Лекция 11.
мегамир. основные космологические и космогонические представления ( I )
2. Солнечная система
Девять планет, вращающиеся вокруг Солнца принято делить
на две группы: планеты Земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и
планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон). Считается, что диаметр
Солнечной системы равен приблизительно 6×1016 м: на этом расстоянии планеты
удерживаются силой тяготения Солнца.
Планеты Земной группы. Планеты Земной группы сравнительно невелики, медленно
вращаются вокруг своих осей (сутки на Меркурии длятся около 60 земных суток, на
Венере – 243 дня). Ось вращения Венеры наклонена в другую сторону, и вращается
Венера в направлении, обратном ее движению вокруг Солнца. У этих планет мало
спутников (у Меркурия и Венеры нет, у Земли – один, у Марса – два
совсем небольших). У Меркурия атмосферы практически нет, очень плотная
атмосфера Венеры состоит, в основном, из СО2, что приводит к
сильному парниковому эффекту (температура на поверхности Венеры достигает 500О).
Земля имеет плотную азотно-кислородную атмосферу. Атмосфера Марса состоит
в основном из CО2, однако она сильно разрежена (давление в
150 раз меньше, чем давление на поверхности Земли).
Рис. 3. Масштабы Вселенной
Поверхность планет Земной группы твердая, гористая, она
хорошо изучена благодаря автоматическим станциям, пролетавшим вблизи планет или
даже садившимся на поверхности Марса и Венеры. Следует отметить, что в
Солнечной Системе лишь планеты Земной группы имеют твердую поверхность. Химический состав планет Земной группы
приблизительно одинаков. Они, в основном, состоят из соединений кремния и
железа. В небольшом количестве присутствуют и другие элементы.
Более или менее одинаково и строение планет земной
группы. В центре планет есть железные ядра разной массы. У Меркурия, Земли,
Марса часть его находится в жидком состоянии. Выше ядра находится слой, который
называют мантией. Верхний слой мантии называется корой. У этих планет есть магнитные
поля: почти незаметное у Венеры и ощутимое у Земли. Меркурий и Марс обладают
магнитными полями средней напряженности.
Земля движется по орбите со скоростью 30 км/ч. Ее орбита
незначительно отличается от круговой. В течение 24 часов Земля делает полный оборот
вокруг своей оси, которая наклонена к плоскости орбиты под углом 66О34’’.
Земля сплюснута у полюсов, таким образом, ее форма близка к эллипсоиду
вращения.
Планеты Земной группы отделены от планет-гигантов поясом
астероидов – малых планет. Самая крупная из них – Церера, была открыта первой,
в начале 19 века. Сейчас зарегистрировано более 5500 малых планет. Все они
движутся вокруг Солнца в том же направлении, что и большие планеты, однако их
орбиты вытянуты значительно сильнее.
Планеты-гиганты. Планеты-гиганты располагаются за орбитой Марса. Это
Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самый
легкий гигант – Уран – в 14,5 раза массивнее Земли. Их особенность – большие
размеры и масса. Например, радиус Юпитера в 11 раз больше земного, а масса в
318 раз больше земной. Планеты-гиганты имеют малую плотность, самая низкая
плотность у Сатурна: 0,7×103 кг/м3 (ср. у Земли – 5,5×103 кг/м3). В среднем плотность
планет гигантов 3-7 раз уступает плотности планет земной группы.
У планет-гигантов
нет твердой 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). Причем, 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 легких элементов:
водорода и гелия. Уран и Нептун в значительной степени содержат в себе метан,
аммиак, воду и другие не слишком тяжелые соединения. Другие элементы тоже есть,
но их гораздо меньше. Ученые выяснили, что с увеличением массы гиганта растет 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 твердое ядро, но оно
относительно невелико. Газообразная
атмосфера каждого гиганта плавно переходит в жидкость, а та постепенно тоже
уплотняется к центру планет. По-видимому, в недрах планет-гигантов, где
давление и температура очень высокие, есть слой водорода, обладающего металлическими
свойствами. Это необычное вещество не является в полной мере ни газообразным,
ни твердым. 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 нее, в котором магнитное
поле планеты сильнее солнечного. Влияние солнечного ветра – потока заряженных
частиц, вырывающихся с поверхности Солнца, – делает очертания магнитосфер
несимметричными. Магнитные поля захватывают летящие от Солнца зараженные
частицы высоких энергий, формируя мощные радиационные пояса и полярные сияния.
Планеты-гиганты окружены естественными спутниками Точное
их число еще не известно. Из известных 68-ми спутников только три принадлежат
планетам земной группы. У Сатурна открыто 59 спутников. Крупнейший из спутников
— Титан. Ученые предполагают, что
условия на этой планете схожи с теми, которые существовали на нашей планете 4
миллиарда лет назад, когда на Земле только зарождалась жизнь. У Урана к
настоящему времени известно – 27, у Юпитера – 63, у Нептуна – 13.
Кроме спутников, планеты-гиганты имеют кольца – скопления мелких частиц,
вращающихся вокруг планет и собравшихся вблизи плоскости их экваторов. Наиболее
крупными обладает Сатурн – они были обнаружены еще в 17 в.
Малые планеты и кометы. Между орбитами Юпитера и Сатурна проходят орбиты тысяч
небольших (в среднем, несколько километров) и немассивных тел, именуемых
астероидами. Эти тела, называемые также малыми планетами, не имеют правильной
формы и по химическому составу близки к планетам земной группы. Орбиты
астероидов имеют различные углы с плоскостью эклиптики, их орбиты заметно
вытянуты. Все известные астероиды вращаются вокруг Солнца в прямом направлении.
Наиболее известные, крупные астероиды: Веста, Юнона, Церера, Икар, Паллада,
Гермес.
За орбитой Нептуна, как позволяют судить последние
наблюдения, тоже находится пояс астероидов (т.н. Пояс Койпера). Орбита
планетоида Плутон, видимо, уже проходит внутри этого пояса. Еще дальше, на
расстоянии примерно 1-1,6 св.года расположено Облако Оорта - облако комет. Возмущения
от ближайших звезд изменяют движение кометных ядер и они направляются во
внутренние части Солнечной Системы. Границы Облака Орта, по-видимому, и можно
считать границами Солнечной Системы.
Кометы состоят из смеси замерзших газов и пыли («грязные
снежки»). Приближаясь к Солнцу, кометы прогреваются, и с их поверхности
начинают испаряться газы, которые светятся под воздействием солнечного
излучения. Солнечный ветер отбрасывает испарившиеся частицы, образуя так называемые
кометные хвосты, направленные всегда прочь от Солнца. Как и астероиды, кометы
обладают малыми размерами и массами. Их орбиты могут быть самыми различными:
иметь всевозможные эксцентриситеты, наклоны к плоскости эклиптики. Кометы могут
двигаться вокруг Солнца, как в прямом, так и в обратном направлении. Кометы называются
обычно именами ученых, открывших их. Наиболее известные кометы: Галлея, Донати, Хейла – Боппа, Отерма.
Солнце. Солнце, центральное тело солнечной системы, представляет
собой раскалённый плазменный шар; Солнце - ближайшая к Земле звезда. Масса Солнца в 332958 раз больше массы Земли. В Солнце
сосредоточено 99,866% массы Солнечной системы. Температура поверхности Солнца,
5770 К.
История телескопических наблюдений Солнца начинается с
наблюдений, выполненных Г. Галилеем в 1611 году; были открыты солнечные пятна,
определён период вращения Солнца вокруг своей оси. В 1843 году немецкий астроном
Г.Швабе обнаружил цикличность солнечной активности. Развитие методов
спектрального анализа позволило изучить физические условия на Солнце. В 1814
году Й.Фраунгофер обнаружил тёмные линии поглощения в спектре Солнца - это
положило начало изучению химического состава Солнца.
С 1836 года регулярно ведутся наблюдения затмений Солнца,
что привело к обнаружению короны[1]
и хромосферы[2]
Солнца, а также солнечных протуберанцев. В 1913 году было доказано
существование на Солнце магнитных полей.
В начале 40-х годов XX века было открыто радиоизлучение Солнца.
Существенным толчком для развития физики Солнца во второй половине XX века
послужило развитие магнитной гидродинамики и физики плазмы. После начала
космической эры изучение ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца
ведётся методами внеатмосферной астрономии с помощью ракет, автоматических
орбитальных обсерваторий на спутниках Земли, космических лабораторий с людьми на
борту.
Направление вращения Солнца совпадает с направлением
вращения вокруг него всех его планет. Полагают, что содержание водорода в
Солнце по массе около 70%, гелия
около 27%, содержание всех остальных
элементов около 2,5%. Более 70
химических элементов, найденных на Солнце, присутствуют в составе планет Солнечной
системы, что доказывает единое происхождения Солнца и планет солнечной системы.
Источником энергии, пополняющим потери на излучение и поддерживающим высокую
температуру Солнца, являются ядерные реакции превращения водорода в гелий,
происходящие в недрах Солнца.
Солнечная активность. На фотосфере –
видимой поверхности Солнца наблюдаются темные пятна. Причина их появления –
сильные магнитные поля, которые замедляют движение горячих потоков от центра
Солнца к его поверхности. Таким образом, темные пятна – это более холодные
области на фотосфере. С появлением пятен связаны и другие явления: вспышки в
хромосфере, сопровождающиеся различными излучениями (тепловым, ультрафиолетовым,
рентгеновским и т.п.). Эти явления
называются солнечной активностью. В
годы максимумов солнечной активности мощность различных видов излучения
возрастает в несколько раз. Показателем, или индексом солнечной активности
служит число Вольфа , которое вычисляется по формуле
W=k*(f+10g),
где f - количество наблюдаемых пятен, g - количество образованных ими групп, k - нормировочный коэффициент, выводимый
для каждого наблюдателя и телескопа, чтобы иметь возможность совместно
использовать найденные ими относительные числа Вольфа.
Количество пятен колеблется с периодом в 11 лет, т.е.
солнечная активность имеет циклических характер.
