Солнечная система состоит из множества космических тел: центрального светила – Солнца; 10 больших планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон, «2003 UB313»), обращающихся вокруг Солнца; спутников планет; множества малых планет и комет; относительно крупных комет (Галлея – период обращения ~76 лет; Энке ~3,3 года; Швассмана-Вахмана, орбита которой лежит между орбитами Юпитера и Сатурна); астероидов и межпланетной среды. Вся эта система находится в движении. Планеты по своим орбитам обращаются вокруг Солнца и вращаются вокруг своих осей. Спутники планет тоже обращаются вокруг своих планет [5, 6, 8]. Принципиальная схема орбит обращения планет вокруг гравитационного центра системы – Солнца представлена на рис. 7.
Рис. 7. Принципиальная схема обращения планет вокруг Солнца Названия планет Солнечной системы с их астрономическими знаками и кинематическими параметрами приведены в табл. 1, а их динамические характеристики – в табл. 2 (по десятой планете на сегодняшний день необходимая информация отсутствует). Таблица 1 Небесное тело Астрономический знак Кинематические параметры
Тс, годы (сутки) Т0 V0, км/с V, км/с Момент (в М() N Солнце ( ~230 млн (вокруг центра Галактики) 27 сут 250,0 (галактич.) 618,80
Меркурий 0,241 (88) 58,6 сут 48,8 4,30 3,4·10-2 Венера 0,615 (224,7) 247±5 сут 35,0 10,30 7,0·10-1 Земля ( 1,00004 23 ч 56 мин 4 с 29,765 11,16 1 1 Марс 1,881 24 ч 37 мин 23 с 24,20 5,00 1,3·10-1 2 Юпитер 11,870 9 ч 51 мин 13,06 57,50 7,6·102 17* Сатурн 29,460 10 ч 14 мин 9,65 37,00 2,9·102 17 Уран 84,010 10 ч 49 мин 6,78 22,00 6,4·101 15 Нептун 164,800 15 ч 40 мин 5,42 25,00 9,5·101 6 Плутон 247,600 6,4 сут 4,75 10,00 1,2·10-2 1 Луна (спутник Земли) ( 27 сут 7 ч 43 мин 11 с 1,02 2,37
Обозначения: Тс – период обращения вокруг Солнца; Т0 – период вращения вокруг оси [5]; V0 – орбитальная скорость; V – скорость освобождения [29]; М – момент импульса или момент количества движения; М( = 2,66·1040 кг·м2/с [6]; N – число спутников [5]; 17*-й спутник открыт астрономами США в 2000 г.
Таблица 2 Небесное тело Динамические характеристики а (в а() D, 1010 м R, 106 м ρ, Мг/м3 g, м/с2 m, 1024 кг Наклон орбиты к эклипт. е Солнце 696 1,416 274 1,993·106
Обозначения: а – расстояние от Солнца в а(; а( = 1,4959787·1011 м [6]; D – среднее расстояние от Солнца; R – экваториальный радиус; ( – средняя плотность вещества; g – ускорение свободного падения на поверхности; m – масса [29]; – эксцентриситет эллипса, , в формуле b и a – соответственно малая и большая полуоси. Случай, когда е = 0, форма орбиты соответствует окружности [6].
Орбитальная скорость движения планеты, близкой к Солнцу, больше, чем у дальней. В свою очередь вся Солнечная система обращается вокруг ядра нашей галактики Млечный Путь. Планеты Солнечной системы делятся по четыре на две группы: Земной (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и Юпитера (гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун). Девятая и десятая небольшие планеты внешней оболочки являются твердыми телами. Все планеты Земной группы сравнительно малы. В процессе своего образования они не смогли удержать наиболее распространенную в космосе водородно-гелиевую компоненту. Кроме того, все эти планеты имеют дефицит воды, метана, аммиака – легкокипящих и довольно распространенных в космосе соединений. Основными составляющими планет Земной группы являются силикаты и железо. Эти планеты вращаются как твердое тело. Планеты-гиганты Юпитер и Сатурн состоят почти из водорода, а Уран и Нептун покрыты водородными оболочками толщиной примерно в две десятых радиуса планеты, причем во всех четырех планетах водород находится в закритической области. В результате по мере погружения в глубь планеты газовая атмосфера уплотняется под давлением лежащих выше слоев и непрерывно переходит в жидкое, сравнительно плотное состояние, причем границы между газовой атмосферой и лежащей под ней жидкой планетой не существует. Гравитационное поле планет-гигантов таково, что оно способно удерживать водородную атмосферу в течение времени существования планет. Атмосферы Юпитера и Сатурна находятся в состоянии дифференциального вращения, т. е. угловые скорости вращения различных широтных поясов не совпадают. В планетах группы Юпитера сосредоточена почти вся планетная масса (~99,52 и подавляющая часть момента количества движения Солнечной системы. Поэтому изучение планет-гигантов является ключевым вопросом в проблеме происхождения и эволюции Земли и планет Солнечной системы. Поскольку на 99,87 % масса Солнечной системы сосредоточена в самом Солнце, то начало координат (центр тяжести) практически совпадает с центром Солнца [6]. Плоскости орбит всех планет, за исключением Плутона, почти совпадают (см. табл. 2). Плоскость орбиты Земли, естественно, наиболее важна для нас. Как вы уже знаете, эклиптика есть проекция на небесную сферу плоскости земной орбиты. Большинство наблюдаемых событий в Солнечной системе происходит вблизи эклиптики (по-гречески означает «линия затмений»), на фоне созвездий Зодиака. Заметим, что плоскость обращения Луны вокруг Земли наклонена к эклиптике на угол, меньший 6°. Луна тоже всегда проектируется на зодиакальные созвездия и видна среди них. Именно поэтому для изучения Солнечной системы наиболее удобно и естественно отсчитывать координаты на небесной сфере от эклиптики. Пять первых, кроме Земли, планет известны человечеству с глубокой древности. Их медленное и загадочное перемещение среди созвездий Зодиака издавна привлекало внимание людей. Этим планетам, Солнцу и Луне, столь разительно отличным от неподвижных звезд, приписывались в древности мистические и магические свойства. Они соотносились с семью днями недели, с известными древним металлами, с мифическими божествами. В Древнем Китае, кроме металлов и дней недели, планетам сопоставлялось еще и пять стихий. И в Древнем Риме дни недели и металлы точно так же соответствовали своим планетам – это до сих пор отражено во многих современных европейских языках. Все эти творения древности сведены в табл. 3. Физического смысла они не имеют, но исторический и познавательный – безусловно. Небесные тела в табл. 3 расставлены в порядке возрастания их периодов обращения по созвездиям Зодиака, при этом соответствующие им дни недели следуют через один [6]. Двенадцати зодиакальным созвездиям соответствуют 12 месяцев года. Слово «месяц», очевидно, связано с периодичностью лунных фаз (новолуние, первая четверть, полнолуние, последняя четверть). Именно по новолуниям строились древнейшие календари. В году 12,37 таких лунных месяцев. Отсюда возникло округление этого числа до12, а уже затем, по-видимому, звезды были разделены по созвездиям. Заметьте, что деление Зодиака именно на 12 созвездий отнюдь не является естественным, соответствующим звездному небу. Угловые расстояния между звездами соседних созвездий Зодиака в среднем такие же, как и внутри созвездий. В Древнем Китае, кстати, зодиакальных созвездий было 28 – не потому ли, что примерно такое число дней в лунном месяце? Таблица 3 Небесное тело Астрономический знак Дни недели Металл Стихия Луна ( Понедельник Серебро – Меркурий Среда Ртуть Вода Венера Пятница Медь Металл Солнце ( Воскресенье Золото – Марс Вторник Железо Огонь Юпитер Четверг Олово Дерево Сатурн Суббота Свинец Земля
В древнем мире не было известно, что причиной перемещения Солнца в течение года среди созвездий Зодиака является движение Земли. Поэтому традиция, идущая из Древнего Вавилона, соотносит месяцы года тем созвездиям Зодиака, на которые проектировалось Солнце при наблюдении с Земли. Это соотношение, однако, не отвечает нынешнему! С тех пор произошло значительное смещение дат вступления Солнца в последовательные созвездия Зодиака. Оно связано с особенностями вращения Земли. Древние и современные даты прохождения созвездий Солнцем приведены в табл. 4 [6]. Таблица 4 Созвездие Знаки созвездий Древние даты Современные даты Водолей ( 20.I–18.II 21.II–18.III Рыбы ( 19.II–20.III 19.III–21.IV Овен ( 21.III–19.IV 22.IV–21.V Телец ( 20.IV–20.V 22.V–21.VI Близнецы ( 21.V–21.VI 22.VI–22.VII Рак ( 22.VI–22.VII 23.VII–23.VIII Лев ( 23.VII–22.VIII 24.VIII–23.IX Дева ( 23.VIII–22.IX 24.IX–24.X Весы ( 23.IX–22.X 25.X–23.XI Скорпион ( 23.X–21.XI 24.XI–23.XII Стрелец ( 22.XI–21.XII 24.XII–22.I Козерог 22.XII–19.I 23.I–20.II Это означает, что древнее соответствие дат зодиакальным созвездиям было точным примерно в 300 году до нашей эры. Анализируя многолетние наблюдения за движением планет, Кеплер вывел три закона, описывающие кинематику движения тел Солнечной системы [6]. 1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. 2. При движении постоянна секториальная скорость планеты, т. е. произведение ее скорости на текущее расстояние до Солнца и на половину синуса угла между скоростью и направлением на Солнце. 3. Периоды обращения (Тс) и большие полуоси (а) орбит связаны соотношением, одинаковым для всех планет [6]:
Спустя несколько десятков лет Исаак Ньютон показал, что законы Кеплера однозначно вытекают из динамики движения материального тела, если: 1) небесные тела воздействуют друг на друга силой притяжения; 2) она направлена по прямой, соединяющей центры масс; 3) величина этой силы обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами. Самая удаленная от Солнца точка орбиты называется «афелий», расстояние до нее определяется выражением а((1 + е). Ближайшая к Солнцу точка орбиты называется «перигелий» – от греческих слов «пери» – «около» и «Гелиос» – «Солнце». Для орбит спутников Земли этот термин заменяется на перигей, от греческого «Гея» – «Земля». Расстояние от Солнца до перигелия есть а((1 – е). Скорость в перигелии перпендикулярна радиусу-вектору и для Земли равна Vmax = 30,3 км/с, а в афелии Vmin = 29,3 км/с. Очевидно, в перигелии скорость максимальна, а в афелии – минимальна. Законы планетного движения были установлены для Земли и пяти легко наблюдаемых планет. Конечно, они оказались справедливы и для удаленных планет, и для малых тел Солнечной системы. Первую планету, неизвестную древним, открыл в 1781 году английский астроном В. Гершель. Ее назвали Уран. В 1801 году итальянец Дж. Пиацци обнаружил первую из малых планет на орбите между Марсом и Юпитером. С тех пор определены орбиты около 2300 малых планет и астероидов. Многие из них, в отличие от большинства планет, имеют значительные эксцентриситеты и углы наклона к эклиптике. В 1846 году французский ученый У. Леверье и английский Дж. Адамс предсказали по возмущениям орбиты Урана, что должна существовать еще одна планета. В том же году на участке неба, указанном У. Леверье, ее обнаружил немецкий астроном И. Галле. Это Нептун. История открытия повторилась и с девятой планетой – Плутоном. Взгляните теперь на сохраняющиеся характеристики планет. Они были сведены в табл. 1 и 2. Под наклоном орбиты в табл. 2 имеется в виду угол наклона плоскости орбиты планеты к эклиптике или, что то же самое, угол между моментом импульса планеты и моментом импульса Земли. Обратите внимание: углы наклона орбит невелики (наибольший у Плутона, затем у Меркурия), их эксцентриситеты тоже гораздо меньше единицы (опять – самая удаленная и самая близкая к Солнцу планеты). Эти особенности – источник гипотез об особом происхождении Плутона и Меркурия. Малый по массе Плутон (~94 раз) мог быть раньше спутником Нептуна. Меркурий иногда рассматривается как бывший спутник Венеры. Какова на самом деле история этих планет, сказать трудно. Во всяком случае, эти события – существенные изменения орбит – происходили очень давно, в начале эволюции Солнечной системы. В настоящее время орбиты планет почти стабильны. Но что означает слово почти? Ведь считается, что законы сохранения момента М и эксцентриситета е точны. Это совсем не так. Эти законы являются точными, если тел только два, если на планету действует только притяжение звезды. Но в нашей планетной системе много планет и все они притягиваются не только к Солнцу, но и друг к другу. На наше счастье, масса Солнца настолько превосходит массы планет, что их взаимное притяжение приводит лишь к слабым возмущениям орбит. Без этого обстоятельства Кеплер не открыл бы относительно простых законов, они не дали бы пищу уму И. Ньютона. А, скорее всего, просто не было бы ни того, ни другого – цивилизация вряд ли может существовать в нестабильной планетной системе: слишком сильны там вариации климата на планетах. Движение уже трех тел сравнимой массы становится очень сложным, непериодическим. Оно может закончиться тем, что самое легкое тело, отобрав энергию у двух других, навсегда покинет систему. Солнечная система устойчива благодаря тому, что в ней одна звезда, одно тело, существенно превосходящее по массе остальные. Поверхности планет и их атмосферы согревает солнечное излучение. Солнечный шар, раскаленный термоядерными реакциями, излучает равномерно во все стороны световую мощность L( = 3,83·1026 Вт. Световая мощность, приходящая на нашу планету, равна 1,75·1017 Вт. Часть ее непосредственно отражается Землей в космос. Остальные планеты и Луна видны на звездном небе именно благодаря отраженному ими свету. Точно так же, удаляясь в космос, можно видеть и свет, отраженный Землей. Красные лучи атмосфера Земли и океан поглощают лучше, чем синие. Оттого небо синее, и в целом наша планета из космоса выглядит голубой. Нам, землянам, голубое небо – это атмосферный слой Земли. Доля отраженной световой энергии называется «альбедо» и обозначается буквой «А». Это латинское слово происходит от albus – белый. Альбедо – это как бы степень белизны. Последние измерения со спутников дали значение альбедо Земли, равное 28 %. Альбедо тел Солнечной системы варьируются в широких пределах: от 6 % у Меркурия и Луны до почти 100 % у спутника Сатурна Энцелада. Альбедо больших планет меняется не так широко. Поскольку точные температурные условия на каждой из них выяснить не удается, принимают оценочно альбедо всех планет равным 40 %. Вычисленные таким образом равновесные температуры и сведения об атмосфере планет Солнечной системы приведены в табл. 5 [5, 6]. Таблица 5 Небесное тело R, м Темпера-тура, К ξ0 Описание атмосферы Состав атмосферы Солнце 7,0·108 5780 4000 Солнце – целиком газовый шар е-, Н+, Н, Не Меркурий 2,4·106 400 2,8 Атмосферы практически нет, т. е. крайне разреженная Ar, Ne, He Венера 6,1·106 290 22 Мощная атмосфера над сушей CO2, N2, H2O, CO, SO2, HCl, HF Земля 6,4·106 250 30 Мощная атмосфера над океаном и сушей N2, O2, H2O и остальные известные Луна (спутник Земли) 1,7·106 250 1,4 Атмосферы нет – Марс 3,4·106 200 7,7 Слабая атмосфера CO2, N2, Ar, CO, H2O Юпитер 7,1·107 110 2000 Мощная атмосфера, непрерывно переходящая в жидкость H2, He, CH4, NH3 Сатурн 6,0·107 80 950 Мощная атмосфера, непрерывно переходящая в жидкость H2, He, CH4, NH3 Титан (спутник Сатурна) 2,6·106 80 5,3 Мощная атмосфера над метановым океаном (?) N2, CH4 Уран 2,5·107 55 500 Мощная атмосфера H2, He, CH4 Нептун 2,2·107 45 800 Мощная атмосфера H2, He, CH4 Плутон 1,4·106 40 1,7 Атмосферы нет (?) Обнаружен метан Обозначения: ξ0 – показатель, характеризующий стабильность атмосферы планеты; R – радиус, принятый при расчетах.
В табл. 5 включен спутник Сатурна Титан – единственное, кроме планет, тело Солнечной системы, у которого обнаружена атмосфера. Этот факт был известен из астрономических наблюдений. Окончательно он подтвердился благодаря полету американского космического корабля «Вояджер-1», передававшего на Землю в 1979 и 1980 годах снимки Юпитера, Сатурна и их спутников. Все известные нам планеты и их спутники вращаются. Астрономы считают, что во вращении планет есть некая закономерность: чем больше масса планеты, тем быстрее она вращается. Однако это не строго доказанный закон, из этого правила есть исключение. Его разгадка, считают они, по-видимому, скрыта в истории образования Солнечной системы. По современным представлениям Солнце и планеты образовались из вращающейся туманности, состоящей из газа и твердых частиц. При столкновениях частицы укрупнялись, образуя зародыши планет и Солнца. Наибольшее число столкновений происходило в центре масс системы, туда же собрался и почти весь газ туманности. Так образовалось Солнце. Однако почти весь начальный момент импульса туманности оказался сосредоточенным не на Солнце, а в планетах. После того как Солнце зажглось, под действием его излучения легкие газы из ближайшей окрестности Солнца были рассеяны на периферию. Там из них образовались планеты-гиганты. Планеты же земной группы оказались составленными в основном из вещества твердых частиц. При сжатии вещества вращающейся туманности в плотные шары планет скорость вращения возрастает – это следствие закона сохранения момента импульса. Поэтому неудивительно, что у планет-гигантов и скорость вращения оказалась больше, чем у меньших по размерам планет [6]. Не следует забывать и о положении нашей Солнечной системы на плоскости Галактики. Если бы она находилась ближе к центру галактики Млечный Путь, то воздействие гравитации соседних звезд изменило бы орбиту Земли. И наоборот, если бы Солнечная система располагалась на самом краю Галактики, то ночью на небе почти не было бы звезд. К тому же, основываясь на современных представлениях о Вселенной, ученые определили, что на краях галактики Млечный Путь не хватило бы химических элементов, необходимых для образования такой Солнечной системы, как наша. В настоящее время космическая эра «коснулась» и планет-гигантов. Так, 4 декабря 1973 года впервые космический аппарат «Пионер-10» пролетел мимо Юпитера и передал на Землю результаты измерений различных физических полей Юпитера и его фотографии. Ровно через год (2 декабря 1974 г.) аппарат «Пионер-11» прошел еще ближе к планете, выполнил детальные измерения и, развернутый мощным гравитационным полем Юпитера, направился в сторону Сатурна. Траектория «Пионера-11» была такова, что по дороге к Сатурну он вышел из плоскости эклиптики на полторы астрономические единицы (1 а.е. = 149,6 млн км). Это позволило исследовать космическое пространство вдали от планетных орбит. В 1979 году «Пионер-11» прошел между поверхностью Сатурна и его кольцами и передал научную информацию на Землю. После Сатурна «Пионер-11» направился к Урану. Этот путь занял десятилетие, но, видимо, возможности источников питания аппаратуры были недостаточными, чтобы исследовать и передать информацию на Землю о третьей планете-гиганте. Запущенная 5 сентября 1977 года с мыса Канаверал (штат Флорида, США) межпланетная станция «Вояджер-1» в марте 1979 года прошла мимо Юпитера, произведя исследования планеты и ее спутников. Были открыты мощные действующие вулканы на галиллеевом спутнике Ио, находящемся на расстоянии 422 тыс. км от планеты. В ноябре 1980 года автоматическая станция прошла мимо системы Сатурна и передала уникальную информацию о планете, ее кольцах и спутниках. Двойник «Вояджера-1» «Вояджер-2» прошел мимо Юпитера в июле 1979 года и мимо Сатурна в августе 1981 года. В январе 1986 года функционирующая станция пролетела мимо Урана. Эти экспедиции космических аппаратов воистину были крупными достижениями человечества в исследовании Солнечной системы и космического пространства. За последние годы Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) США запустило ряд космических аппаратов с посадкой на поверхность Марса с целью выявления наличия там когда-либо жизни. Несмотря на полученные уникальные снимки поверхности планеты, основная цель не была достигнута. Однако в январе 2004 года Европейская марсианская орбитальная станция «Марс экспресс» установила и сообщила на Землю о наличии на поверхности Марса воды в виде кристаллического льда в достаточно большом объеме. В начале января 2004 года НАСА произвело высадку на Марс двух автоматических аппаратов – «Марсоходов», которые очень осторожно начали двигаться по поверхности планеты и передавать на Землю информацию. Однако НАСА, как и прежде, очень скупо делится с мировым сообществом полученной информацией. В основном известно, что «Марсоходы» рассчитаны на срок работы в течение 3–4 месяцев. Основной задачей их является выявление наличия на Марсе воды и жизни. Очевидно, эта задача будет решена более достоверно в первой половине XXI столетия человеком, посетившим эту манящую своей доступностью красную планету – Марс. Встретит ли Марс землян дружелюбно?
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Общие сведения о Солнечной системе» з дисципліни «Екологія Всесвіту»
и подавляющая часть момента количества движения Солнечной системы. Поэтому изучение планет-гигантов является ключевым вопросом в проблеме происхождения и эволюции Земли и планет Солнечной системы. 