|
|
Астрономия и Космос: Солнечная система и ее строение.
В Солнечной системе живут самые разнообразные обитатели. Планеты с их лунами, кометы, астероиды, метеорные рои и межпланетная среда, удерживаемые гравитационным притяжением Солнца. Если не говорить о Солнце, в свете которого меркнет все, то главными членами Солнечной системы являются планеты. Планеты являются вторыми по значимости, потому что они - самые массивные тела, находящиеся на орбитах вокруг Солнца. Планеты и астероиды движутся вокруг Солнца по орбитам, лежащим близко к плоскости земной орбиты и солнечного экватора и в том же направлении, что и Земля. Орбиты больших планет лежат в пределах 40 а.е. от Солнца, хотя область гравитационного влияния Солнца намного больше. Кометы, наблюдаемые внутри Солнечной системы, возможно, происходят из облака Оорта, находящегося на расстоянии многих тысяч астрономических единиц.
Планеты в Солнечной системе собрались в две компании. Более близкой к Солнцу является четверка планет земной группы. Они получили своё название за сходство с нашей планетой Земля. На уже почтенных расстояниях от центрального светила расположились планеты-гиганты. Их тоже четыре. Давайте посмотрим, чем же эти две группы друг от друга отличаются.
Планеты земной группы
К планетам земной группы относятся Меркурий , Венера, Земля и Марс (в порядке удаленности от Солнца). При исследовании этих планет выяснилось, что все они обладают малыми размерами и, главное, массами. Самая массивная из планет земной группы - Земля - в 330 000 раз легче Солнца. Однако плотность планет земной группы довольно велика: в среднем, она в пять раз больше плотности воды.
Обратите внимание на то, как Солнце расположено относительно центра орбит. Видно, что для орбит Земли и Венеры Солнце находится почти в центре. По меньшей мере, на глаз увидеть то расстояние, на которое Солнце от центра отстоит, трудно. Для Меркурия и Марса очевидна эллиптичность их орбит, о центра которых Солнце заметно удалено. Орбиты Марса и особенно Меркурия существенно вытянуты. Посмотрите, как меняется расстояние до орбиты Земли в разных точках орбиты Марса.
Планеты земной группы довольно по-разному вращаются вокруг своей оси: один оборот длится от 24 часов для Земли и до 243-х суток у Венеры.
У планет есть атмосферы: довольно плотная у Венеры и почти незаметная у Меркурия. Можно даже, не боясь сильно ошибиться, сказать, что Меркурий атмосферы не имеет. Земля в этом показателе ближе к Венере, а Марс занимает промежуточное положение между нашей планетой и Меркурием. Состоят эти атмосферы из веществ, молекулы которых относительно тяжелы. В атмосферах Земли, Венеры, Марса можно обнаружить углекислый газ, водяные пары, азот. Схож и химический состав планет первой четвёрки. Они, в основном, состоят из соединений кремния (силикатов ) и железа. Остальные элементы, конечно, тоже присутствуют, но их относительно немного.
Строение планет земной группы также одинаково. В центре планет есть железные ядра разной массы. По-видимому, только Венера не имеет расплавленного железного ядра. У остальных часть его находится в жидком состоянии. Выше ядра находится слой, который называют мантией. Это те самые соединения кремния, о которых было сказано чуть раньше. Мантия тоже может подразделяться на слои: внешний твёрдый и внутренний жидкий. Верхний слой мантии называют корой . Он подвергается различным внешним воздействиям и несколько отличается от более близких к центру планет слоёв мантии. Мантия Земли содержит 65% планетной массы.
У этих планет есть магнитные поля : почти незаметное у Венеры и ощутимое у Земли. Меркурий и Марс обладают магнитными полями средней напряжённости.
Наконец, планеты земной группы бедны естественными спутниками - ещё одним типом небесных тел, населяющих Солнечную систему. Эти тела вращаются не вокруг Солнца, а вокруг планет. В этом смысле, планеты являются спутниками Солнца. Так вот, на четыре планеты земной группы приходится всего три спутника: один большой у Земли и два крохотных у Марса.
