МАЭП
Институт экономики
Современные концепции естествознания
ТЕМА:
Планеты-гиганты
Абрамов Павел Викторович
I курс
группа ЭМД-1-2000
Преподаватель:
Баранов Роберт Иванович
Москва 2001
Далеко за орбитой Марса(самой дальней от Солнца планеты земнойгруппы) и главным поясом астероидов мы встречаем четырех гигантов: Юпитер,Сатурн, Уран и Нептун. Их часто обсуждают вместе, и во многих отношениях этологично, хотя пара Юпитер — Сатурн сильно отличается от пары Уран — Нептун, икаждая планета обладает собственными уникальными характеристиками. РазумеетсяЮпитер является крупнейшей планетой, и кто-то даже сказал, что солнечнаясистема состоит из Солнца, Юпитера и кучки прочего мусора. Но к другим планетамне стоит относиться свысока: даже Уран, наименее массивный из этой четверки,весит в 14 раз больше Земли.
Юпитер.
Юпитер — это планета-гигант,которая содержит в себе более 2/3 массы всей нашей планетной системы. МассаЮпитера равна 318 земным. Его объем в 1300 раз больше, чем у Земли. Средняяплотность Юпитера 1330 кг/м[БАИ1] 3, что сравнимо с плотностьюводы и в четыре раза меньше, чем плотность Земли. Видимая поверхность планеты в120 раз превосходит площадь Земли, но застроить Юпитер землянам не удастся: онпредставляет собой гигантский шар из водорода, практически его химическийсостав совпадает с солнечным. Юпитер формировался в толстой и самой плотнойчасти протопланетного облака. Именно сюда, в эту часть первичного облака,“выметались” давлением солнечных лучей все легкие летучие вещества, вособенности водород и гелий. Именно благодаря этой густой “питательной среде”Юпитер вырос в гиганта.
Юпитер быстро вращается.Из-за действия центробежных сил планета заметно расплющилась, и ее полярный радиус стал на 4400 км меньше экваториального, равного 71400 км. Магнитное полеЮпитера в 12 раз сильнее земного — компас там будет работать отменно, толькосеверный конец стрелки будет направлен на юг.
Юпитер, названный в честьверховного олимпийского божества, является настоящим великаном по планетарныммеркам, но никак не “звездой-неудачницей”, как ранее предполагалось. Обычнаязвезда сияет из-за ядерных реакций, происходящих глубоко внутри нее. Для запускагелиево-водородной реакции температура должна достигать 10 000 000о, но Юпитер, не смотря на своиразмеры, все же в тысячу раз меньше солнца, и температура в его ядре не можетпревышать 50 000о(возможно, 30 000обудет более точной оценкой). Этого совершенно недостаточно для начала ядернойреакции; чтобы Юпитер стал звездой, его масса должна увеличиться, по меньшеймере, в десятки раз.
Возле Юпитера побывало пятьамериканских космических аппаратов серии “Вояджер” и “Пионер”. В декабре 1995г.до него долетела межпланетная станция “Галилео”, которая стала первымискусственным спутником Юпитера и сбросила в его атмосферу зонд.
Совершим и мы небольшоемысленное путешествие в глубь Юпитера.
Атмосфера. Когда давление атмосферы Юпитера достигнет давления земной атмосферы,остановимся и осмотримся. наверху видно обычное голубое небо, вокруг клубятсягустые белые облака сконденсированного аммиака. На этой высоте температуравоздуха достигает -100оС.
Красноватая окраска частиюпитерианских облаков говорит о том, что здесь много сложных химическихсоединений. Разнообразные химические реакции в атмосфере инициируются солнечнымультрафиолетовым излучением, мощными разрядами молний (гроза на Юпитере должнабыть впечатляющим зрелищем!), а также теплом, идущим из недр планеты.
Атмосфера Юпитера кромеводорода (87%) и гелия (13%) содержит малые количества метана, аммиака,водяного пара, фосфорина, пропана и много других веществ. Здесь трудноопределить из-за каких веществ юпитерианская атмосфера приобрела оранжевыйцвет.
Следующий ярус облаковсостоит из красно-коричневых кристаллов гидросульфида аммония при температуре-10о С. Водяной пар и кристаллыводы образуют более низкий ярус облаков при температуре 20о С и давлением в несколькоатмосфер — почти над самой поверхностью океана Юпитера.
Толщина атмосферного слоя, вкотором возникают все эти удивительные облачные структуры, — 1000 км.
Темные полосы и светлыезоны, параллельные экватору, соответствуют атмосферным течениям разногонаправления (одни отстают от вращения планеты, другие его опережают). Скоростиэтих течений — до 100 м/с. На границе разнонаправленных течений образуютсягигантские завихрения.
Особенно впечатляет БольшоеКрасное Пятно — колоссальный атмосферный вихрь эллиптической формы размером около 15 х 30 тыс. километров. Когда он возник — неизвестно, но в наземные телескопы он наблюдается уже 300 лет. Этот антициклониногда почти исчезает, а затем появляется вновь. Очевидно, он родственникземных антициклонов, но из-за своих размеров гораздо более долгоживущий.
“Вояджеры”, посланные кЮпитеру провели тщательный анализ облаков, подтвердивший уже имевшуюся модельвнутреннего строения планеты. Стало совершенно ясно, что Юпитер представляетсобой мир хаоса: там бушуют нескончаемые бури с громами и молниями, кстатиКрасное Пятно является частью этого хаоса. А на ночной стороне планеты“Вояджеры” зарегистрировали многочисленные зарницы.
Океан.Юпитерианский океан состоит из главного на планете элемента — водорода. Придостаточном высоком давлении водород превращается в жидкость. Вся поверхностьЮпитера под атмосферой — это огромный океан сжиженного молекулярного водорода.
Какие волны возникают вокеане жидкого водорода при сверхплотном ветре со скоростью 100 м/с? Вряд липоверхность водородного моря имеет четкую границу: при больших давлениях на нейобразуется газожидкая водородная смесь. Это выглядит как непрерывное “кипение” всей поверхности юпитерианского океана.Падение в него кометы в 1994 г. вызвало исполинское цунами многокилометровойвысоты.
По мере погружения в океанЮпитера на протяжении 20 тыс. километров быстро увеличиваются давление и температура.На расстоянии 46 тыс. км. от центра Юпитера давление достигает 3 млн. атмосфер, температура 11 тыс. градусов. Водород не выдерживает высокогодавления и переходит в жидкое металлическое состояние.
Ядро.Погрузимся еще на 30 тыс. км., во второй океан Юпитера. Ближе к центрутемпература достигает 30 тыс. градусов, а давление 100 млн. атмосфер: здесьрасполагается небольшое (“всего” в 15 масс Земли!) ядро планеты, которое вотличие от океана состоит из камня и металлов. Ничего в этом удивительного вэтом нет — ведь и Солнце содержит примеси тяжелых элементов. Ядросформировалось в результате слипания частиц, состоявших из тяжелых химическихэлементов. Именно с него и началось образование планеты.
Спутники Юпитера и его кольцо. Сведения о Юпитере и его спутниках существеннопополнились благодаря пролету возле планеты нескольких автоматическихкосмических аппаратов. Общее число известных спутников подскочило с 13 до 16.Двое из них — Ио и Европа — размером с нашу Луну, а другие две — Ганимед иКаллисто — превзошли по диаметру ее в полтора раза.
Владения Юпитера довольнообширны: восемь внешних спутников настолько удалены от него, что их нельзя былобы наблюдать с самой планеты невооруженным глазом. Происхождение спутниковзагадочно: половина из них движется вокруг Юпитера в обратную сторону (посравнению с обращением других 12 спутников и направлением суточного вращениясамой планеты).
Спутники Юпитера — этоинтереснейшие миры, каждый со своим “лицом” и историей, которые открылись намтолько в космическую эру.
Благодаря космическимстанциям “Пионер”, получила непосредственное подтверждение прежняя мысль осуществовании вокруг Юпитера разряженного газо-пылевого кольца наподобиезнаменитого кольца Сатурна.
Основное кольцо Юпитераотстоит от планеты на один радиус и простирается в ширину на 6 тыс. км. и имееттолщину в 1 км. Один из спутников обращается по внешней кромке этого кольца.Однако еще ближе к планете, почти достигая ее облачного слоя, располагаетсясистема значительно менее плотных “внутренних” колец Юпитера.
Увидеть кольцо Юпитера сЗемли практически не возможно: оно очень тонкое и постоянно повернуто кнаблюдателю ребром из-за малого наклона оси вращения Юпитера к плоскости егоорбиты.
Сатурн.
Следующим по порядку отСолнца идет Сатурн — возможно, самый красивый объект в ночном небе. Сатурнпредставляется невооруженному глазу звездой 1-й звездной величины, онзначительно слабее по блеску, чем Венера, Юпитер и Марс. Его тусклый свет,имеющий матово-белый оттенок, а также очень медленное движение по небу создалипланете дурную славу, и рождение под знаком Сатурна считалось недобрымпредзнаменованием.
По размеру и массе Сатурнуступает лишь Юпитеру. Хотя он имеет тот же основной состав, но есть некоторыеважные отличия.
Общая плотность Сатурна,ниже чем даже плотность воды, поэтому несмотря на 95-кратное превосходство вразмерах над Землей, сила тяготения на поверхности Сатурна лишь в 1,2 разабольше. Сама поверхность газообразна, и главным ее компонентом является водород,а остальная часть атмосферы в основном состоит из гелия. Под облаками находятсяглубинные слои жидкого водорода и, наконец, силикатное ядро размером немногобольше Земли. Температура внутри ядра может достигать 15 000о, но во внешних слояхоблаков она опускается до -180оС. Пояса, вихри, ореолы и яркие зоны видны даже вмаленький телескоп, но они хуже выражены, чем на Юпитере, и конечно, на Сатурненет ничего похожего на Красное пятно. Эти образования не отличаются нидлительностью существования ни регулярностью появления. В целом строениеСатурна во многом напоминает строение Юпитера.
Планета обладает магнитнымполем, гораздо более сильным, чем земное, но далеко не таким мощным, как уЮпитера.
В телескоп средней силыхорошо заметно, что шар Сатурна сильно сплюснут у полюсов — еще сильнее, чемЮпитер. Это объясняется тем, что планета быстро вращается и под действиемцентробежных сил она приняла такую форму.
Период вращения Сатурнавокруг своей оси — всего 10 ч 16 мин., а период обращения вокруг Солнца 29,46года. Наклон оси составляет почти 27о к перпендикуляру, что больше, чем у Юпитера, амагнитная ось и ось вращения почти совпадают.
Редкие выбросы в атмосфереСатурна имеют формы белых точек. Два таких выброса были отмечены в нынешнемстолетии: один в 1933 году, а другой в 1990 году. Оба выброса были хорошозаметны и продолжались в течение длительного времени. Несомненно, они были следствием мощных атмосферных процессов,происходивших под облачным слоемСатурна.
Кольца Сатурна. В июле 1610 г. Галилео Галилей опубликовалзашифрованное сообщение такого содержание: “Отдаленнейшую из планет наблюдалтройною”. “Отдаленнейшею из планет” тогда считали Сатурн, а его кольцавыглядели в телескопе Галилея двумя туманными пятнами по краям планеты.
Предположение, что планетаокружена кольцом, высказал в 1655 г. голландец Христиан Гюйгенс. Поначалу егогипотеза вызвала ожесточенную критику со стороны ортодоксов.
Кольца Сатурна всегдабудоражили воображение ученых своей уникальной формой. Интересно, что фактразделения колец Сатурна на отдельные узкие кольца предсказал еще в 1755 г.немецкий философ Иммануил Кант, основываясь на своих остроумных теоретическихрассуждениях.
Плоскость экватора Сатурна,его колец и спутниковой системы наклонена к плоскости земной орбиты более чемна 26о. Это создает благоприятныевозможности для наблюдения колец Сатурна.
С земли хорошо различимы трикольца — A, B и С — разной яркости. Внешний радиус колец Сатурна равен 137 тыс.километров. Довольно широкое деление Кассини разделяет кольца А и Вчерной полосой. Менее заметно деление Энке вблизи внешнего края колец. Названыэти деления в честь своих открывателей.
Если “перепрыгнуть” черезполтора миллиарда километров, отделяющих нас от Сатурна, и взглянуть на кольцас расстояния 100-200 тыс. километров, то окажется, что они расслаиваются натысячи колечек. Ну, а если приблизиться к кольцам вплотную, то они окончательнопотеряют для нас свою монолитность и превратятся в огромное количествоотдельных “спутничков” Сатурна — частиц из обычного водяного льда самой разнойвеличины. Сами кольца чрезвычайно тонки: около 10-20 м. толщиной.
Если приподняться надплоскостью колец, то можно увидеть бесконечное снежное поле. Внутри неговозвышается гигантское полушарие Сатурна, освещенное Солнцем. Основная частьсистемы сатурианских колец имеет ширину 60 тыс. километров (на этом полеуместятся сотни таких планет, как Земля). Но вот равномерная гладкость колецнарушается и они изгибаются волнами высотой в несколько сот метров. Эторезультат гравитационного влияния спутника. Когда солнце стоит низко надплоскостью колец, лучи его падают на верхушки этих колоссальных “гор”, а долиныостаются в тени. Подобную картину запечатлели “Вояджеры” во время своего полетавозле Сатурна. Именно так скользили солнечные лучи по поверхности колец в1995 г., когда кольца Сатурна земляне видели с ребра.
Спутники. К 1995 г. у Сатурна было известно 22 спутника, которые названы в честьгероев античных мифов о титанах и гигантах. Почти все эти тела светлые исостоят преимущественно из водяного льда. Их плотность 1200 -1400 кг/м3 (за исключением Титана). Унаиболее крупных спутников формируется внутреннее каменистое ядро.
Большинство спутников, кромеГипериона и Фебы, имеет синхронное собственное вращение — они повернуты кСатурну всегда одной стороной (как Луна по отношению к Земле). Информации овращении самых мелких спутников нет. Ученые считают, что у Сатурна есть ещенеоткрытые маленькие спутники, в том числе и на самом краю его спутниковойимперии.
Уран.
В XVIII в. границейСолнечной системы считался Сатурн, известный с незапамятных времен. Никому и вголову не приходило, что за ним скрывается еще одна, неведомая планета.13 марта 1781г. новую планету — Уран — открыл музыкант и выдающийсяконструктор астрономических телескопов из Англии, Уильям Гершель, до этогосовершенно неизвестный в астрономическом мире.
Заметив в свой телескопсветлый диск, движущийся по небу, Гершель принял его за комету и сообщил оботкрытом небесном теле профессиональным астрономам в Гринвич. Довольно быстровыяснилось, что это новая планета, и весть об открытии облетела всю Европу.
После открытия Урана Гершельстал широко известен, был избран членом Лондонского королевского общества иполучил должность придворного астронома. За последующие 40 лет он сделалмножество замечательных открытий, в частности впервые наблюдал два крупнейшихспутника Урана и два спутника Сатурна.Но главным его открытием все-таки остался Уран, вдвое расширивший границыизвестной Солнечной системы.
Когда о Земле говорят“голубая планета” — это ласковое преувеличение. Основная ее политра включаетбелый (облака, льды), желто-коричневый (суша) и свинцово-серый (океан) цвета.По-настоящему голубой планетой оказался далекий Уран!
Причина этого кроется всоставе атмосферы Урана и ее температуре. При морозе (-218оС) в верхних слояхводородно-гелиевой атмосферы сконденсировалась и теперь постоянно присутствуетметановая дымка. Метан хорошо поглощает красные лучи и отражает голубые изеленые. Поэтому Уран и приобрел красивый аквамариновый цвет.
Типичные для Юпитера иСатурна белые аммиачные облака на Уране сформировались в нижних слоях атмосферыи поэтому не видны. Лишь на низких широтах было замечено несколько светлыхоблаков. По их движению скорость ветра на больших высотах оценивалась в 100м/с. Никаких других структур на однородном диске Урана не найдено — всеатмосферные течения скрыты метановой дымкой.
В верхней атмосфере Урананаблюдаются различные “электросияния”, подобные земным полярным сияниям. Ихвызывают потоки элементарных частиц (протонов, электронов), бомбардирующихгазовую оболочку планеты. Сияния подобного рода типичны для планет-гигантовиз-за их сильного магнитного поля.
У Урана почти такое жесильное магнитное поле, как у Земли, только конфигурация его необычная:магнитный полюс откланяется от географического на 60о. Так что компас там небудет указывать на географический полюс. А самая примечательная особенностьэтой планеты заключается в том, что она вращается “лежа на боку” (даже слегка“вниз головой”): наклон ее оси вращения 98о.
Уран получает почти в 400раз меньше света, чем наша планета. Для чувствительного человеческого глаза этосоответствует освещенности неба на земле сразу после захода Солнца, в началесумерок. Для сравнения можно добавить, что освещенность в 1000 раз больше, чемв ясную ночь полнолуния на Земле.
Под газовой оболочкойтолщиной около 8 тыс. километров (треть радиуса планеты!) должен располагатьсяплотный океан из воды, аммиака и метана с температурой поверхности 2200оС. Атмосферное давление науровне океана — 200 тыс. земных атмосфер. В отличие от Сатурна и Юпитера наУране нет металлического водорода, и аммиачно-метаново-водная оболочка толщиной10 тыс. километров переходит в центральное железно-каменное ядро из твердыхпород. Температура там достигает 7 000оС, а давление — 6 млн. атмосфер.
Кольца Урана и его спутники. Как и любая планета-гигант у Урана тоже естьспутники и свое кольцо.
Кольца открыли у планеты 10марта 1977 г., когда ожидалось покрытие диском Урана слабой звездочки 9-йзвездной величины. Но покрытие произошло на 40 минут раньше ожидаемого… Какпозже оказалось, причиной раннего покрытия оказались как раз те самые кольцаУрана, о которых ранее писал Гершель, но из-за не возможности подтвердитьсуществования колец, эта тема была закрыта.
Кольца Урана представляютсобой набор из девяти черных “паутинок”. Радиусы их орбит лежат в пределах 40 — 50 тыс. километров, а ширина лишь 1 — 10 км., и только внешнее кольцо в самойширокой части достигает 96 километров. Каждое кольцо шире всего в той части,которая наиболее удалена от планеты. Толщина же их, как колец Сатурна,исчисляется десятками метров. Частицы, из которых образованы кольца, достигаютв размерах несколько метров и отражают в среднем около трех процентов падающегона них света. Кольца обладают небольшой эллиптичностью и наклонением кэкваториальной плоскости Урана. Они имеют четкие края, и каждое кольцо движетсяпрактически как единое целое. В наиболее широких кольцах хорошо просматриваютсярадиальные структуры километровых масштабов.
Стабильность и узость колецсоздает немало проблем для астрономов. Быть может, возле Урана есть ещенеоткрытые спутники, вызвавшие образование таких странных колец? В 1985 г. былообнаружено, что расположение их подчиняется интересным резонанснымсоотношениям. Ученые выдвинули гипотезу, что между внешней границей колец иМирандой существует несколько неоткрытых спутников, и даже сумели предсказатьрадиусы орбит шести предполагаемых спутников в области 50 — 70 тыс. километровот планеты.
В январе 1986 г. “Вояджер-2”полетел мимо Урана и детально исследовал уже известные узкие кольца. Областьмежду плотными кольцами оказалась заполненной прозрачным слоем мелкой пыли. Этачерная пыль распределена неоднородно и образует ряд кольцевых структур.Неожиданно выяснилось, что верхняя атмосфера Урана простирается вплоть доколец, что приводит к быстрому торможению их частиц. Таким образом проблемапроисхождения и устойчивости колец оказалась очень сложной.
Про спутники хочу сказать,что у Урана их известно 15. Эта спутниковая система лежит в экваториальнойплоскости планеты, т.е. почти перпендикулярно к плоскости ее орбиты.
Два самых далеких спутника — Оберон и Титания. Это самые крупные спутники Урана диаметрами 1520 и 1580 км.соответственно. А также не отстают от них Умбриэль и Ариэль, диаметр которых равен 1170 и 1160 км. соответственно.Возможно, что отправка в будущем автоматических космических станций к Уранупозволит собрать более подробную информацию о спутниках, но пока этозатруднительно в силу удаленности планеты от нас.
Нептун.
Открытие Нептуна было своегорода триумфом небесной механики: его присутствие в Солнечной системе сначала“вычислили” теоретики, и лишь после этого планету обнаружили на небе впредсказанном ими месте.
Наблюдение открытого в концеXVIII в. Урана, казалось, давали возможность создать точную теорию егодвижения, т.е. составить таблицы положений планеты в заранее определенныемоменты. Однако сделать это не удалось: в первые десятилетия XIX в. Уранупорно забегал вперед, а в последующие годы отставал от предвычисленныхположений. Пытаясь понять причину “плохого” поведения Урана, ученые пришли квыводу, что за ним находится еще одна планета Солнечной системы: она-то своимтяготением и сбивает его с “пути истинного”. Но чтобы найти эту неведомую планету,требовалось по отклонениям Урана от предвычисленных положений узнать характерее движения и положения на небе.
За решение этой труднойзадачи взялись двое молодых ученых — англичанин Джон Адамс и француз УрбанЛеверье. Оба они добились сходных результатов, но Адамсу не повезло: егорасчетам не поверили и наблюдений по существу не начали. Напротив, сразу послеполучения письма от Леверье, где сообщалось предполагаемое положениенеизвестной планеты, немецкий наблюдатель Иоганн Галле приступил к поискам. Ужена следующий день, 23 сентября 1846 г., он обнаружил светило, имеющее заметныйдиск, координаты которого отличались от координат известных звезд. Так, “накончике пера”, был открыт Нептун — восьмая большая планета Солнечной системы.
Нептун почти не меняет свойблеск, соответствующий примерно 8-й звездной величине. Так что планету можноувидеть в хороший бинокль, но нужно точно знать, где ее искать на небе. Ватмосфере Нептуна (как и Урана) меньше водорода и гелия, чем у Юпитера иСатурна, а его красивая синева связана с тем, что атмосферный метан эффективнопоглощает красные лучи. На Нептуне заметны пятна антициклонов. Самый крупный изних назван Большим Темным Пятном. Он украшен по краям белыми облаками; времякругооборота вещества в нем — 16 дней.
По строению и составу Нептунпохож на Уран. Весит он чуть больше, радиус его почти совпадает с радиусомУрана. Магнитное поле Нептуна сходно по силе с земным. Магнитный полюс планетыотстоит от географического на 47о.
Нептун медленно плыветвокруг Солнца по гигантскому кругу с радиусом в 30 раз большим, чем радиусорбиты Земли. До 1999 г. Нептун был самой крайней планетой Солнечнойсистемы, так как Плутон, двигаясь по орбите со значительным эксцентриситетом,находился внутри орбиты Нептуна.
Спутники. В октябре 1846 г. английский астроном-любитель Уильям Ласселл открыл уНептуна спутник — Тритон. Спутник оказался необычным: он движется в направлениипротивоположном вращению самой планеты. В Тритоне сосредоточена почти вся массаспутниковой системы Нептуна, а диаметр его равен 2700 км.
В 1949 г. американец ДжерардКойпер открыл вторую луну Нептуна диаметром 340 км. — Нереиду. Она тожепо-своему уникальна: у ее орбиты наибольший эксцентриситет среди спутниковСолнечной системы (0,75). Расстояние между Нереидой и Нептуном меняется в семьраз от перигея к апогею орбиты.
В последние годы удалосьразгадать тайну происхождения гигантского обратного спутника Нептуна.Компьютерные расчеты свидетельствуют: чем дольше образовывалась спутниковаясистема тем больше захватывала планета обратных частиц. Чем дальше она отстоитот Солнца, тем медленнее она формирует себя и свою спутниковую систему.Околопланетный диск возле Нептуна складывался так медленно, что обратнодвижущееся вещество стало доминировать, в нем и зародился огромный Тритон.
Кольца. Особая глава в истории исследований системы Нептуна посвящена егокольцам. После того как в 1977 г. по затмению звезды были обнаружены кольцаУрана, аналогичные наблюдения начали проводить для Нептуна. И действительно, всередине 80-х гг. ученые открыли у этой планеты кольца, но очень странные: онибыли не полными. Эти разорванные кольца стали называть дугами или арками.Вещество в них распределено неравномерно: плотность резко падает у концов дуги.Представить себе стабильное скопление частиц в одной части орбиты очень трудно.Ведь периоды обращения независимых частиц хоть немного, но отличаются, так чтовсе скопление должно постепенно растянуться вдоль орбиты и превратиться вкольцо.
Сложные расчеты позволилисделать вывод о том, что арки Нептуна представляют собой цепочки ранеенеизвестных науке эллиптических вихрей антициклонического типа, состоящих изтвердых частиц. Эти уникальные вихри названы эпитонами; они сложным образом взаимодействуют с ближайшимспутником (Галатеей) и между собой.
Список литературы:
1.Гребенников Е. А., Рябов Ю. А. Поиски и открытия планет. М“Наука” ,1984 г., 192 с.
2.Мур П. Астрономия с Патриком Муром (перевод с англ.) — М.: ФАИР-ПРЕСС,1999 г.-368 с.
3.Гурштейн А. А. Извечные тайны неба, М. “Наука”, 1981 г., 491 с.
4.Струве О., Линдс Б., Пилланс Э. Элементарная Астрономия (переводс англ.), М. “Наука”, 1967 г. 478 с.
5.Энциклопедия для детей, том 8. Астрономия., М “Аванта+”, 1997 г., с. 507 — 568.
PAGE# "'Стр: '#' '" <a href="#_msoanchor_1" ">[БАИ1]
www.ronl.ru
Министерство образования РФ
Курский электромеханическийтехникум
реферат
попредмету: Физика
натему: Планеты-гиганты
выполнил: студентка гр. ТЭП-11
Рюмшина Ю.Н.
Проверил: преподаватель физики
Шевцова С.А.
Курск-2001
План
1. Планеты-гиганты
2. Спутникипланет-гигантов и Плутон
3. Состав истроение спутников планет-гигантов
4. Списокиспользуемой литературы
ПЛАНЕТЫ-ГИГАНТЫ
Юпитер, Сатурн, Уран и Нептунпредставляют юпитерову группу планет, или группу планет-гигантов, хотя ихбольшие диаметры не единственная черта, отличающая эти планеты от планет земнойгруппы. Планеты-гиганты имеют небольшую плотность, краткий период суточноговращения и, следовательно, значительное сжатие у полюсов; их видимыеповерхности хорошо отражают, или, иначе говоря, рассеивают солнечные лучи.
Уже довольно давно установили, чтоатмосферы планет-гигантов состоят из метана, аммиака, водорода, гелия. Полосыпоглощения метана и аммиака в спектрах больших планет видны в огромномколичестве. Причем с переходом от Юпитера к Нептуну метановые полосы постепенноусиливаются, а полосы аммиака слабеют. Основная часть атмосфер планет-гигантовзаполнена густыми облаками, над которыми простирается довольно прозрачныйгазовый слой, где «плавают» мелкие частицы, вероятно, кристаллики замерзшихаммиака и метана.
Вполне естественно, что средипланет-гигантов лучше всего изучены две ближайшие к нам — Юпитер и Сатурн.
Поскольку Уран и Нептун сейчас непривлекают к себе особенного внимания ученых, остановимся более подробно наЮпитере и Сатурне. К тому же значительная часть вопросов, которые можно решитьв связи с описанием Юпитера и Сатурна, относится также и к Нептуну.
Юпитер является одной из наиболееудивительных планет Солнечной системы, и мы уделяем ему значительно большевнимания, чем Сатурну. Необычайным в этой планете является не ее полосатое телос довольно быстрым перемещением темных полос и изменением их ширины и неогромное красное пятно, диаметр которого около 60 тыс. км., изменяющеевремя от времени свой цвет и яркость, и, наконец, не его «господствующее» поразмеру и массе положение в планетной семье. Необычайное заключается в том,что Юпитер, как показали радиоастрономические наблюдения, является источникомне только теплового, а и так называемого нетеплового радиоизлучения. Вообщедля планет, которым присущи спокойные процессы, нетепловое радиоизлучение являетсясовсем неожиданным.
То, что Венера, Марс, Юпитер и Сатурнявляются источниками теплового радиоизлучения, теперь твердо установлено и невызывает у ученых никакого сомнения. Это радиоизлучение целиком совпадает степловым излучением планет и является «остатком», а точнее—низкочастотным«хвостом» теплового спектра нагретого тела. Поскольку механизм теплового радиоизлученияхорошо известен, такие наблюдения позволяют измерять температуру планет.Тепловое радиоизлучение регистрируется с помощью радиотелескоповсантиметрового диапазона. Уже первые наблюдения Юпитера на волне 3 смдали температуру радиоизлучения такую же, как и радиометрические наблюдения винфракрасных лучах. В среднем эта температура составляет около— 150°С. Нослучается, что отклонения от этой средней температуры достигают 50—70, а иногда140°С, как, например, в апреле — мае 1958 г. К сожалению, пока не удалосьвыяснить, связаны ли эти отклонения радиоизлучения, наблюдаемые на одной и тойже волне, с вращением планеты. И дело тут, очевидно, не в том, что угловойдиаметр Юпитера в два раза меньше наилучшей разрешающей способности крупнейшихрадиотелескопов и что, следовательно, невозможно наблюдать отдельные частиповерхности. Существующие наблюдения еще очень немногочисленны для того, чтобыответить на эти вопросы.
Что касается затруднений, связанных снизкой разрешающей способностью радиотелескопов, то в отношении Юпитера можнопопробовать их обойти. Нужно только надежно установить на основании наблюденийпериод аномального радиоизлучения, а потом сравнить его с периодом вращенияотдельных зон Юпитера. Вспомним, что период 9 час. 50 мин., — это периодвращения его экваториальной зоны. Период для зон умеренных широт на 5—6 мин.больший (вообще на поверхности Юпитера насчитывается до 11 течений с разнымипериодами).
Таким образом, дальнейшие наблюдениямогут привести нас к окончательному результату. Вопрос о связи аномальногорадиоизлучения Юпитера с периодом его вращения имеет немаловажное значение.Если, например, выяснится, что источник этого излучения не связан споверхностью Юпитера, то возникнет необходимость в более старательных поискахего связи с солнечной активностью.
Не так давно сотрудникиКалифорнийского технологического института Ракхакришнан и Робертс наблюдалирадиоизлучения Юпитера на дециметровых волнах (31 см). Онииспользовали интерферометр с двумя параболическими зеркалами. Это позволило имразделить угловые размеры источника, который представляет собой кольцо вплоскости экватора Юпитера, диаметром около трех диаметров планеты. ТемператураЮпитера, которую определили на дециметровых волнах, оказалась слишком высокойдля того, чтобы можно было считать природу источника этого радиоизлучениятепловой. Очевидно, тут мы имеем дело с излучением, происходящим от заряженныхчастиц, захваченных магнитным полем Юпитера, а также сконцентрированных вблизипланеты благодаря значительному гравитационному полю.
Итак, радиоастрономические наблюдениястали мощным способом исследования физических условий в атмосфере Юпитера.
Мы кратко рассказали о двух видахрадиоизлучения Юпитера. Это, во-первых, главным образом тепловое радиоизлучениеатмосферы, которое наблюдается на сантиметровых волнах. Во-вторых,радиоизлучение на дециметровых волнах, имеющее, по всей вероятности, нетепловуюприроду.
Остановимся кратко на третьем видерадиоизлучения Юпитера, которое, как упоминалось выше, является необычным дляпланет. Этот вид радиоизлучения имеет также нетепловую природу и регистрируетсяна радиоволнах длиной в несколько десятков метров.
Ученым известны интенсивные шумовыебури и всплески «возмущенного» Солнца. Другой хорошо известный источник такогорадиоизлучения — это так называемая Крабовидная туманность. Согласно представлениюо физических условиях в атмосферах и на поверхностях планет, котороесуществовало до 1955 г., никто не надеялся, что хотя бы одна из планет в состоянии«дышать» по образцу разных по природе объектов — Солнца или Крабовиднойтуманности. Поэтому не удивительно, что когда в 1955 г. наблюдатели заКрабовидной туманностью зарегистрировали дискретный источник радиоизлученияпеременной интенсивности, они не сразу решились отнести его на счет Юпитера. Ноникакого другого объекта в этом направлении не было обнаружено, поэтому всю«вину» за возникновение довольно значительного радиоизлучения в конце концоввозложили на Юпитер.
Характерной особенностью излученияЮпитера является то, что радиовсплески длятся недолго (0,5—1,5 сек.).Поэтому в поисках механизма радиоволн в этом случае приходится исходить изпредположения либо о дискретном характере источника (подобного разрядам), либоо довольно узкой направленности излучения, если источник действует непрерывно.Одну из возможных причин происхождения радиовсплесков Юпитера объяснялагипотеза, согласно которой в атмосфере планеты возникают электрическиеразряды, напоминающие молнию. Но позднее выяснилось, что для образования стольинтенсивных радиовсплесков Юпитера мощность разрядов должна быть почти вмиллиард раз большей, чем на Земле. Это значит, что, если радиоизлучение Юпитеравозникает благодаря электрическим разрядам, то последние должны носитьсовершенно иной характер, чем возникающие во время грозы на Земле. Из другихгипотез заслуживает внимания предположение, что Юпитер окружен ионосферой. Вэтом случае источником возбуждения ионизованного газа с частотами 1—25 мгцмогут быть ударные волны. Для того чтобы такая модель согласовалась спериодическими кратковременными радиовсплесками, следует сделать предположениео том, что радиоизлучение выходит в мировое пространство в границах конуса,вершина которого совпадает с положением источника, а угол у вершины составляетоколо 40°. Не исключено также, что ударные волны вызываются процессами,происходящими на поверхности планеты, или конкретнее, что тут мы имеем дело спроявлением вулканической деятельности. В связи с этим необходимо пересмотретьмодель внутреннего строения планет-гигантов. Что же касается окончательноговыяснения механизма происхождения низкочастотного радиоизлучения Юпитера, тоответ на этот вопрос следует отнести к будущему. Теперь же можно сказать лишьто, что источники этого излучения на основании наблюдений в течение восьми летне изменили своего положения на Юпитере. Следовательно, можно думать, что онисвязаны с поверхностью планеты.
Таким образом, радионаблюденияЮпитера за последнее время стали одним из наиболее эффективных методовизучения этой планеты. И хотя, как это часто случается в начале нового этапаисследований, толкование результатов радионаблюдений Юпитера связано сбольшими трудностями, мнение в целом о нем как о холодной и «спокойной» планетедовольно резко изменилось.
Наблюдения показывают, что на видимойповерхности Юпитера есть много пятен, различных по форме, размеру, яркости идаже цвету. Расположение и вид этих пятен изменяются довольно быстро, и нетолько благодаря быстрому суточному вращению планеты. Можно назвать несколькопричин, вызывающих эти изменения. Во-первых, это интенсивная атмосфернаяциркуляция, подобная той, которая происходит в атмосфере Земли благодаряналичию разных линейных скоростей вращения отдельных воздушных слоев;во-вторых, неодинаковое нагревание солнечными лучами участков планеты,расположенных на разных широтах. Большую роль может играть также внутреннеетепло, источником которого является радиоактивный распад элементов.
Если фотографировать Юпитер напротяжении длительного времени (скажем, в течение нескольких лет) в моменты наиболееблагоприятных атмосферных условий, то можно заметить изменения, происходящие наЮпитере, а точнее — в его атмосфере. Наблюдениям над этими изменениями (сцелью их объяснения) сейчас уделяют большое внимание астрономы разных стран.Греческий астроном Фокас, сравнивая карты Юпитера, созданные в разные периоды(иногда с интервалом в десятки лет), пришел к заключению: изменения в атмосфереЮпитера связаны с процессами, происходящими на Солнце.
Нет сомнений, что темные пятнаЮпитера принадлежат плотному слою сплошных облаков, окружающих планету. Надэтим слоем находится довольно разреженная газовая оболочка.
Атмосферное давление, создаваемоегазовой частью атмосферы Юпитера на уровне облаков, вероятно, не превышает20—30 мм. рт. ст. По крайней мере, газовая оболочка во время наблюденияЮпитера через синий светофильтр едва заметно уменьшает контрасты между темнымипятнами и яркой окрестностью. Следовательно, в целом газовый слой атмосферыЮпитера довольно прозрачный. Об этом свидетельствуют также фотометрическиеизмерения распределения яркости вдоль диаметра Юпитера. Выяснилось, чтоуменьшение яркости к краю изображения планеты почти одинаковое как в синих, таки в красных лучах. Следует заметить, что между слоями облаков и газа на Юпитеререзкой границы, безусловно, нет, а поэтому приведенное выше значение давленияна уровне облаков надо считать приближенным.
Химический состав атмосферы Юпитера,как и других планет, начали изучать еще в начале XX ст. Спектр Юпитера имеетбольшое количество интенсивных полос, расположенных как в видимом, так и винфракрасном участке. В 1932 г. почти каждая из этих полос была отождествлена сметаном или аммиаком.
Американские астрономы Данхем, Адельи Слайфер провели специальные лабораторные исследования и установили, чтоколичество аммиака в атмосфере Юпитера эквивалентно слою толщиной 8 мпри давлении 1 атм., в то время как количество метана — 45 м придавлении 45 атм.
Основной составной частью атмосферыЮпитера является, вероятно, водород. За последнее время это предположениеподтверждено наблюдениями.
Сатурн, бесспорно, —самая красивая планета Солнечной системы. Почти всегда в поле зрения телескопанаблюдатель видит эту планету, окруженную кольцом, которое при болеевнимательном наблюдении представляет собой систему трех колец. Правда, этикольца отделены друг от друга, слабоконтрастными промежутками, поэтому невсегда все три кольца удается рассмотреть. Если наблюдать Сатурн при наилучшихатмосферных условиях (при незначительном турбулентном дрожании изображения ит.п.) и с увеличением в 700—800 раз, то даже на каждом из трех колец едвазаметны тонкие концентрические полосы, напоминающие промежутки междукольцами. Самое светлое и самое широкое — среднее кольцо, а самое слабое пояркости — внутреннее. Внешний диаметр системы колец почти в 2,4, а внутреннийв 1,7 раза больше диаметра планеты.
За последнее время наиболее серьезнымисследованием колец Сатурна в нашей стране занимается московский астроном М.С. Бобров. Используя данные наблюдений изменения яркости колец в зависимостиот их размещения по отношению к Земле и Солнцу или от так называемого углафазы, он определил размеры частиц, из которых состоят кольца.
Оказалось, что частицы, входящие всостав колец, в поперечнике достигают нескольких сантиметров и даже метров. Порасчетам М. С. Боброва, толщина колец Сатурна не превышает 10—20 км.
Как и на Юпитере, на Сатурне виднытемные полосы, расположенные параллельно экватору. Так же как и для Юпитера,для Сатурна характерна разная скорость вращения для зон с различными широтами.Правда, полосы на диске Сатурна более стойкие и количество деталей меньше, чему Юпитера.
СПУТНИКИ ПЛАНЕТ-ГИГАНТОВ И ПЛУТОН
Итак, мы познакомились в общих чертахс семейством планет, близких к нашему светилу. Среди другого семейства,расположенного за астероидным поясом, ни одна из четырех больших планет необладает твердой поверхностью в обычно понимаемом значении этого слова, о чеммы уже упоминали выше. Что же касается Плутона, то мы видели, что его никакнельзя относить к большим планетам ни по размерам, ни по ряду других характеристик.Скорее он напоминает крупный астероид (или же систему из двух астероидов),поэтому некоторые исследователи вообще не склонны считать его планетой. Но исамо семейство больших планет включает в себя много твердых тел. Это ихспутники, охватывающие широкий диапазон размеров — от сопоставимых с планетамиземной группы до небольших астероидов.
К сожалению, сведения о большинствеэтих тел, основанные на наземных наблюдениях, весьма ограничены. Касается этов первую очередь самых внешних спутников Юпитера, Сатурна и Нептуна,обладающих наибольшими наклонениями и эксцентриситетами орбит. Примерночетверть из них обращается вокруг своих планет не в прямом, а в обратномнаправлении. Уже сам этот факт определенно указывает на то, что эти спутники,вероятно, представляют собой захваченные астероиды, имеющие неправильную форму,и что основные черты их поверхностей не претерпели заметных изменений послезахвата (за исключением возможно более интенсивной бомбардировки при нахождениив окрестности крупного гравитирующего тела). В то же время природа других,особенно близких к планете больших спутников, скорее всего, является иной,тесно связанной с периодом формирования самой планеты.
Можно предположить, что при оченьнизких температурах конденсации во внешних областях Солнечной системы и присравнительно малых размерах этих тел значительная часть слагающего веществапредставляет собой водяной, метановый и аммонийный лед, который во многихслучаях должен обнаруживаться на поверхности. Наиболее вероятным кажетсяналичие водяного льда вследствие его большого содержания в Солнечной системе, атакже более высокой стабильности по сравнению с аммонийным и метановым льдом.
Что же наблюдается на самом деле?Водяной лед действительно был обнаружен на трех из четырех галилеевыхспутников Юпитера и на шести спутниках Сатурна. Основой для этого выводапослужили спектры отражения галилеевых спутников в сопоставлении со спектромльда из Н2О, которые показали, что характерные признаки ледяногопоглощения особенно четко присутствуют в спектрах Европы и Ганимеда, взначительно меньшей степени они проявляются у Каллисто, а у Ио вообщеотсутствуют. Это привело к представлениям о существенных различияхповерхностей этих тел и разных путях их тепловой эволюции.
Аналогичная ситуация наблюдается успутников Сатурна, Покрытые водяным льдом поверхности (а некоторые — возможнои целиком ледяной состав) имеют все спутники внутри орбиты Титана — Янус,Мимас, Энцелад, Тефия, Диона, Рея. На других спутниках Сатурна, а такжеспутниках Урана и Нептуна, каких-либо свидетельств присутствия водяного илиобразующегося при еще более низких температурах конденсации аммиачного илиметанового льда не найдено. У них низкая отражательная способность, чтосближает характеристики их поверхностей. Это спутники Сатурна Гиперион и Феба,спутники Урана Титания и Оберон, спутник Нептуна Тритон. В то же время для спутникаСатурна Япета характерно то, что у него одна сторона (в направлении движения поорбите) светлая, с высокой отражательной способностью, а противоположнаясторона темная. Приемлемого объяснения такой асимметрии пока не найдено.
К сожалению, ничего не известно оповерхности самого большого спутника Сатурна — Титана, по размерампревышающего Меркурий. Объясняется это тем, что изучению отражательных свойствего поверхности мешает атмосфера. Предполагали, что поверхность Титана можетсостоять из водяного или метанового льда. Выдвигалась гипотеза, согласнокоторой она может быть покрыта густой органической массой. В основе последнейлежали результаты лабораторных исследований, показавшие, что вметаново-водородных атмосферах под воздействием ультрафиолетового излученияобразуются сложные углеводороды — такие, как этан, этилен и ацетилен. Какздесь не вспомнить существовавшие еще в 50-х годах нашего столетия близкие кэтим представления о поверхности Венеры: ведь и на ней предполагалось обилиеуглеводородов, моря нефти и даже пышная растительность. К сожалению,реальность уже не раз опровергала экзотические ожидания; очевидно, не будетисключением и Титан с его недавно открытой холодной азотной атмосферой.
В отличие от спутниковпланет-гигантов, у Плутона отождествлены спектральные признаки метановогоконденсата. По результатам узкополосной фотометрии отношение интенсивностиотражения в двух спектральных областях, в одной из которых расположены полосыпоглощения водяного и аммиачного льда, а в другой — сильная полоса поглощенияметанового льда, оказалось равным 1,6. Если взять чистый метановый лед и снятьте же спектры в лаборатории, то отношение оказывается лишь немного больше, в товремя как для спутников гигантов с признаками водяного льда на поверхности этоотношение существенно меньше единицы. Это является довольно сильным аргументомв пользу наличия метана. Обнаружение метанового льда на Плутоне меняетсуществовавшие до недавнего времени представления о его поверхности,образованной скальными породами, в сторону более реальных предположений опокрывающем ее протяженном ледяном слое.
СОСТАВ ИСТРОЕНИЕ СПУТНИКОВ ПЛАНЕТ-ГИГАНТОВ
В предыдущей главе мы уделили многовнимания спутникам планет-гигантов, рассказам о свойствах их поверхностей.Одновременно затрагивались проблемы внутреннего строения и эволюции их недр,ключом к решению которых служат наблюдаемые поверхностные структуры. Особыйинтерес представляют галилеевы спутники Юпитера, на поверхностях которых, какмы видели, обнаружен целый ряд уникальных особенностей, а средняя плотностьпадает с ростом расстояния от Юпитера от 3,53 г/см3 для Ио до 1,79г/см3 для Каллисто. Изменение плотности естественно отражаетразличия в составе слагающих эти спутники пород. Расчетные модели ихвнутренней структуры еще до полетов космических аппаратов «Вояджер» привели кпредставлениям о том, что Ио и Европа почти целиком состоят из вещества горныхпород, в то время как у Ганимеда и Каллисто из них сложены только центральныечасти (ядра), а внешние оболочки образованы водяным или водно-аммонийным льдом.Нужно сказать, что эти предположения в своих основных чертах оправдались, но,конечно, сейчас мы узнали об этих небесных телах несравненно больше.
В первую очередь это касаетсяспутника Ио, о котором думали, что он потерял воду в отдаленную эпохувследствие максимального разогрева за счет радиогенного тепла в его недрах,сложенных силикатными породами. Действительно, для тела таких размеров, какИо, любой реально допустимый запас долгоживущих радиоизотопов должен былисчерпаться в сравнительно ранний период тепловой эволюции; на другихгалилеевых спутниках роль внутренних источников тепла также неэффективна. Темудивительнее было обнаружение на Ио исключительно сильной вулканическойактивности в современную эпоху. На ее вероятный источник указали известныйамериканский планетолог С. Пил и его сотрудники, опубликовавшие свою работубуквально за несколько месяцев до пролета первого «Вояджера»! Сейчас этопредположение, подкрепленное экспериментальными фактами, кажется наиболееправдоподобным. Причиной вулканической деятельности на Ио следует, очевидно,считать приливный разогрев его недр. Дело в том, что под влиянием притяженияЕвропы и Ганимеда возникают возмущения эксцентриситета синхронной орбиты Иовокруг Юпитера, что вызывает изменения амплитуды постоянных крупномасштабных приливов.Расчеты показали, что энерговыделение вследствие приливной деформации этогоспутника достаточно, чтобы расплавить большую часть его недр. Полагают, что внастоящее время у Ио сохранилась лишь очень тонкая твердая кора толщиной в20—30 км, которая пульсирует вместе с приливами и отливами. Регулярногенерируемое тепло служит источником интенсивных извержений, непрерывнойвулканической деятельности. Очевидно, если бы на месте Ио оказался другойобъект, сложенный в основном льдом, то из-за быстрой потери легколетучихэлементов от него бы очень скоро ничего не осталось. Возможно, что таким путемисчезали ледяные тела, испытавшие аналогичные эффекты вблизи Юпитера илидругих планет-гигантов.
Модель приливных возмущений,предложенная для Ио, предсказывает наличие небольшого разогрева также длясоседней с ним Европы. Количественно этот эффект должен быть примерно напорядок меньше, однако и в этом случае он достаточен для того, чтобы поддерживатьвнутреннюю активность ее недр. Отражением этой продолжающейся тепловойэволюции, очевидно, служит грандиозная сетка трещин на удивительно гладкойповерхности льда, обусловленная тектоническими процессами. Европаприблизительно на 20% по массе состоит из водяного льда, сосредоточенного втолстой (≈100 км) коре и водно-ледяной мантии (шуге) протяженностью внесколько сот километров.
Ганимед и Каллисто, судя по близкимзначениям их плотности (1,9 г/см3 и 1,8 г/см3), уже почтина 50% состоят из водяного льда. Вместе с тем различия поверхностей этих двухтел говорят о том, что их эволюция шла различными путями, зависившими на раннейстадии от обилия радиоактивных источников разогрева. На Ганимеде, при большемсодержании силикатов, они были более эффективны, что обусловило более полнуюдифференциацию вещества и образование менее тонкого ледяного покрова уповерхности. У Ганимеда предполагается, таким образом, несколько большее помассе, чем у Каллисто, силикатное ядро, водно-ледяная мантия (возможно сослабыми внутренними конвективными движениями) и ледяная кора. В то же времяКаллисто, видимо, обладает наиболее толстой ледяной корой и содержитнаибольшее количество воды среди всех галилеевых спутников, причем в еговодно-ледяной мантии, вероятно, сохранились значительные включения скальныхпород.
О внутреннем строении другихспутников гигантов известно еще меньше. Более или менее обоснованныепредположения опираются на спектрофотометрические характеристики ихповерхностей, хотя эти сведения, к сожалению, довольно ограничены.Теоретические модели внутреннего строения строились Д. Льюисом, исходя издопущений о равновесной или неравновесной конденсации вещества протопланетнойтуманности. Было показано, что при температурах конденсации ниже 160°Кобразуются тела, состоящие из вещества углистых хондритов и водяного льдапримерно в равном соотношении, если процесс аккумуляции протекает настолькомедленно, чтобы поддерживалось химическое равновесие с окружающим газом. Вслучае же быстрой конденсации условия равновесия не обеспечиваются и образуютсяотдельные слои, химически не взаимодействующие друг с другом. Такое тело будетиметь ядро, обладающее наибольшей плотностью и окруженное мантией, состоящейиз водяного льда и аммонийных гидросульфидов, а также кору из аммонийногольда. В обоих вариантах аккумуляции плотность образующихся тел оказываетсяприблизительно одинаковой, не сильно отличающейся от плотности водяного льда.Для больших тел, таких, как Титан, предполагаемая плотность выше (1,5—1,9 г/см3)за счет несколько большей фракции силикатов в слагающем их веществе.
От состава должен непосредственнозависеть и ход тепловой эволюции твердых тел во внешних областях Солнечнойсистемы, что предопределяется различной температурой плавления слагающих ихльдов. Расчеты показали, что тела, состоящие из вещества углистых хондритов иводяного льда, будут проходить стадию расплавления и медленной дифференциациитолько при условии, если их радиус превышает 1000 км. Если же в составслагающего вещества входят аммонийные соединения, расплавление будет иметь местои для тел меньших размеров. Поэтому, если радиус таких спутников не менее 700км, они будут дифференцироваться с выделением силикатного ядра, мантии,состоящей из водяного и растворов водно-аммонийного льда, и ледяной корытолщиной в несколько сот километров. Здесь можно усмотреть определеннуюаналогию с Ганимедом и Каллисто, исключая примесь аммонийных соединений. Вцелом такая структура, видимо, более характерна для сопоставимого с ними поразмерам Титана. Можно предполагать, что у таких крупных тел происходит болееполное расплавление вследствие выделения гравитационной энергиидифференциации.
К таким телам непосредственнопримыкает и Плутон, на котором, вероятно, происходили менее активные процессы.В рамках моделей равновесной конденсации из протопланетной туманности притемпературе около 40 К это тело, очевидно, аккумулировалось преимущественно изметанового льда, и слагающее его вещество не претерпело в дальнейшем заметнойдифференциации. Другая возможность — формирование из гидратов метана (Ch5-8h3O) при температурах конденсации≈70К, с последующим их разложением в процессе внутренней эволюции,дегазацией СН4 и образованием метанового льда на поверхности.Отождествление его в спектре отражения Плутона благоприятствует обеим этиммоделям, не позволяя, однако, сделать между ними выбор. При этом для любой изних средняя плотность планеты оказывается не выше 1,2 г/см3, аальбедо не менее 0,4, что соответственно уменьшает вероятный диаметр Плутонадо размеров Луны, а массу ограничивает несколькими тысячными долями от массыЗемли.
Список используемой литературы
1. М.Я. Маров. Планеты солнечнойсистемы
2. И.К. Ковалев. Мир планет
3. Ф.Л. Уилл. Семья Солнца
www.ronl.ru
АСТЕРОИД — небольшое планетоподобное тело Солнечной системы (малая планета). Самый большой из них Церера, имеющий размеры 970х930 км. Астероиды по размерам сильно различаются, самые маленькие из них не отличаются от частиц пыли. Несколько тысяч астероидов известно под собственными именами. Полагают, что насчитывается до полумиллиона астероидов с диаметром более полутора километров. Однако общая масса всех астероидов меньше одной тысячной массы Земли. Большинство орбит астероидов сконцентрировано в поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера на расстояниях от 2,0 до 3,3 а.е. от Солнца. Имеются, однако, и астероиды, чьи орбиты лежат ближе к Солнцу, типа группы Амура, группы Аполлона и группы Атена. Кроме того, имеются и более далекие от Солнца, типа центавров. На орбите Юпитера находятся троянцы. Астероиды могут быть классифицированы по спектру отраженного солнечного света: 75% из них очень темные углистые астероиды типа С, 15% — сероватые кремнистые астероиды типа S, а оставшиеся 10% включают астероиды типа М (металлические) и ряд других редких типов. Классы астероидов связаны с известными типами метеоритов. Имеется много доказательств, что астероиды и метеориты имеют сходный состав, так что астероиды могут быть теми телами, из которых образуются метеориты. Самые темные астероиды отражают 3 — 4% падающего на них солнечного света, а самые яркие — до 40%. Многие астероиды регулярно меняют яркость при вращении. Вообще говоря, астероиды имеют неправильную форму. Самые маленькие астероиды вращаются наиболее быстро и очень сильно различаются по форме. Космический аппарат «Галилео» при полете к Юпитеру прошел мимо двух астероидов, Гаспра (29 октября 1991 г.) и Ида (28 августа 1993 г.). Полученные детальные изображения позволили увидеть их твердую поверхность, изъеденную многочисленными кратерами, а также то, что Ида имеет небольшой спутник. С Земли можно получить информацию о трехмерной структуре астероидов с помощью большого радиолокатора Аресибской обсерватории. Астероиды, как полагают, являются остатками вещества, из которого сформировалась Солнечная система. Это предположение подкреплено тем, что преобладающий тип астероидов внутри пояса астероидов меняется с увеличением расстояния от Солнца. Столкновения астероидов, происходящие на больших скоростях, постепенно приводят к тому, что они разбиваются на мелкие части.
Астероиды рвутся к Земле!14 июня 1873 г. Джеймс Уотсон на обсерватории Энн Арбор (США) открыл астероид 132 Аэрту. За этим объектом удалось следить всего три недели, а потом его потеряли. Однако результаты определения орбиты, говорили о том, что перигелий Аэрты находится внутри орбиты Марса. Но астероиды, которые бы приближались к орбите Земли, оставались неизвестны до конца XIX в. Первый астероид вблизи Земли был открыт Густавом Виттом только 13 августа 1898 г. В этот день на обсерватории Урания в Берлине он обнаружил слабый объект, быстро перемещающийся среди звезд. Большая скорость свидетельствовала о его необычайной близости к Земле, а слабый блеск близкого предмета — об исключительно малых размерах. Это был 433 Эрос, первый астероид-малютка поперечником менее 25 км. В год его открытия он прошел на расстоянии 22 млн. км от Земли. Его орбита оказалась не похожа ни на одну до сих пор известную. Перигелием она почти касалась орбиты Земли. 3 октября 1911 г., Иоганн Пализа в Вене открыл астероид 719 Альберт, который мог подходить к Земле почти так же близко, как Эрос до 0,19 a. e… 12 марта 1932 г. Эжен Дельпорт на обсерватории в Уккле (Бельгия) открыл совсем крошечный астероид на орбите с перигелийным расстоянием q=1,08 a. e. Это был 1221 Амур поперечником менее 1 км, прошедшем в год открытия на расстоянии 16,5 млн. км от Земли
Новый «близкий» астероид был открыт в 1911 году. Это был астероид Альберт, подходивший к орбите Земли почти так же близко, как и Эрос, но при этом его афелии находился на 180 миллионов километров дальше, чем кольцо астероидов. Удивительное открытие среди астероидов произошло в 1949 году. Был открыт астероид Икар (1566). Его орбита (см. рис.) проникает внутрь орбиты Меркурия! К Солнцу Икар приближается на расстояние в 28,5 миллионов километров. Его поверхность на солнечной стороне раскаляется до такой степени, что, будь на ней цинковые или свинцовые горы, они растеклись бы расплавленными ручьями. Температура поверхности Икара превышает 600 С!
В период между 1949 и 1968 годами Икар подошел так близко к Меркурию, что тот своим гравитационным полем изменил орбиту астероида. Расчеты австралийских астрономов показали, что при следующем сближении Икара с нашей планетой в 1968 году, он рухнет в Индийский океан в районе африканского побережья. Его падение на Землю эквивалентно по мощности взрыву около 1000 водородных бомб! Надеюсь, читатели современной «желтой прессы» представляют, что творилось на африканском побережье, и не только, после таких газетных сообщений.
«Сенсационные результаты» австралийских астрономов перепроверили советский астроном И. Л. Беляев и американец С. Херрик, после чего человечество сразу успокоилось. Оказывается, Икар действительно тесно должен сблизиться с Землей. Но эта теснота сугубо астрономическая. В момент максимального сближения оба небесных тела будут находиться на расстоянии примерно 6,5 МИЛЛИОНОВ километров. 14 июня 1968 года, приветственно «помахав» землянам, Икар, действительно прошел мимо Земли, как было предсказано, и был доступен для наблюдений любительскими средствами наблюдений неба.
Но, давайте посмотрим, что же говорят астрономы современности об астероидной опасности для Земли. Это все таки ближе к интригующей ситуации, связанной с падением астероида на Землю. К началу 90 годов прошлого столетия, астрономы, проведя анализ пролета астероидов около Земли на «опасных» расстояниях начали создавать целые группы по обнаружению потенциально опасных астероидов. Вскоре их наблюдения уже можно было свести в одну таблицу.
Минимальные сближения астероидов с Землей зафиксированные на период с 1937 по 1994 годы. По данным Д. Гулютина.
Минимальное расстояние (в млн. км.) Дата сближения Обозначение 730 30 октября 1937 года 1937 UB 670 22 марта 1989 года 1989 FC 165 18 января 1991 года 1991 BA 465 5 декабря 1991 года 1991VG 150 20 мая 1993 года 1993 КА2 165 15 марта 1994 года 1994 ES1 720 24 ноября 1994 года 1994 WR12 100 9 декабря 1994 года 1994 XM1 430 27 марта 1995 года 1995 FF 450 19 января 1996 года 1996 JA1Как видно из таблицы, астероиды достаточно близко подходят к Земле по космическим меркам, что и настораживает астрономов. Казалось бы астероиды, словно сговорившись, пытаются атаковать Землю, как бы пристреливаясь.
Однако следует иметь ввиду, что регулярные наблюдения ведутся не более десятка лет, отсюда и большое количество «внезапно» вторгшихся в окрестности Земли астероидов.
14 мая 1996 года14 мая 1996 года астрономы Т. Спар и К. Герген-ротер (Аризонский университет, США), работающие на 40-см широкоугольном астрографе по программе поиска потенциально опасных для Земли астероидов, обнаружили в 900 тыс. км. от нашей планеты один такой «экземпляр». По предварительным оценкам астероид, получивший обозначение 1996 JA1, имел размеры от 300 до 500 метров в диаметре. 19 мая этот «небесный бродяга» пронесся на расстоянии 450 тыс. км. от Земли, т.е. чуть больше расстояния от Земли до Луны.
Исходя из тревожных фактов, описанных выше, астрономическая общественность 16 июня 1996 года провела конференцию «Астероидная опасность-96», что совпало с 250-летием со дня рождения итальянского астронома Джузеппе Пиацци. Конференция длилась 4 дня и собрала не только астрономов и математиков, но и разработчиков космической техники. Было заслушано множество докладов, раскрывающих проблемы обнаружения опасных астероидов, слежения за ними и противодействия их возможному столкновению.
1997 год. Обнаружен потенциально опасный астероид 1997XF11. Это было последней каплей для NASA, и американское космическое агентство учредило новую службу NEOPO (Near-Earth Object Program Office — Управление программой околоземных объектов), которая будет координировать работу по поиску и слежению за потенциально опасными космическими объектами. Служба NEOPO надеется обнаружить до 90% из 2000 астероидов и комет диаметром более 1 км, которые могут подходить близко к Земле. Эти объекты достаточно велики, чтобы вызвать глобальную катастрофу, но заметить на небе их очень сложно. Поэтому поиск опасных комет и астероидов должен объединить усилия многих обсерваторий и космических агенств. Так что же? Будем защищаться?
Астероид 1999 AN10 был открыт в 1999 году с помощью автоматического телескопа LINEAR. Когда Андреа Милани (Пизанский университет, Италия) и его коллеги определили параметры его орбиты, оказалось, что в течение 600 лет астероид будет довольно часто пролетать мимо Земли, а в 2039 году существует даже опасность столкновения, правда, очень маленькая — приблизительно ОДИН ШАНС ИЗ МИЛЛИАРДА!
Так что столкновение в 2039 году нам не угрожает, но на смену ему пришли две новые черные даты: одна в 2044, вторая в 2046 году. Шансы на столкновение в 2046 году довольно малы — один из пяти миллионов. Но вот вероятность того, что малая планета окажется на орбите, ведущей к столкновению в 2044 году, по расчетам в десять раз выше — 1:50000. Служители прессы подхватили из этого сообщения то, ЧТО ИМ БЫЛО НУЖНО, т.е. то, что АСТРЕОИД МОЖЕТ УПАСТЬ НАЗЕМЛЮ(!), забыв, естественно, указать ВЕРОЯТНОСТЬ ТАКОГО СОБЫТИЯ и раздули сенсацию до вселенских масштабов. Кричащие заголовки типа «Апокалипсис грядет!» или «Конец света близок!» заставили крепко поволноваться население стран цивилизованного мира. Но не будем забывать об истории с астероидом Икар, который «должен был» упасть в Индийский океан.
А вот интересная схема, составленная любителем астрономии В. С. Гребенниковым из г. Новосибирска. Он начертил подобие мишени, в центре которой — наша родная планета, и 8 окружностей вокруг нее через каждые 100 тыс. км. В нужное место поставил Луну, а потом как бы пальнул в эту мишень десятком картечин-астероидов, пронесшихся мимо нас по данным в ЗВЕЗДОЧЕТЕ (1996 г., №9) и «Науке и жизни» (1995 г., №5). Самая ближняя точка на схеме, это болид весом около тысячи тонн, который «просвистел» среди бела дня над США 10 августа 1972 года настолько полого к «горбу» земного шара, что не упал, а на высоте всего 58 км «отпружинился» от плотной земной атмосферы и унесся в космос. Пофантазировав, можно подумать «кто-то» пристреливается и довольно успешно мечет сюда огромные смертоносные глыбы, и точность метания, «кучность боя» по сравнению с 1937 годом вроде бы возросла… Однако, опять же, следует заметить, что активно следить за такими астероидами астрономы стали только в последнее десятилетие. Из известных «расчетных» астероидов наибольшую опасность представляет Эрос — глыба 40х14 км., могущая через ПОЛТОРА МИЛЛИОНА ЛЕТ наделать побольше бед, чем «динозавровая зима».
Взглянув на эту схему, у пользователей сайта, пожалуй, временно потеряется вера в «светлое будущее» человечества.
Так что же? «Ешь ананасы, рябчиков жуй, день твой последний…» ну и так далее. Удручающая картина, нарисованная автором, схемы, а также таблица сближений, впечатляет, но не более того!
Хватит пугать неискушенного пользователя концом света. Посмотрим на астероидную опасность более оптимистично.
Планеты — крошкиМы рассказали про планеты солнечной системы. Но 9 планет и 86 спутников, о которых мы говорим, — это не все. В планетной системе есть еще великое множество очень небольших, но самостоятельных тел. Их называют малыми планетами или астероидами. 1 января 1801 г. итальянский астроном Пиацци нашел на небе маленькую звездочку, которая, как он установил, медленно передвигалась среди звезд. Ясно, что это была неизвестная до того планета. Когда определили ее путь, то оказалось, что он лежит между путями Марса и Юпитера, т. е. в зоне солнечной системы, казалось бы давно изученной и хорошо знакомой. Удивительное это было открытие! Удивительно было и то, что новая планета, которую назвали Церерой, была так мало заметна: ведь она была ближе Юпитера и немногим дальше Марса! Приходилось сделать вывод, что это какое-то небольшое небесное тело
Ученым снова пришлось удивиться, когда через год, в 1802 г., нашли еще одну планету — Палладу, путь которой тоже проходил между орбитами Марса и Юпитера. В 1804 г. там же обнаружили третью планету — Юнону, в 1807 г. четвертую — Весту. Итак, оказалось, что между путями Марса и Юпитера движется несколько каких-то маленьких небесных тел
Позднее, начиная с конца первой половины XIX в., такие планеты стали открывать все в большем числе. Находки стали особенно частыми, после того как для поисков применили фотографию. Очень много планет открыли сотрудники Симеизской обсерватории в Крыму. Российские астрономы С. И. Белявский и Г. Н. Неуймин открыли около сотни малых планет. Теперь таких планет известно более 1600
Немало надо потрудиться, чтобы изучить такое множество небесных тел. Ведь для каждой планеты нужно определить ее путь, расстояние от Солнца, время оборота вокруг Солнца. Нужно на каждый год вычислить положение малой планеты на небе, чтобы астрономы могли снова найти ее и сфотографировать. Этим важным делом занимаются в Институте теоретической астрономии Академии наук в Петербурге. Главную часть работы там выполняют компьютеры
У каждой малой планеты, или астероида, есть свой номер и название. Вначале, пока астероидов знали немного, их, как и большие планеты, называли именами богов или богинь из древнеримских мифов. Потом таких имен не хватило, и теперь астероиды называют обычными женскими именами, а также именами городов, стран и ученых. Так, среди планет есть Анна и Вера, Москва и Казань, Армения и Италия, Коперник и Ньютон. Есть планета, названная Владиленой
Не все малые планеты движутся все время между Марсом и Юпитером. Некоторые пересекают орбиту Марса и даже орбиты более близких к Солнцу планет. Малая планета № 1566 — Икар — подходит иногда к Солнцу даже ближе, чем Меркурий
Самая крупная из малых планет — Церера имеет поперечник до 770 км, самые мелкие — неправильные глыбы диаметром около 1 км
Наша планетная система — не единственная. В бесконечной Вселенной есть много других звезд, окруженных планетами, которые при помощи современных телескопов мы еще не можем непосредственно наблюдать. Но недалеко то время, когда человечество овладеет такими мощными средствами наблюдения, что его взору откроются многие другие планетные миры
Крупнейший из астероидов — Церера — имеет диаметр 933 км, диаметр Паллады 490 км, Весты — 380 км (снимок слева), Юноны — 170 км. Справа один из снимков астероида 253 Матильда, полученных кораблем NEAR 27 июня 1997 года. Это один из немногих астероидов, исследованных на сегодняшний день так близко
Некоторые астероиды обращаются вокруг Солнца по очень вытянутым орбитам. Дальше всех находится Гидальго — на расстоянии 5.7 астрономических единиц. Ближе всех к Солнцу подходит Икар — на расстояние всего 28 млн. км
Астероиды классифицируют по их спектрам (и, следовательно, их химическим составам) и альбедо: к типу С, включающему в себя более чем 75% известных астероидов, относят наиболее темные астероиды с альбедо
Большинство астероидов обращается вокруг Солнца по орбите между Марсом и Юпитером. Орбиты некоторых лежат за орбитой Юпитера, есть также и такие астероиды, чьи орбиты располагаются ближе к Солнцу, чем Земля (например, Икар)
Различие между кометами и астероидами несколько спорно. Основное различие, кажется, состоит в том, что кометы имеют более вытянутые орбиты
Aстероиды иногда также называют малыми планетами или планетоидами
Общие представления о формировании планет, комет и астероидов
Общие представления о формировании планет, комет и астероидов
Современные наблюдательные данные о физико-химическом составе планет и кометно-астероидном компоненте позволяют предложить следующий наиболее вероятный сценарий их образования в процессе формирования Солнца и самой солнечной системы
Около 10 млрд. лет тому назад протозвездное облако, из которого впоследствие родилось Солнце и планеты, представляло собой квазисферическое образование, состоящее на 75% из водорода и 25% — из гелия-4, а на долю всех остальных элементов приходилась лишь незначительная часть массы облака. Тем не менее, несмотря на относительно малый вклад в плотность протозвездной материи, роль этих тяжелых элементов была определяющей в динамике охлаждения вещества. Физикам и химикам хорошо известен тот факт, что чем выше атомный номер химического элемента, тем легче возбуждается его электронная оболочка. Это возбуждение сопровождается высвечиванием квантов электромагнитного излучения, уносящих энергию, затраченную на возбуждение атома. Собственно, этот механизм определяет тепловой режим протосолнечного облака, приводя к уменьшению его температуры
Наряду с охлаждением, протосолнечное облако сжимается под действием собственной гравитации вещества, сопровождающемся нарастанием плотности в центре облака. Рост плотности приводит к разогреву центральной части облака до сверхвысоких температур, когда возможно " включение" реакций термоядерного синтеза элементов. При этом между гравитацией и давлением вещества в центральной части облака устанавливается баланс, характеризующий первую фазу формирования нашего Солнца
А что в этот период происходит на перифирии протосолнечного облака? Многочисленные расчеты и компьютерные эксперименты позволяют сделать вывод о том, что на фазе формирования ядра внешние области облака имеют сложную многофазную структуру
Прежде всего, в области ядра возникает зона аккреции (натекания) окружающего вещества на центральное образование, приводящее к увеличению его массы. Выделяющаяся в результате сжатия ядра энергия формирует область сильной ионизации, расширяющуюся к периферии облака. Под действием излучения вещество " выдувается " к периферии и собирается в плотную оболочку — пылевой кокон, простирающийся вплоть до внешней границы облака. При этом относительно слабое вращение протозвездого облака в начале сжатия, по мере формирования плотной центральной зоны будет уси- ливаться и приводить к сплющиванию всей системы в тороидальное образование
Компьютерное моделирование позволяет выделить несколько характерных этапов этого процесса. На первой (1) фазе баланс между гравитацией, давлением и вращением вещества приводит к образованию сначала толстого, а затем все более уплощающегося диска. Далее в диске происходит фрагментация вещества на сгустки пыли (2-3). Спустя примерно миллион лет пылевые сгустки слипаются в компактые тела астероидных размеров с близким к пылевому физико-химическим состававом (4). После этого примерно еще 100 млн.лет рой астероидов испытывает интенсивное перемешивание, сопровождающееся дроблением более крупных объектов и объединением (слипанием) мелких. На этой фазе (5), собственно и формируются зародыши планет земной группы — Меркурия, Венеры, Марса и Земли. После этого, примерно еще за 200 млн. лет (6) сформировались планеты группы Юпитера, аккрецировав на себя газ, не вошедший в менее массивные планеты земной группы. И, наконец, еще через 1 млрд. лет образуются самые удаленные от Солнца планеты — Нептун и Плутон, завершающие процесс формирования солнечной системы как целого
Из этого сценария становится ясно, что астероиды и кометы — это остатки роя протопланетных тел, причем астероиды — это каменистые образования внутренней околосолнечной зоны, породившей планеты земной группы, а кометы — это каменно-ледяные образования, генетически связанные с зоной планет-гигантов. Но наиболее примечательно, что в процессе формирования планет группы Юпитера, планеты-гиганты Юпитер и Сатурн выполнили роль своеобразных«чистильщиков» солнечной системы, своим гравитационным полем выбросив малые протопланетные сгустки на дальнюю периферию солнечной системы. Таким образом, солнечная система оказалась окружена роем каменно-ледяных тел, простирающимся на расстояния от 20000 до 200000 радиусов орбит Земли вокруг Солнца ( как не удивиться «специальной» подготовке Земли для зарождения на ней биологической жизни и как не удивиться преклонению древних не только Солнцу, но и Юпитеру!)
Любопытно, что еще в 1950 году выдающийся голландский астроном Ян Оорт, анализируя орбиты движения 19 долгопериодических комет, задолго до эпохи компьютерного моделирования и беспилотной миссии к комете Галлея, высказал предположение о необходимости существования коментного пояса на периферии Солнечной системы. За прошедшие почти 50 лет список известных комет увеличился практически на порядок, а их траектории прекрасно согласуются с представлениями о существовании кометного пояса. Далее, следуя традиции, этот кометный пояс солнечной системы мы будем называть «облаком Оорта»
Насколько же массивно облако Оорта? По современным данным его масса оказывается весьма невелика — примерно 10% массы Земли приходится на сто миллиардов ядер комет. Отсюда легко определить массу «типичного » кометного ядра — около ста миллиардов тонн, хотя в мире комет существуют как «карлики»(массой до миллиарда тонн), так и «гиганты» (до ста тысяч миллиардов тонн!). Однако и «карлики» и «гиганты» движутся в солнечной системе по эллиптическим орбитам, в полном соответствии с законами механики и теории гравитации. Эти же законы предсказывают, что орбиты комет являются устойчивыми, т.е. подобно планетам, ядра комет совершают свой круговорот на периферии солнечной системы в облаке Оорта. Но тогда почему же мы встречаем их во внутренних областях солнечной системы? Для ответа на этот вопрос нам потребуется сделать следующий шаг в понимании устройства солнечной системы и ее места в нашей Галактике.
www.ronl.ru
