Астраномия Прушинский Кирилл ПСО-2-20.rtf 2. Физическая природа тел солнечной системы Система Земля Луна
 Скачать 42.51 Kb.
|
|
:Физическая природа тел солнечной системы Система «Земля – Луна» Соседом Земли в космосе является Луна. Это единственный естественный спутник планеты. Луна очень большая по сравнению с родительской планетой, примерно в четверть её размера. Это подталкивает некоторых астрономов к тому, чтобы рассматривать систему Земля-Луна в качестве двойной планеты. Однако так как общий центр масс, вокруг которого вращаются оба тела, находится ниже поверхности Земли, система Земля-Луна официально обозначается как система планет-спутников. Согласно ведущим теориям, Луна появилась, когда маленькая планета размером с Марс столкнулась с Землей около 4,5 миллиардов лет назад. Железные ядра двух планет объединились, дав Земле металлическое ядро большее, чем у других планет земной группы. Большая часть земной коры и мантии этих двух планет была выброшена в космос, где образовала кольцо материи. Это кольцо материи в итоге сформировало Луну. Масса Луны составляет 1/81 массы Земли. Стоит сказать - положение Луны на орбите ϲᴏᴏᴛʙᴇᴛϲᴛʙует той или иной фазе Основные движения Земли Земля — это третья по удаленности от Солнца планета. Она движется со скоростью около 30 км/с вокруг Солнца по эллиптической орбите, мало отличающейся от окружности. Одно из доказательств обращения Земли вокруг Солнца — кажущееся (параллактическое) смещение ближайших к нам звезд. Впервые такие смещения удалось обнаружить лишь в 30-х гг. XIX в. Второе основное движение Земли — вращение вокруг оси, наклоненной к плоскости орбиты под углом 66˚34'. При движении Земли вокруг Солнца ось ее остается параллельной самой себе. Из курсов природоведения и естествознания вы знаете, что смена времен года на Земле как раз и является следствием указанных трех причин: обращения Земли вокруг Солнца, наклона земной оси к плоскости орбиты и сохранения направления оси в пространстве. Кроме того, Земля движется в пространстве вместе со всей Солнечной системой и участвует во многих других движениях. Форма Земли Окружность и диаметр Земли различаются, потому что ее форма представляет сплющенный сфероид или эллипсоид вместо истинной сферы. Полюса планеты немного сплющиваются, что приводит к выпуклости на экваторе и, следовательно, к большей окружности и диаметру. Экваториальная выпуклость Земли составляет 42,72 км и вызвана вращением и гравитацией планеты. Сама гравитация заставляет планеты и другие небесные тела сжиматься и формировать сферу. Это связано с тем, что она тянет всю массу объекта как можно ближе к центру тяжести. Поскольку планета вращается, то сфера искажается центробежной силой. Это сила, которая заставляет объекты перемещаться наружу от центра тяжести. Когда Земля вращается, наибольшая центробежная сила на экваторе, поэтому она вызывает небольшую наружную выпуклость, придавая этой области большую окружность и диаметр. Местная топография также играет роль в форме Земли, но в глобальном масштабе она незначительная. Наибольшее различия в местной топографии по всему миру - это гора Эверест, высочайшая точка над уровнем моря - 8 848 м и Марианская впадина, самая низкая точка ниже уровня моря - 10 994±40 м. Эта разница составляет всего лишь около 19 км, что очень незначительно в планетарных масштабах. Если рассматривать экваториальную выпуклость, то высшая точка мира и место, наиболее отдаленное от центра Земли - это вершина вулкана Чимборасо в Эквадоре, который является самым высоким пиком вблизи экватора. Его высота составляет 6 267 м. Луна - спутник Земли Луна — единственный естественный спутник планеты Земля. Это второй самый яркий объект в небосводе после Солнца. Так как Луна вращается по орбите кругом Земли с временем в один месяц, угол меж Землей, Луной и Солнцем меняется; мы видим этот эффект как цикл лунных фаз. Хотя Луна и вертится вокруг собственной оси, она всегда обращена к Земле одной и той же стороной. Дело в том, что она производит один кругооборот вокруг собственной оси за то же время (27,3 дней), что и один оборот вокруг Земли. А так как направленность обоих вращений совпадает, его противоположную сторону с Земли узреть нереально. При этом вращение Луны вокруг Земли по эллиптической орбите проистекает неравномерно, с Земли имеется возможность видеть 59% лунной поверхности. Первым космическим аппаратом, достигшим поверхности Луны, является «Луна-2». Он был запущен в СССР 12 сентября 1959 года. Впервые нога человека ступила на Луну 20 июля 1969 года. Это были американские астронавты «Аполлона-11». Еще до того, как стали проводиться космические исследования, астрономы уже заявляли о необычности Луны. Ее плотность меньше плотности любой планеты земной группы (Земли, Марса, Венеры, Меркурия) — всего лишь в 3,3 раза больше плотности воды. Даже этот факт является свидетельством необычных условий образования спутника. По пробам грунта с ее поверхности был установлен химический состав, а также возраст Луны (самые старые образцы – 4,1 млрд. лет), и это обстоятельство еще больше запутало представление землян о происхождении данного небесного тела. В настоящее время большинство ученых считают, что Луна сформировалась в результате столкновения крупного небесного тела с Землей. солнечные и лунные затмения В своём движении Луна очень часто заслоняет (или, как говорят астрономы, покрывает) звёзды зодиакальных созвездий. А иногда происходит покрытие Луной планет и Солнца. Покрытие Солнца Луной называется солнечным затмением. Происходит оно потому, что угловые размеры дисков Солнца и Луны для наблюдателя с Земли кажутся одинаковыми. Объясняется это тем, что диаметр Луны примерно в 400 раз меньше диаметра Солнца. Но в тоже время она в четыреста 400 раз ближе к Земле. Это приводит к тому, что Луна может полностью покрыть яркую поверхность Солнца, оставив при этом видимой лишь его атмосферу. Итак, что же происходит при затмениях? Все мы прекрасно знаем, что Земля вращается