Планеты-гиганты или планеты юпитерианской группы:
Планеты-гиганты расположились за орбитой Марса. Это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Уже давно астрономы знают, что планеты-гиганты гораздо больше и массивнее планет земной группы. Самый лёгкий гигант - Уран - в 14,5 раза массивнее Земли. Но даже самая массивная планета Солнечной системы - Юпитер - в 1.000 раз уступает в этом показателе Солнцу. Впрочем, надо сказать, что по астрономическим меркам эту разницу можно назвать значительной, но не огромной. В то же время, плотность планет гигантов 3-7 раз уступает плотности планет земной группы.
У планет-гигантов нет твёрдой поверхности. Газы их обширных атмосфер, уплотняясь с приближением к центру, постепенно переходят в жидкое состояние. Эти планеты быстро совершают один оборот вокруг своей оси (10-18 часов). Причём, они вращаются как бы слоями: слой планеты, расположенный вблизи экватора, вращается быстрее всего, а околополярные области являются самыми неторопливыми. Как мы увидели раньше, планеты-гиганты - жидкие планеты, этим обстоятельством и вызвано их необычное вращение. По той же причине гиганты сжаты у полюсов, что можно заметить в простой телескоп. Солнце, являясь газовым шаром, тоже вращается слоями с периодом 25-35 суток.
Сами гиганты и их атмосферы состоят из лёгких элементов: водорода и гелия. Уран и Нептун в значительной степени содержат в себе метан, аммиак, воду и другие не слишком тяжёлые соединения. Другие элементы тоже есть, но их гораздо меньше. Учёные выяснили, что с увеличением массы гиганта растёт и его атмосфера. Следовательно, самой обширной атмосферой обладает Юпитер. Уран и Нептун, близкие по массе, мало отличаются и своими атмосферами. Сатурн занимает промежуточное положение.
В центре гигантов есть небольшое твёрдое ядро, но оно относительно невелико. Как было сказано, атмосфера каждого гиганта плавно переходит в жидкость, а та постепенно тоже уплотняется к центру планет. Скорее всего, в недрах планет-гигантов, где высоки давление и температура, есть слой водорода, обладающего металлическими свойствами. Это необычное вещество не является в полной мере ни газообразным, ни твёрдым. Но оно обладает важным свойством: проводит ток. Благодаря этому, планеты-гиганты обладают магнитным полем.
Магнитные поля планет-гигантов превосходят магнитные поля планет земной группы. Интенсивность магнитного поля качественно определяется размерами магнитосферы планеты: пространства вокруг неё, в котором магнитное поле Солнца уступает планетному. Влияние солнечного ветра - потока заряженных частиц, вырывающихся с поверхности Солнца, - делает очертания магнитосфер несимметричными. В направлении Солнца магнитосферы сплюснуты и непротяжённы, зато в обратном направлении они сильно вытянуты. У всех исследованных планет, кроме Сатурна, ось симметрии магнитного поля составляет значительный угол с осью вращения самой планеты.
Почти все естественные спутники планет в Солнечной системе вращаются вокруг планет-гигантов. Точное их число ещё не известно. Но лишь три из известных 68-ми спутников имеют отношение к планетам земной группы. У Сатурна открыто 18 спутников, у Урана - 21, у Юпитера - 17, у Нептуна - 8. Кроме спутников, планеты-гиганты обзавелись ещё и кольцами - скоплениями мелких частиц, вращающихся вокруг планет и собравшихся вблизи плоскости их экваторов. Однако только Сатурн обладает внушительными по размерам кольцами. Остальные планеты-гиганты обладают лишь невнятными и еле различимыми колечками. Впрочем, планеты первой четверки не обладают и такими.
Сейчас астрономам известны девять больших планет. Однако планет земной группы и планет-гигантов набирается лишь восемь. Девятой планетой почти по всем статьям является Плутон - девятая по удалённости, девятая по массе и размерам. Она не подходит ни к одной из групп, описанных выше. Плутон - крохотный ледяной шар, с атмосферой из тяжёлых газов. Он больше походит на некоторые спутники планет-гигантов, причём кое-каким из них уступает в массе и размерах (масса Плутона составляет менее одной пятой массы Луны. Плотность Плутона примерно в два раза больше плотности воды. У Плутона есть один спутник. О магнитном поле планеты точно ничего неизвестно. Из-за удалённости своей эта планета изучена крайне плохо.
Общие закономерности движения планет
Исследуя движение планет Солнечной системы, учёные выявили несколько правил, которым это движение подчиняется и мы сейчас поговорим о тех правилах, которые вовсе не следуют из общих физических законов.
