинно-следственные связи и, в конечном итоге, вывести новые законы природы.
Список литературы
Энциклопедия для детей. Том 8. Астрономия [Текст]. – М.: Мир энциклопедий Авеста +, Астрель, 2009. - 688 с.
Самые высокие горы Солнечной системы [электронный ресурс]. URL: http://youinf.ru/gors_post/ (Дата обращения: 19.01.2019).