вокруг Солнца, а Луна — вокруг Земли. Это значит, что в определённые моменты, Солнце, Луна и Земля могут выстроиться на одной прямой. Если Луна окажется между Землёй и Солнцем, то она на время закрывает Солнце, отбрасывая тень на Землю. Но маленькая Луна не может полностью затенить Землю. Поэтому только жители той местности, куда у падёт тень от Луны, окажутся свидетелями полного солнечного затмения. В тех же областях, куда свет будет попадать частично, то есть это области полутени, жители будут видеть ту часть Солнца, от которой в данную область попадает свет — это частное солнечное затмение. Из-за того, что лунная орбита является эллиптической, может случиться и так, что Луна будет находиться на значительном удалении от Земли. В этом случае диск Луны окажется слишком маленьким, чтобы полностью закрыть собой Солнце. В этом случае наблюдатель в точке А сможет увидеть кольцеобразное солнечное затмение. А наблюдатели В и С, как и в прошлый раз, будут наблюдать частное солнечное затмение. Как правило, тень от Луны на поверхности нашей планеты не превышает в диаметре 270 километров. Поэтому солнечное затмение может наблюдаться лишь в узкой полосе на пути тени. Путь луной тени по земной поверхности называется полосой полного солнечного затмения. Ежегодно на нашей планете можно наблюдать от 2 до 5 солнечных затмений. Однако в одном и том же месте Земли полное солнечное затмение, как правило, наблюдается очень редко — примерно раз в 200—300 лет. Так, например, в окрестностях Москвы последний раз полное солнечное затмение наблюдалось 19 августа 1887 года. В следующий раз это произойдёт лишь 16 сентября 2126 года. Но бывают и исключения. Например, в районе города Бийска (Алтайский край), в период с 1981 года по 2008 наблюдалось целых три полных солнечных затмения: 31 июля 1981 года, 29 марта 2006 года и 1 августа 2008 года. Продолжительность затмения обычно не превышает 7 мин 31 с. А самое длительное кольцеобразное солнечное затмение произошло 15 января 2010 года в тропической Африке и Юго-Восточной Азии. Длилось оно более 11 минут. Из-за малой длительности солнечных затмений астрономы тщательно готовятся их к наблюдениям, чтобы в течение этого малого промежутка времени успеть изучить внешние разреженные оболочки Солнца, что в обычных условиях крайне затруднено. Так, например, во время полного солнечного затмения в Индии 18 августа 1868 года французский учёный Пьер Жансен впервые исследовал хромосферу Солнца и получил спектр нового химического элемента, который назвали в честь Солнца — гелием. А 17 мая 1882 года во время солнечного затмения наблюдателями из Египта была замечена комета, пролетающая вблизи Солнца. Она получила название Кометы затмения. Иногда, в моменты полнолуний, когда земная тень направлена в сторону, противоположную Солнцу, может случиться и так, что Луна полностью или частично попадёт в тень Земли — происходит Лунное затмение. При частичном погружении Луны в земную тень лунное затмение называется частным теневым, а при полном погружении — полным теневым затмением. При полном лунном затмении мы, чаще всего, можем наблюдать Луну бурого или красно-тёмного цвета. Объясняется это тем, что солнечный свет, преломляясь в атмосфере Земли, освещает Луну преимущественно красными лучами, которые в меньшей степени подвержены рассеиванию и ослаблению земной атмосферы. Вокруг конуса тени Земли, как и в случае с Луной, имеется полутень. Если Луна, при своём движении, будет проходить эту область, то на Земле можно будет наблюдать полутеневое затмение. Его особенность в том, что яркость освещения лунного диска меняется совсем незначительно. Поэтому невооружённый человеческий глаз его практически не замечает. Лишь когда Луна в полутеневом затмении проходит вблизи конуса полной тени, при ясном небе можно заметить незначительное потемнение с одного края лунного диска. Как правило, ежегодно на нашей планете можно наблюдать 1—2 лунных затмения. Однако бывают годы, когда лунные затмения не наблюдаются вовсе. А максимальное число лунных затмений за год — 4. Например, это произойдёт в 2020 и 2038 годах. Лунные затмения видны со всего ночного полушария Земли, где в это время Луна находится над горизонтом. Поэтому в каждой данной местности они наблюдаются чаще солнечных затмений, хотя происходят в среднем в полтора раза реже. Максимальная продолжительность лунного затмения достигает 1 ч 47 мин. Ещё в VI веке до нашей эры вавилонскими астрономами было замечено, что примерно каждые 18 лет 11 суток и 8 часов (то есть каждые 223 синодических месяца) все затмения Луны и Солнца приблизительно повторяются в прежнем порядке. Этот период между затмениями назвали саросом. Во время сароса в среднем происходит 70—71 затмение. Из них примерно 42—43 — солнечных (14 полных, 13—14 кольцеобразных и 15 частных) и 28 лунных. Однако возникает вопрос: почему солнечные и лунные затмения происходят не каждый месяц? Ведь, казалось бы, затмения должны происходит при каждом обороте Луны во время её новолуния и полнолуния. Но такого не происходит. Вспомните, что видимая орбита Луны на небесной сфере — это большой круг, который наклонён к плоскости эклиптики всего на 05о 09’. Но этого хватает для того, чтобы во время новолуния или полнолуния Луна оказалась далеко от плоскости эклиптики. А это приводит к тому, что во время новолуния тень от Луны пройдёт выше Земли. А во время полнолуния сама Луна может пройти ниже земной тени. Поэтому затмения смогут наступить лишь тогда, когда Луна находится вблизи точек пересечения лунной орбиты с эклиптикой (вблизи узлов). Конечно можно. Происходит это тогда, когда Солнце Земля и Луна выстраиваются на одной прямой, и при этом наша планета располагается между Луной и Солнцем. Проще говоря, солнечные затмения на Луне происходят так же часто, как на Земле лунные. При этом продолжительность полной фазы солнечного затмения, видимого с Луны, при центральном затмении может достигать почти трёх часов. Полное солнечное затмение на Луне можно наблюдать на всей её дневной стороне, в отличие от Земли. Природа Лун Физические условия на Луне Физические условия на Луне: Нет атмосферы (может и была) т.к. масса Луны в 81,3 раз меньше земной и вторая космическая скорость для Луны 2,38км/с Небо черное, видны хорошо звезды, планеты. Нет магнитного поля поэтому ориентация по звездам. Диск Земли с Луны в 3,5 раза > диска Солнца. Продолжительность суток около месяца (29,5 дня) – две недели день, две недели ночь. Резкий перепад температур в 300К (+116oС днем до -173oС ночью) из-за отсутствия атмосферы. На глубине десятков см Т = const., грунт (реголит, достигающий в некоторых местах толщины 10-12м) имеет плохую теплопроводность. Луна повернута к нам одной стороной (с небольшими колебаниями) – оборот вокруг оси и вокруг Земли за 27,3 сут. Поверхность Луны С Земли мы видим невооруженным глазом объекты диаметром в 100км, а в телескоп - 1км. Более темные без воды на видимой стороне 30% поверхности. Это сравнительно ровная поверхность - впадины до 3 км, покрыты лавой (когда-то извержения вулканов). Море: Дождей, Кризиса, Холода, Влажности, океан Бурь и т.д. Возраст морей больше 3 млрд. лет. Более светлые - яркие приподнятые области, заполненные множеством больших и маленьких круглых кратеров. Поверхность «материков», являющаяся более старой, гориста, ее уровень выше, чем у «морей», и разность средних высот достигает 2,3 км. Трещины и крутые каньоны шириной 1–2 км часто тянутся на сотни километров почти по прямой. Их глубина составляет от одной до нескольких сотен метров; более тысячи из них внесены в каталоги. Эти разрывные трещины в лавовой коре часто параллельны краям морей. Некоторые из них напоминают меандры русел земных рек, занимают на видимой стороне порядка 70% поверхности. Характерная особенность лунного рельефа – кольцевые структуры. Самых разных размеров, на видимой стороне более 1700 размером более 3,5км. В центре - горка у большинства крупных кратеров и они окружены возвышенностью в 2-3км с пологими склонами. Название кратеров - это в большинстве фамилии ученых: Аристарх, Тихо, Коперник, Кеплер и т.д. Часть первых крупных названо на Луне дали в 1647г Ян Гавелий, Дж. Риччоле и Ф. Гримальди, которые предложили и систему названий, сохранившуюся позже. Образование кратеров: Падение метеоритов. Удар – взрыв, разлетаются осколки, образуя более мелкие кратеры и лучевые системы-цепочки кратеров тянущихся на сотни км. Извержение вулканов-крупные кратеры. Лучший период наблюдений кратеров - граница освещенной и не освещенной части (терминатор). Горы - горные хребты, возраст порядка 4млрд. Максимальная высота 9км. Альпы, Карпаты, Кордильеры, Алтай, Кавказ и т.д. Последние два млрд. лет рельеф практически не меняется т.к.: 1. Закончилась вулканическая деятельность. 2. Значительно уменьшилась интенсивность падения метеоритов. 2.3 Лунные породы В ходе экспедиций на Луну доставлено на Землю 400кг лунного грунта. Изучены его механические свойства, химический состав, путем радиоактивного распада возраст. Никаких микроорганизмов не обнаружено. Породы стали твердыми 4 млрд. 527 млн. лет назад. Образцы похожи на земные изверженные базальты и содержат те же химические элементы: кремний, алюминий, железо и т.д., но в лунных породах больше тугоплавких: Ti, Zr, Cr, т.д. и меньше легкоплавких: Pb, K, Na, и т. д. Есть немного пыли темно-серого цвета, напоминает цемент. В разных местах на поверхности Луны химический состав не одинаков. Реголит содержит осколки магматических пород, шлакообразные частицы – многие как бы обработаны песком. Это результат воздействия ударов мелких микрометеоров и потока частиц, исходящих от Солнца. 3 Планеты земной группы Планеты земной группы - это небесные тела, состоящие преимущественно из силикатных пород и металлов и обладающие твердой поверхностью. Это отличает их от газовых гигантов, которые состоят преимущественно из газов вроде водорода и гелия, воды и тяжелых элементов в разных состояниях. Планеты земной группы схожи по строению и составу с планетой Земля. 3.1 общая характеристика атмосферы При изучении планет земной группы были обнаружено, что планеты данной группы имеют разного рода различия в области атмосферы. В отличие от Меркурия, который, как и Луна, практический лишен атмосферы, Венера и Марс обладают ею. Современные данные об атмосферах Венеры и Марса получены в результате полетов наших (“Венера”,”Марс”) и американских (“Пионер-Венера”,”Маринер”,”Викинг”) АМС. Сравнивая атмосферы Венеры и Марса с земной, мы видим, что, в отличие от азотно-кислородной земной атмосферы, Венера и Марс имеют атмосферы, в основном состоящие из углекислого газа. Давление у поверхности Венеры более чем в 90 раз больше, а у Марса почти в 150 раз меньше, чем у поверхности Земли. Температура у поверхности Венеры очень высокая, около 500.°С, и остается почти одинаковый. Связанно это с тем, что по показаниям наблюдений, отражательная способность Венеры больше, чем у Земли, а потому Солнце примерно одинаково нагревает обе планеты. Высокая температура поверхности Венеры обусловлена парниковым эффектом. Он заключается в следующем: атмосфера Венеры пропускает лучи Солнца, которые нагревают поверхность. Нагретая поверхность становится источником инфракрасного излучения, которое не может покинуть планету, так как его задерживают содержащиеся в атмосфере Венеры углекислый газ и водяной пар, а также облачный покров планеты. В результате этого равновесие между притоком энергии и ее расходом в мирное пространство устанавливается при более высокой температуре, чем та, которая была бы у планеты, свободно пропускающей инфракрасное излучение. Мы привыкли к земным облакам, состоящим из мелких капель воды или ледяных кристалликов. Состав облаков Венеры иной: они содержат капельки серной и, возможно, соляной кислоты. Облачный слой сильно ослабляет солнечный свет, но, как показали измерения, выполненные на АМС “Венера-11” и “Венера-12”, освещенность у поверхности Венеры примерно такая же, как у поверхности Земли в облачный день. Исследования, выполненные в 1982 г. АМС “Венера - 13” и “Венера-14”, показали, что небо Венеры и ее ландшафт имеют оранжевый цвет. Объясняется это особенностью рассеивания света в атмосфере этой планеты. Газ в атмосферах планет земной группы находится в непрерывном движении. Нередко во время пылевых бурь, которые длятся на несколько месяцев, огромное количество пыли поднимается в атмосферу Марса. Ураганные ветры зафиксированы в атмосфере Венеры на высотах, где расположен облачный слой (от 50 до 70 км над поверхностью планеты), но вблизи поверхности этой планеты скорость ветра достигает всего лишь несколько метров в секунду. Таким образом, несмотря на некоторое сходство, в целом атмосферы ближайших к Земле планет резко отличаются от атмосферы Земли. Это пример открытия, которое невозможно было предсказать. Здравый смысл подсказывал, что планеты со сходными физическими характеристиками (например, Землю и Венеру иногда называют “планетами-близнецами”) и примерно одинаково удаленные от Солнца должны иметь очень похожие атмосферы. На самом деле причина наблюдаемого различия связана с особенностями эволюции атмосфер каждой из планет земной группы. Исследование атмосфер плане земной группы не только позволяет лучше понять свойства и историю происхождения земной атмосферы, но и имеет значение для решения экологической проблемы. Например, туманы – смоги, образующиеся в земной атмосфере в результате загрязнения воздуха, по своему составу очень напоминают венерианские облака. Эти облака, как и пылевые бури на Марсе, напоминают нам о том, что необходимо ограничивать выброс пыли и разного рода промышленных отходов в атмосферу нашей планеты, если мы хотим на длительное время сохранить на Земле условия, пригодные для существования и развития жизни. Пылевые бури, во время которых на протяжении нескольких месяцев в атмосфере Марса удерживаются и распространяются над громадными территориями тучи пыли, заставляют задуматься над некоторыми возможными экологическими последствиями ядерной войны. 3.2 Общая характеристика поверхности Планеты земной группы, подобно Земле и Луне, имеют твердые поверхности. Наземные оптические наблюдения позволяют получить о них немного сведений, так как Меркурий трудно рассмотреть в телескоп даже во время элонгаций, поверхность Венеры скрыта от нас облаками. На Марсе даже во время великих противостояний (когда расстояние между Землей и Марсом минимальное – около 55 млн. км), происходящих один раз в 15 – 17 лет, в крупные телескопы удается рассмотреть детали размерами около 300 км. И все-таки в последние десятилетия удалось много узнать о поверхности Меркурия и Марса, а также получить представление о еще недавно совершенно загадочной поверхности Венеры. Это стало возможным благодаря успешным полетам автоматических межпланетных станций типа “Венера”, “Марс”, “Викинг”, “Маринер”, “Магеллан”, пролетавших вблизи планет или совершивших посадки на поверхность Венеры и Марса, и благодаря наземным радиолокационным наблюдениям. Поверхность Меркурия, которая имеет большое количество кратеров, очень напоминает лунную. “Морей” там меньше, чем на Луне, причем они небольшие. Диаметр меркурианского Моря Зноя 1300 км, как и Моря Дождей на Луне. На десятки и сотни километров тянутся крутые уступы, вероятно, порожденные былой тектонической активностью Меркурия, когда смещались и надвигались поверхностные слои планеты. Как и на Луне, большинство кратеров образовались в результате падений метеоритов. Там, где кратеров немного, мы видим сравнительно молодые участки поверхности. Старые, разрушенные кратеры заметно отличаются от более молодых кратеров, хорошо сохранившихся. Каменистая пустыня и множество отдельных камней видны на первых фототелевизионных панорамах, переданных с поверхности Венеры автоматическими станциями серии “Венера”. Радиолокационные наземные наблюдения обнаружили на этой планете множество неглубоких кратеров, диаметры которых от 30 до 700 км. В целом эта планета оказалась наиболее гладкой из всех планет земной группы, хотя и на ней есть большие горные массивы и протяжные возвышенности, вдвое превышающие по размерам земной Тибет. Грандиозен потухший вулкан Максвелл, его высота 12 км (в полтора раза больше Джомолунгмы), поперечник подошвы 1000 км, диаметр кратера на вершине 100 км. Очень велики, но меньше, чем Максвелл, вулканические конусы Гаусс и Герц. Подобно рифтовым ущельям, тянущимся по дну земных океанов, на Венере также обнаружены рифтовые зоны, свидетельствующие о том, что и на этой планете когда-то происходили (а может быть, происходят и сейчас!) активные процессы (например, вулканическая деятельность). В 1983 – 1984 гг. со станций “Венера - 15” и “Венера - 16” проводились радиолокационные исследования, позволившие создать карту и атлас поверхности планеты (размеры деталей поверхности 1 – 2 км). Новый шаг в исследовании поверхности Венеры связан с применением более совершенной радиолокационной системы, установленной на борту американской АМС “Магеллан”. Этот космический аппарат достиг окрестности Венеры в августе 1990 г. и вышел на вытянутую эллиптическую орбиту. Регулярная съемка проводится с сентября 1990 г. На Землю передаются отчетливые изображения, на некоторых из них хорошо различимы детали размером до 120 м. К маю 1993 г. съемкой было охвачено почти 98% поверхности планеты. Планируется завершить эксперимент, включающий не только фотографирование Венеры, но и проведение других исследований (гравитационного поля, атмосферы и др.) в 1995 г. Поверхность МарсаИзобилует кратерами и поверхность Марса. Особенно много их в южном полушарии планеты. Темные области, занимающие значительную часть поверхности планеты, получили название морей (Эллада, Аргир и др.). Диаметры некоторых морей превышает 2000 км. Возвышенности, напоминающие земные континенты, представляющие собой светлые поля оранжево-красного цвета, названы материками (Фарсида, Элисиум). Как и на Венере, здесь есть огромные вулканические конусы. Высота наибольшего из них (Олимпа) превышает 25 км, диаметр кратера 90 км. Диаметр основания этой гигантской конусообразной горы более 500 км. О том, что миллионы лет назад на Марсе происходили мощные вулканические извержения и смещались поверхностные пласты, свидетельствуют остатки лавовых потоков, огромные разломы поверхности (один из них – Маринер – тянется на 4000 км), многочисленные ущелья и каньоны. Возможно, что именно некоторые из этих образований (например, цепочки кратеров или протяженные ущелья) исследователи Марса еще 100 лет назад приняли за “каналы”, существование которых впоследствии долгое время пытались объяснить деятельностью разумных обитателей Марса. Перестал быть загадкой и красный цвет Марса. Он объясняется тем, что грунт этой планеты содержит много глин, богатых железом. С близкого расстояния неоднократно фотографировались спутники Марса и передавались панорамы поверхности “Красной планеты”. Мы знаем, что почти 2/3 поверхности Земли занимают океаны. На поверхности Венеры и Меркурия воды нет. Открытые водоемы отсутствуют и на поверхности Марса. Но, как предполагают ученые, вода на Марсе должна быть, по крайней мере, в виде слоя льда, образующего полярные шапки, или как обширный слой вечной мерзлоты. Возможно, вы станете свидетелями открытия на Марсе запасов льда или даже находящейся подо льдом воды. О том, что вода когда-то была и на поверхности Марса, свидетельствуют обнаруженные там высохшие русло подобные извилистые ложбины. 4 Планеты-гиганты 4.1 Общая характеристика В группу планет гигантов вошли Сатурн, Юпитер, Нептун и Уран. Все перечисленные планеты (в особенности Юпитер) имеют огромные массы и размеры. К примеру, Юпитер по объему превзошел Землю почти в полторы тысячи раз, а по массе – более чем в триста раз. Планета-гигант довольно-таки быстро вращается вокруг своей оси; менее десяти часов потребуется большущему Юпитеру, чтобы совершить 1 оборот. При этом экваториальная зона планеты-гиганта вращается быстрее, чем полярная, то есть именно там, где максимальна линейная скорость точки в ее движении вокруг оси, максимальна и угловая скорость. Итог быстрого вращения – это огромное сжатие планеты-гиганта (заметное при визуальном наблюдении). Разность полярного и экваториального радиусов Земли составила двадцать один километр, а у Юпитера она равняется четырем тысячам четыремстам километров. Планета-гигант находится далеко от Солнца, и в независимости от характера смены времени года на ней всегда господствует низкая температура. На Юпитере нет смены времени года вообще, потому, что ось этой планеты практически перпендикулярна плоскости ее орбиты. Оригинально совершается смена времени года и на планете Уран, поскольку ось данной планеты наклонена к плоскостям орбит под углом восемь градусов. Планета-гигант отличается большим числом спутников; у Юпитера к середине две тысячи первого года обнаружено их уже двадцать восемь, Сатурна - тридцать, Урана – двадцать один и только у Нептуна - восемь. Превосходная особенность планеты-гиганта - кольцо, которое открыто не только у Сатурна, но и у Урана, Нептуна и Юпитера. Важной особенностью построения планеты-гиганта заключается в том, что такая планета не имеет твердой поверхности. Это представление прекрасно согласуется с маленькими средними частотами планет-гигантов. Соответственно, все, что, получается, рассмотреть на Сатурне и Юпитере, случается в протяженных атмосферах этой планеты. На Юпитере в небольшие телескопы заметны даже полосы, которые вытянуты вдоль экватора. В верхнем слое водородно-гелиевой атмосферы Юпитера в виде примеси можно встретить химические соединения (к примеру, аммиак и метан), углеводороды (ацетилен, этан) и разные соединения, содержащие серу и фосфор, способные окрасить детали атмосферы в красно-коричневый и желтый цвета. Так, по химическому составу планета-гигант резко отличается от планеты земной группы. 4.2 Особенности строения В ряд особенностей планет-гигантов можно отнести: эти планеты не имеют твердых поверхностей; существование значительных магнитных полей этих планет; наличие радиационных поясов; несмотря на то, что, на поверхности преобладают низкие температуры, внутри планет температура довольно высокая. 4.3 Спутники Система спутников Юпитера напоминает Солнечную систему в миниатюре. Четыре спутника, открытые Галилеем, называют галилеевыми спутниками. Это Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Самый большой из них - Ганимед - превосходит по размерам Меркурий (но вдвое уступает этой планете по массе). Пролетая вблизи спутников Юпитера (а потом Сатурна), американские автоматические межпланетные станции "Пионер" и "Вояджер" передали на Землю фотографии с изображением их поверхностей, которые напоминают поверхности Луны и планет земной группы. Особенно похож на Луну Ганимед. Кроме кратеров, на Ганимеде много длинных хребтов и полос, образующих своеобразные ветвящиеся пучки. Уникальна поверхность Ио, на которой открыты действующие вулканы, и она буквально вся залита продуктами их извержения. Очень много кратеров на Каллисто. На фотографиях этого спутника видна многокольцевая структура ("Бычий глаз") диаметром 600 км с системой концентрических колец (до 2600 км в диаметре), вероятно, порожденная ударом метеорита. Поверхность Европы, испещрена тянущимися на несколько тысяч километров темными и светлыми трещинами (шириной 20-40 км). Самый близкий к Юпитеру спутник Амальтея, а также все далекие спутники, находящиеся за пределами орбит галилеевых спутников, имеют неправильную форму и этим напоминают малые планеты Солнечной системы (астероиды). Сфотографированы с близкого расстояния и некоторые спутники Сатурна. На поверхности этих небесных тел тоже обнаружено много кратеров. Некоторые из них очень велики (диаметр кратера на спутнике Тефия около 400 км, а на спутнике Мимас около 130 км). Из спутников Сатурна особый интерес представляет Титан, который обладает атмосферой. Она почти целиком состоит из азота, причем плотность и давление атмосферы у поверхности Титана превосходят соответствующие параметры атмосферы Земли. Масса Титана почти в 2 раза, а радиус (около 2580 км) в 1,5 раза больше соответственно массы и радиуса Луны. Следовательно, Титан, как и Ганимед, радиус которого около 2640 км, - очень крупный спутник. Один из интереснейших спутников Урана - Миранда. Замечателен и Тритон - самый большой спутник Нептуна. Диаметр Тритона 2705 км. На Тритоне имеется и атмосфера, в основном состоящая из азота. Как и многие другие спутники планет-гигантов, Тритон - силикатно-ледяное небесное тело. На нем обнаружены кратеры, полярные шапки (из замерзшего азота и, возможно, водного льда) и даже газовые гейзеры. Кольца Нам было известно, что «окольцованная планета» − это Сатурн. Но при внимательном наблюдении выясняется, что кольца есть у всех планет-гигантов. С Земли их заметить сложно. Например, кольцо Юпитера мы не видим в телескоп, но замечаем его в контровом освещении, когда космический зонд смотрит на планету с ее ночной стороны. Это кольцо состоит из темных и очень мелких частиц, размер которых сравним с длинной волны света. Они практически не отражают свет, но хорошо рассеивают его вперед. Уран и Нептун так же имеют тонкие кольца. Астероиды и метеориты 5.1 закономерность в расстояниях планет от Солнца и пояс астероидов. Еще в XVIII в. астрономы пытались найти планету, орбита которой проходит в пространстве между орбитами Марса и Юпитера. Уже в то время было известно соотношение, позволяющее приближенно вычислить в астрономических единицах расстояния планет от Солнца. Это соотношение (правило Тициуса — Боде) может быть записано в виде: (5.1) где r — среднее расстояние планеты от Солнца. Для вычислений по формуле (5.1) нужно принять среднее расстояние Меркурия от Солнца равным 0,4 а. е., а расстояния других планет получаются, если подставить в формулу различные значения n, то 0 — для Венеры, 1 — для Земли, 2 — для Марса, 3 — для предполагаемой планеты, 4 — для Юпитера и т. д. Вы сами можете убедиться, что для всех планет, включая Уран, формула (5.1) дает удовлетворительные значения, а для Нептуна и Плутона она непригодна. Но в XVIII в. планет, более далеких от Солнца, чем Уран, еще не знали и формулу считали точной. Поэтому естественно было, руководствуясь формулой (5.1), искать планету, для которой п = 3 и r = 2,8 а. е. Такой планеты в Солнечной системе не существует. Однако в самом начале XIX в. итальянский астроном Пиацци (1746—1826) случайно открыл первую малую планету (астероид). Она была названа Церерой. В дальнейшем было открыто много других малых планет, образующих Главный пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Церера (диаметр около1000 км) — наибольшая из них. 5.2 Движение астероидов На фотографиях звездного неба, снятых с большими экспозициями, астероиды получаются в виде светлых черточек. Зарегистрированы тысячи малых планет. Общее число астероидов должно быть в десятки раз больше. Астероиды, орбиты которых установлены, получают обозначения (порядковые номера) и названия. Некоторые новые астероиды названы в честь великих людей (1379 Ломоносова), государств (1541 Эстония, 1554 Югославия), обсерваторий (1373 Цинциннати — американская обсерватория, являющаяся Международным центром наблюдения астероидов) и т. д. Астероиды движутся вокруг Солнца в ту же сторону, что и большие планеты. Их орбиты имеют большие эксцентриситеты (в среднем 0,15), чем орбиты больших планет. Некоторые из них в афелии удаляются за орбиту Сатурна, другие в перигелии приближаются к Марсу и Земле. Например, Гермес в октябре1937 г. прошел от Земли на расстоянии580 000 км (всего лишь в полтора раза дальше Луны), а астероид Икар попадает даже внутрь орбиты Меркурия и каждые 19 лет сближается с Землей. В последний раз это произошло в июне1987 г. Разумеется, это не единственный случай. Не исключено, например, что столкновение крупного астероида с Землей привело 65 млн. лет назад к гибели динозавров. А в марте1989 г. астероид размером около300 м прошел от Земли на расстоянии менее 650 тыс. км. Поэтому не случайно ученые приступили к разработке эффективных методов своевременного обнаружения, а если понадобится, уничтожения опасных астероидов. В конце XX в. открыт еще один пояс астероидов (пояс Койпера) за орбитами Нептуна и даже Плутона. Там уже обнаружены астероиды больше Цереры и Харона. 5.3 Физические характеристики астероидов Астероиды недоступны для наблюдения невооруженным глазом. Самый большой астероид — Церера (диаметр1000 км). Вообще же астероиды имеют диаметры от нескольких километров до нескольких десятков километров, причем большинство астероидов — бесформенные глыбы. Массы астероидов хоть и различны, но слишком малы, чтобы эти небесные тела могли удержать атмосферу. Общая масса всех астероидов, собранных вместе, примерно в 20 раз меньше массы Луны. Из всех астероидов получилась бы одна планета диаметром меньше1500 км. В последние годы удалось открыть спутники у некоторых астероидов. Впервые сфотографировали астероид с расстояния всего лишь 16 тыс. км 29 октября1991 г. с борта американского космического корабля «Галилео», запущенного 18 октября1982 г. для исследования Юпитера. Пересекая пояс астероидов, «Галилео» сфотографировал малую планету 951 — астероид Гаспра. Это типичный астероид. Большая полуось его орбиты 2,21 а. е. Он оказался неправильной формы и, возможно, образовался в результате столкновения более крупных тел в поясе астероидов. На фотографиях видны кратеры (их диаметр 1—2 км, освещенная часть астероида 16x12 км). На снимках удается различить детали поверхности астероида Гаспра размером 60—100 м. Спустя 10 лет (в феврале2001 г.) космический аппарат впервые совершил мягкую посадку на поверхность астероида Эрос. Метеориты Под действием притяжения планет орбиты астероидов изменяются и могут пересекаться друг с другом. В результате возможны столкновения астероидов и их дробление. Большинство выпавших на поверхность Земли каменных и железных метеоритов — обломки астероидов. При движении таких обломков в земной атмосфере возникает мощная ударная волна, в которой температура сжатого воздуха достигает десятков и сотен тысяч кельвинов. В результате диссоциации молекул воздуха и последующей многократной ионизации воздух приобретает свойства плазмы. Как вы уже знаете, крупные метеориты на месте падения образуют кратеры. Кратеры обнаружены на всех планетах земной группы и на многих спутниках планет. Один из самых больших метеоритных кратеров на Земле находится в штате Аризона (США). Диаметр этого кругового кратера свыше1200 м, а масса образовавшего его метеорита оценивается примерно в 200 000 т. Сейчас известны десятки больших метеоритных кратеров. Для их поисков в настоящее время применяют аэрофотосъемку. 30 июня1908 г. в тайге Центральной Сибири произошло явление, известное как падение Тунгусского метеорита. Взрыв, которым завершился полет космического тела, повалил лес на площади более 2000 кв. км, а также вызвал лесной пожар, многочисленные оптические, акустические и сейсмические явления. Взрывная волна обогнула земной шар. На громадной территории до 3 — 4 июля наблюдались исключительно светлые ночи, во время которых можно было читать мелкий шрифт. Однако ни сам метеорит, ни кратер от его падения обнаружить не удалось. 12 февраля1947 г. в виде множества железных осколков (метеоритный дождь) упал Сихотэ-Алинский метеорит. Удалось собрать несколько десятков тонн метеоритного вещества (рис. 61). После этого в нашей и других странах находили крупные метеориты. Прежде чем попасть в Землю, метеориты долгое время путешествуют в межпланетном пространстве. Исследование вещества метеоритов и определение его возраста имеют важное значение для определения возраста планет и изучения условий, которые существовали в самый ранний период истории Солнечной системы. Поэтому метеориты представляют большую ценность для науки. Особенно интересны метеориты с Марса и Луны, десятки которых найдены в последние годы во льдах Антарктиды и песках африканских пустынь. Ушло в прошлое то время, когда «небесным камням» поклонялись как «дарам неба», когда наука категорически отказывалась признать (до начала XIX в.), что камни могут «падать с неба». 6 Кометы и метеоры Открытие комет, вид, строение Кроме больших и малых планет, вокруг Солнца движутся кометы. Яркие кометы (хвостатые звезды) своим необычным видом издавна привлекали внимание людей, внушая многим из них суеверный ужас. От других тел Солнечной системы кометы резко отличаются не только своим видом, но и формой орбит, большими размерами, а также сравнительно быстрым, иногда бурным развитием. Вид комет меняется по мере приближения к Солнцу. Вдали от Солнца комета видна как слабое туманное пятнышко, которое перемещается на фоне звездного неба. Постепенно у кометы развивается хвост, почти всегда направленный от Солнца. Ежегодно обнаруживают в среднем 6—8 комет. Некоторые из них — это периодические кометы, которые в очередной раз возвратились к Солнцу. Только самые яркие кометы можно наблюдать невооруженным глазом. Часто кометы открывают любители астрономии, регулярно обозревающие звездное небо в небольшие телескопы. Основные части кометы: голова, ядро (центральное сгущение) и хвост. Ядра комет по размерам близки небольшим астероидам. Диаметр головы кометы иногда достигает сотен тысяч километров, а хвосты простираются на десятки и сотни миллионов километров. После прохождения перигелия комета начинает постепенно «угасать» и перестает быть видимой даже в самые большие телескопы. Орбиты комет Чтобы рассчитать по формулам небесной механики орбиту кометы, достаточно определить из наблюдений ее экваториальные координаты, по крайней мере для трех моментов времени. Первоначально вычисленную орбиту, по которой комета приближается к Солнцу, в дальнейшем уточняют на основе новых наблюдений, так как притяжение планет изменяет орбиту. В настоящее время для вычисления орбит комет применяют быстродействующие ЭВМ. Орбиты большинства комет — сильно вытянутые эллипсы, плоскости которых под разными углами наклонены к плоскости эклиптики. Двигаясь по таким орбитам, кометы в перигелии близко подходят к Солнцу (и к Земле), а в афелии удаляются от него на сотни тысяч астрономических единиц, уходя далеко за пределы орбиты Плутона — последней из известных пока планет. Кометы, эксцентриситеты орбит которых не очень велики, имеют сравнительно небольшие периоды обращения вокруг Солнца. Самый короткий период — у кометы Энке (3,3 года), наблюдающейся уже на протяжении полутора веков. Неоднократно приближалась к Солнцу и комета Галлея, период обращения которой около 76 лет. Последнее прохождение этой кометы через перигелий (на расстоянии менее 0,6 а. е. от Солнца) было 9 февраля1986 г. Комету Галлея удалось хорошо исследовать не только с Земли, но и с помощью нескольких специально запущенных космических аппаратов. На снимках, переданных с борта АМС «Вега-1», хорошо видно ядро кометы . Оно имеет неправильную форму (с размерами осей 14 и 7 км). От шарообразных небесных тел отличаются и другие малые тела Солнечной системы (некоторые спутники планет-гигантов, небольшие астероиды). Природа комет Массу кометы можно оценить, наблюдая за возмущениями, которые появляются в ее движении при сближении с планетами. Например, при сближении кометы с Юпитером период ее обращения может резко измениться, а период обращения Юпитера практически остается прежним. Значит, масса кометы во много раз меньше массы Юпитера. Сближения комет с Землей позволили уточнить верхний предел массы комет (10-4 массы Земли). Вещество кометы сосредоточено в основном в ее ядре, которое, по-видимому, состоит из смеси замерзших газов (среди которых есть аммиак, метан, углекислый газ, азот, циан и др.) и пылинок, металлических и каменных частиц разных размеров. Основные сведения о химическом составе ядер получены из анализа спектров газов, окружающих ядра комет, а также при сближении космических аппаратов с кометами. Когда комета приближается к Солнцу, ядро постепенно прогревается, из него выделяются газы и пыль, которые окутывают ядро и образуют голову и хвост кометы. Хвост кометы состоит из очень разреженного вещества, сквозь которое даже просвечивают звезды. Ядро кометы и пыль, входящая в состав головы и хвоста, светят отраженным и рассеянным солнечным светом. Холодное свечение газа (флуоресценция) происходит под воздействием солнечного излучения. При сближении космических аппаратов с ядром кометы Галлея удалось определить по инфракрасному излучению его температуру (100 °С). Ученые сравнивают ядро этой кометы с «мартовским сугробом» (лед с примесью тугоплавких частиц). Ежесуточно из ядра кометы Галлея выбрасывается много пыли, водяного пара, диоксида углерода, атомарного водорода и кислорода. Поверхностный слой обновляется примерно за сутки. Чем ближе комета подходит к Солнцу, тем больше прогревается ее ядро, а следовательно, возрастает выделение газов и пыли, но одновременно усиливается и световое давление на нее. Поэтому хвост кометы увеличивается и становится все более заметным. Кроме давления света, на хвосты комет действуют потоки заряженных частиц, испускаемых Солнцем (солнечный ветер). Магнитные поля этих потоков могут сообщать большие ускорения ионам, входящим в состав кометных хвостов и возникающим в них под действием солнечного излучения. От соотношения сил тяготения (притяжение к Солнцу) и отталкивания зависит траектория движения частиц, а значит, и форма кометных хвостов. У массивных частиц силы притяжения преобладают над силами отталкивания. Если силы отталкивания в сотни раз больше сил притяжения, то хвост будет почти точно направлен от Солнца (I тип, по классификации выдающегося русского астрофизика Ф. А. Бредихина, 1831—1904). Небольшая изогнутость кометного хвоста указывает на то, что силы отталкивания лишь в десятки раз превосходят силы притяжения (II тип). Очень изогнутые хвосты (III тип) образуются, когда силы отталкивания примерно равны силам притяжения. Когда силы притяжения больше сил отталкивания (очень крупные пылевые частицы), появляются аномальные хвосты, направленные к Солнцу. В настоящее время кометы играют роль своеобразных «зондов» межпланетного пространства, они позволяют получить ценные сведения о свойствах космического пространства на различных расстояниях от Солнца. Метеоры и болиды «Падающие звезды», или метеоры, часто привлекают наше внимание в ясные безлунные ночи. Природа метеоров веками оставалась неразгаданной, хотя уже давно было ясно, что метеоры ничего общего со звездами не имеют. Если из двух пунктов, разделенных десятками километров, одновременно сфотографировать метеор или при визуальных наблюдениях нанести его путь на звездную карту, то окажется, что вследствие параллактического смещения наблюдатели зафиксируют метеор на фоне разных звезд. Зная параллактическое смещение и расстояние между пунктами наблюдения, легко найти высоту метеора. Установив перед фотоаппаратом равномерно вращающийся сектор, периодически закрывающий объектив, получают на фотографии прерывистый след, по которому можно определить скорость движущегося тела. Метеор — это явление вспышки небольшого (размером с горошину) космического тела, называемого метеорным телом, вторгшегося со скоростью от 11 до 73 км/с в земную атмосферу. Высота возгорания (от 120 до80 км) зависит от массы и скорости метеорного тела. Чем больше масса и скорость метеорного тела, тем ярче метеор. Вторжение массивных метеорных тел вызывает очень яркие метеоры (болиды), нередко имеющие вид огненных шаров со светящимися хвостами. Некоторые болиды можно видеть даже днем. Что же происходит при движении метеорного тела в атмосфере Земли? Взаимодействуя с молекулами воздуха, метеорное тело теряет свою скорость, нагревается, начинает испаряться, иногда дробится. Вокруг него образуется облачко из раскаленных газов. В результате этих процессов масса метеорного тела непрерывно уменьшается; почти все метеорные частицы распыляются, не долетев до Земли. Пролетая в земной атмосфере, метеорное тело ионизует молекулы воздуха, оставляя за собой светящийся след. От ионизованных метеорных следов хорошо отражаются радиоволны. Благодаря этому метеоры можно наблюдать не только визуальным и фотографическим, но и радиолокационным методом. Метеорные потоки Ежегодно в одни и те же ночи (например, 12 августа) можно наблюдать особенно много метеоров. Если в это время нанести видимые пути метеоров на звездную карту, то легко найти небольшой участок неба — радиант, из которого как бы вылетают метеоры. Так, радиант августовских метеоров находится в созвездии Персея (метеорный поток Персеиды). С давних времен известны метеорные дожди Леониды (радиант метеорного потока в созвездии Льва). Леониды повторяются через каждые 33 года. Особенно интенсивный был дождь в1833 г. Очевидцы сравнивали его со «снежной метелью». Обильный дождь Леонид в соответствии с предсказаниями астрономов наблюдался, например, в ноябре1966 г. и возможен в будущем. Метеоритные потоки (а их известно сейчас более 30) наблюдаются в тех случаях, когда Земля встречается с роем метеорных тел, которые движутся приблизительно по одной орбите. Наблюдения показывают, что метеорные рои движутся по орбитам старых, уже разрушившихся комет. Следовательно, кометы, разрушаясь, порождают метеорные рои. Так, например, метеорный поток Ориониды, наблюдающийся с 16 по 26 октября, порожден кометой Галлея. Наблюдениями метеоров успешно занимаются юные любители астрономии. Члены школьных астрономических кружков и обществ наносят пути метеоров на звездные карты, фотографируют метеоры, определяют их высоты и скорости, производят подсчет метеоров в потоках, фотографируют спектры метеоров, исследуют их физические свойства. Решением этих и некоторых других задач любители астрономии помогают ученым исследовать распределение метеорной материи в пространстве и движение воздуха в атмосфере Земли. Работу выполнил: Прушинский Кирилл |