Все без исключения планеты движутся по орбитам в одну сторону, совпадающую с направлением вращения Солнца вокруг своей оси. Это направление против часовой стрелки, если смотреть на Солнечную систему со стороны Северного полюса Земли (а также Солнца и других планет). Такое направление называют прямым (противоположное направление - обратным).
Вокруг своей оси большинство планет тоже вращается в прямом направлении (с запада на восток). Уран и Плутон вращаются как бы на боку. Тот небольшой угол, который есть между плоскостью орбиты каждой из этих двух планет и осью их осевого вращения, позволяют определить и для них направление вращения вокруг оси. Это направление обратное. Чуть по иному обстоит дело с Венерой. Ось вращения планеты почти перпендикулярна плоскости орбиты, но и тут наблюдается обратное вращение. У всех остальных планет угол между осью вращения и плоскостью орбиты не больше, чем на 30° отличается от прямого. Повторимся: у этих планет прямое осевое вращение.
Уже упоминавшиеся плоскости орбит почти без исключений близки к плоскости экватора Солнца. Только орбита Плутона больше, чем на 15°, отстоит от этого среднего уровня. Эта градусная величина называется наклоном орбиты. Для остальных планет этот наклон меньше, чем 5°. Только Меркурий дотянул до 7°. Меркурий и Плутон, таким образом, имеют самые вытянутые орбиты, которые значительно наклонены к некоторой средней плоскости Солнечной системы. За эту нулевую плоскость обычно принимают не плоскость солнечного экватора, а плоскость орбиты Земли. Для нас, живущих на Земле, эта плоскость совпадает с плоскостью эклиптики - годовому пути Солнца по небу. Существование этого пути - собственно, следствие вращения Земли вокруг Солнца. По приведённому ниже рисунку не стоит делать скоропалительных выводов о том, что, скажем, плоскости орбит Марса, Сатурна и Нептуна совпадают. Плоскости этих орбит имеют почти одинаковый наклон к плоскости орбиты Земли. Однако это не означает, что угла наклона между самими этими орбитами не существует.
Большинство спутников вокруг своих планет также вращаются в прямом направлении, за немногими исключениями. Орбиты спутников в большинстве своём близки к плоскости экваторов своих планет.
Под конец хочется приобщить ко всему и такое непростое понятие как момент количества движения. Вся прелесть этой физической величины заключается в том, что никакие события внутри системы взаимодействующих тел не приводят к изменению общего для системы момента количества движения. Чтобы не происходило в прошлом в Солнечной системе, эта физическая величина и миллиарды лет назад была такой же, как и сейчас. Такой она и останется, если нечто внешнее не вмешается.
Момент количества движения вычисляется для вращающихся тел. Он количественно характеризует это вращение. Тела могут вращаться как вокруг своей оси, так и вокруг другого тела. Для планет подходит второй случай. Так как размеры планет невелики в сравнении с радиусами их орбит, то для нашей задачи их можно приближённо считать точечными. Момент количества движения, присущий планете, вычисляется простым перемножением массы планеты, радиуса её орбиты и скорости движения по ней (L=m.r.v) .
Для Солнца, которое находится в центре Солнечной системы и вращается вокруг своей оси, момент количества движения вычисляется сложнее. Весь объём Солнца нужно сперва мысленно разбить на бессчётное количество частиц, а уже потом, по тому же правилу, для каждой из этих частиц посчитать момент количества движения. Наконец, результаты по всем частицам нужно сложить. Учёным в такой непростой, казалось, задаче, помогает интегрирование. Это математическое действие сильно упрощает решение, однако у нас нет возможности объяснить все его тонкости.
Ниже мы приводим посчитанные для Солнца и каждой из планет их моменты количества движения, считая для Земли его равным единице. Заметьте, что сильнее всего повлияла на распределение момента количества движения в Солнечной системе масса тел. Важной характеристикой всей Солнечной системы является особенность этого распределения между планетами и Солнцем. На Солнце, в 750 раз превосходящее по массе все, что вокруг него вращается, приходится меньше 2% всего момента количества движения Солнечной системы. В этом смысле первыми являются планеты.
«АСТРОНОМИЯ И КОСМОС: СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА И ЕЕ СТРОЕНИЕ»
Читайте далее:
Предыдущая страница: