умкд по астрономии. УМКД ОУД.08 Астрономия 2.26.02.03 (набор 2017). Учебнометодический комплекс дисциплины Физика Индекс (Файл) mcd 3 26. 02. 03 Оуд. 082017 г
 Скачать 4.37 Mb.
|
|
Тема 4.3. Планеты Солнечной системы и экзопланеты В группу этих планет входят Меркурий, Венера, Земля и Марс, состоящие в основном из силикатных пород, соединений железа и других тяжелых химических элементов. Внутреннее строение этих планет отражено на рис. 133. Меркурий - ближайшая к Солнцу планета Солнечной системы. Масса Меркурия 0,0551 земной, диаметр - 4878 км, средняя плотность 5,44 г/см3. Орбита Меркурия обладает большим эксцентриситетом (0,206) и наклоном к эклиптике (7њ ). Приливное действие Солнца придало планете резонансный несинхронный характер движения: сидерический период обращения Меркурия - 87,97d, а период вращения - 58,65d: Меркурий делает 3 оборота вокруг своей оси за 2 меркурианских года, поворачиваясь к Солнцу то одной, то другой стороной. Особенности орбитального движения Меркурия привели к неравномерности видимого движения Солнца в небе планеты: в афелии Солнце перемещается в небе очень медленно, а в перигелии, когда скорость орбитального движения превышает скорость вращения планеты, Солнце почти неделю движется по небу "вспять".
Поверхность Меркурия весьма напоминает поверхность Луны, она вся изрыта кратерами ударного происхождения, названными в честь писателей, художников, композиторов (Достоевский (600 км), Толстой (300 км), Бетховен, Роден, Пушкин и т.д.). Часть кратеров обладает светлыми лучевыми системами. Высота гор Антониади и Скиапарелли достигает 2 - 4 км; многочисленные эскарпы - обрывы (сбросы) имеют протяженность от 20 до 500 километров и высоту до 2-3 км. На исследованном участке поверхности обнаружены лишь небольшие "моря"- равнины Жары (диаметром 1300 км), Сусей, Тир, Будх, Собкоу и Северная равнина (рис. 255-256). Предположительно, породы литосферы сложены в основном обедненными железом габброидами и анортозитами.
Приливное действие Солнца почти уравняло по продолжительности сидерический венерианский год (224,7d) и венерианские сутки (243,02d). Венера вращается вокруг своей оси в обратном направлении по отношению к большинству планет. Тепловой поток из недр планеты весьма значителен (10-5 Вт/см2) и поддерживает мощные вулканические процессы в литосфере Венеры, тектоническая активность недр планеты невысока. Венера обладает очень слабым магнитным полем, захваченным и сжатым из магнитного поля межпланетного пространства. Как и у Меркурия, у Венеры нет спутников планеты. Основной деталью рельефа Венеры являются равнины – плоские или слабохолмистые каменные пустыни, занимающие 75-80% площади ее поверхности. Своеобразными формами венерианского рельефа являются тессеры (8% площади планеты) - платообразные возвышенности, поверхность которых представляет собой хаотическое нагромождение тектонических структур, и венцы – кольцевые структуры диаметром в несколько сотен километров, возникшие вследствие действия поднимающихся мантийных плюмов. Выделяют три материка: земля Иштар, земля Афродиты, область Бета, и мощные горные массивы - высота крупнейших гор Максвелла достигает 11 км. Число кратеров ударного происхождения и вулканов (в том числе действующих) относительно невелико. Почти все детали рельефа носят женские имена: равнины названы в честь мифологических персонажей (Русалки, Снегурочки, Бабы-Яги); крупные кратеры - в честь выдающихся женщин, а маленькие - личными женскими именами. Состав венерианских пород в районах посадок АМС "Венера" и "Вега" близок к составу земных базальтов, встречающихся на океанских островах (толеитовые и субщелочные базальты). Мощная атмосфера Венеры долго скрывала от земных наблюдателей поверхность планеты. Исследования химического состава и строения атмосферы и поверхности планеты были произведены с помощью АМС "Венера" и "Вега" (СССР), "Маринер", "Пионер-Венера" и "Магеллан" (США). Состав атмосферы Венеры: СО2 » 95,5%; N2 » 3,5%, остальные газы около 0,1%. Высокое содержание углекислого газа породило мощный парниковый эффект, благодаря которому температура вблизи поверхности составляет от +470њ С до +600њС при давлении 93-95 атм. В результате явления суперротации почти вся атмосфера Венеры вращается, обгоняя вращение планеты. В ярком, желто-зеленом у горизонта и оранжево-красно-багряном в зените, закрытом вечными тучами небе никогда не проглядывает Солнце. Трехслойные облака Венеры различаются размерами и концентрацией частиц, и состоят в верхнем ярусе в значительной мере из мельчайших капелек серной кислоты, а ниже - из кристалликов серы. Гремят грозы. Скорость воздушных потоков в главном слое облаков достигает 100 м/с, однако ниже высоты 45-50 км небо почти всегда безоблачно и почти безветренно. У поверхности планеты скорость ветра не превышает 1 - 5 м/с, осадков почти или совсем не выпадает.
Состав атмосферы Марса: СО2 » 95%, N2 » 2,5%, Ar » 1,6%. Давление разреженной, почти целиком состоящей из углекислого газа и практически не содержащей кислорода (0,1-0,4 %) атмосферы Марса в 160 раз слабее, чем у поверхности Земли; парниковый эффект почти отсутствует, повышая среднюю температуру всего на 3-5 К. Удаленность планеты от Солнца и разряженность атмосферы привели к тому, что даже летом на экваторе Марса температура редко поднимается днем выше 0њ С, опускаясь ночью до -97њ С; зимой морозы усиливаются до -130њ С.В северном полушарии лето (177d) длиннее зимы (156d). Во время таяния полярных шапок грандиозные потоки воздуха "перетекают" из весеннего полушария в осеннее. Ветра со скоростью 40-70 м/c (до 100 м/с!) вздымают пыль массой до 1 млрд. тонн на высоту 7-15 км. Мощные пылевые бури продолжаются 50-100 суток, вызывая резкое глобальное похолодание на планете. Рельеф Марса очень разнообразен и, как правило, не связан с окраской района (хотя наблюдаемые в телескоп 2/3 светлых участков поверхности Марса названы "материками", а темные - "морями"). Северное полушарие ниже южного на 3-5 км. Вокруг северного полюса Марса простирается Великая Северная равнина, к югу тянутся равнины Аркадия, Утопия и Ацидалийская. Почти на экваторе в стране Фарсида возвышаются гигантские, самые высокие в Солнечной системе, горы - потухшие щитовые вулканы Олимп (23 км), гора Аскрийская, гора Павлина и гора Арсия. Район южного полюса весьма кратеризован, густо покрытая кратерами всевозможных размеров (Скиапарелли - 470 км) область протянулась (с 50њ северной широты, 40њ западной долготы) на юг, к экватору (до 220њ западной долготы). Кратерное море - равнина Аргир имеет размеры 900 км, еще крупнее равнина Эллада - гигантский палеократер диаметром около 2100 км и глубиной 9 км. К северо-западу от Аргира находится гигантский каньон - долина Маринера длиной 4500 км, шириной до 100 км и глубиной до 5-7 км. Красноватый цвет Марса объясняется большой распространенностью железосодержащих пород. По химическому составу марсианские породы близки к земным базальтам. На фотографиях поверхности Марса мы видим то каменистую, то песчаную пустыню под красноватым, почти всегда безоблачным небом. В настоящее время основные запасы воды на Марсе (2,3-4,7 млн. км3) сосредоточены в криосфере - приповерхностном слое вечной мерзлоты в десятки и сотни метров толщиной в крупных равнинных бассейнах и до 3-4 км в полярных шапках, состоящих не только из льда (рыхлая и бугристая северная полярная шапка), но и замерзшего углекислого газа и газовых гидратов (равнинная, покрытая округлыми впадинами южная полярная шапка). На снимках, полученных с борта АМС, отчетливо видны сухие русла рек протяженностью до 1000 км и грандиозные каньоны, тянущиеся на тысячи километров при ширине до 200 км и глубине до 3 км. Возможно, под северной полярной шапкой сохранились реликтовые озера жидкой воды. Существование жизни на Марсе в современную эпоху вполне вероятно; эксперименты, проведенные на борту посадочных модулей АМС "Викинг" (США) не дали однозначного ответа на этот вопрос. У Марса есть 2 покрытых кратерами и бороздами спутника неправильной формы: Фобос (размеры 22´ 30 км, расстояние от планеты 6000 км, период обращения 7h30m), и Деймос (размеры 15´ 12 км, расстояние от планеты 20070 км, период обращения 30h18m) - вероятно, захваченные притяжением Марса астероиды. Знакомство учеников со сведениями об эволюции планет земной группы способствует формированию общенаучных понятий о познаваемости мира, единстве законов физики для всей Вселенной, взаимосвязи и взаимообусловленности природных явлений. При этом скрыто осуществляется формирование понятия о космическом процессе эволюции космических объектов, демонстрирует мощь современной науки. Эволюция Меркурия определялась близостью к Солнцу и малой массой планеты. Солнечный ветер и давление света уменьшили концентрацию легких элементов в протопланетном сгустке и способствовали быстрой аккумуляции планетного тела. Поверхность планеты нагревалась лучами близкого светила и взрывами при столкновениях Меркурия с мелкими планетезималями. Недра планеты, помимо гравитационного сжатия и распада радиоактивных элементов, нагревались под действием приливных сил со стороны Солнца, тормозивших вращение Меркурия вокруг оси. Все это способствовало быстрой дифференциации вещества: по-видимому, Меркурий был первой из полностью сформировавшихся планет Солнечной системы. Эволюция его закончилась 3,3-3 млрд. лет назад с образованием основных оболочек - массивного железоникелевого ядра радиусом 1840 км (0,75 радиуса планеты RМ) массой 0,62 массы планеты, мантии толщиной 0,25 RМ и литосферы (коры) толщиной до 200 км, а также основных деталей рельефа (бассейнов, гор и кратеров). К настоящему времени толщина коры увеличилась до 500 км, а тектоническая и вулканическая деятельность почти прекратились. Самые ранние стадии эволюции Венеры, её внутреннее строение и химический состав, вероятно, очень сходны с земными, но в дальнейшем пути их развития сильно разошлись. Дифференциация недр Венеры началась раньше, нежели у Земли. В настоящее время конвекция вещества в мантии, по-видимому, отсутствует или очень слаба. Тепловая энергия недр выделяется в основном действующими вулканами. При высокой активности вулканических процессов на поверхности Венеры отсутствуют явные следы глобальной тектоники литосферных плит. Загадкой венерианского рельефа является его относительная молодость: возраст старейших образований не превышает 500 млн. лет. Ряд ученых считает это следствием катастрофического глобального переплавления всей литосферы планеты около 350 миллионов лет назад, когда тысячи сверхмощных вулканических излияний образовали моря и океаны расплавленной лавы. Так образовались базальтовые равнины - основной вид венерианского рельефа. Активный вулканизм значительно увеличил содержание паров H2O и SO2 в атмосфере, породив плотную облачность. Эффект "ядерной зимы" вызвал остывание поверхности планеты до 100њ С. Диссоциация водяных паров и поглощение двуокиси серы горными породами вело к разрушению облачного слоя 130 млн. лет назад - небо Венеры стало свободным от облаков - и новому нагреванию Солнцем поверхности планеты. Современный облачный покров сформировался около 30 млн. лет назад в результате новой вспышки вулканической активности. В качестве объяснения особенностей рельефа, внутреннего строения, эволюции и характеристик движения Меркурия и Венеры выдвинута гипотеза, согласно которой Меркурий является "потерянным" спутником Венеры, вращавшемся вокруг неё на расстоянии 400000 км 4 - 4,5 миллиарда лет назад. В дальнейшем Меркурий неоднократно сближался с Венерой и становился на время (десятки и сотни миллионов лет) её спутником. Мощное приливное рассеяние энергии вызывало плавление литосферы или резко усиливало тектонические и вулканические процессы в недрах Венеры, и тормозило вращение обоих планет. Эволюция Марса была обусловлена небольшой массой планеты и удаленностью от Солнца. Формирование железо-сульфидного ядра началось вскоре после завершения аккумуляции планеты и затянулось на миллиард лет. Гравитационная дифференциация вещества была не столь глубокой и полной, как у других планет земной группы, и подтверждается обогащенностью мантии сернистым железом и обилием железосодержащих пород в литосфере Марса, хотя концентрация железа в химическом составе планеты на 25 % ниже, чем у Земли. Процессы плавления вещества в мантии сопровождались интенсивной тектонической и вулканической деятельностью, с образованием на поверхности Марса базальтовых равнин и вулканических щитов. Атмосфера Марса первые сотни миллионов лет состояла из водорода и гелия, а после ухода водорода - из углекислого газа, азота и других газов (СО, NH3, СН4, Н2О и др.). В небе ярко светили 2 звезды - Солнце и формирующийся Юпитер, желтая и красная. Три миллиарда лет назад Марс достиг вершины своей эволюции. В Гесперийскую эру (3,5-2,5 млрд. лет назад) Марс имел постоянную гидросферу. Северную равнину занимал соленый океан объемом до 15 млн. км3 глубиной 0,7-1 км; в отдельные промежутки времени он распадался на два – один, округлый, заполнял бассейн ударного происхождения в районе Утопии, другой, неправильной формы – район Северного полюса. В умеренных и низких широтах было много озер и рек, на Южном плато - ледники. Марс обладал плотной атмосферой, аналогичной той, которая в то время была у Земли, при температуре у поверхности до 500С и давлении свыше 1 атм. Возможно, в ту эпоху на Марсе существовала биосфера: в трех метеоритах марсианского происхождения АLН 84001, Накла и Шерготти группой американских ученых были обнаружены образования, схожие с окаменелыми останками микроорганизмов возрастом от 4000 до 165 миллионов лет. В Амазонийскую эру (2,5-1 млрд. лет назад) климат Марса стал катастрофически нестабильным; происходили мощные, но постепенно затухающие глобальные тектонические и вулканические процессы, в ходе которых возникли крупнейшие в Солнечной системе марсианские вулканы; несколько раз сильно изменялись характеристики гидросферы и атмосферы, появлялся и исчезал Северный океан. Катастрофические наводнения, связанные с таянием криосферы привели к образованию грандиозных каньонов: в долину Арес Валлис с южных нагорий Марса стекал поток полноводнее Амазонки; расход воды в долине Касей превышал 1 млрд. м3/с. Миллиард лет назад активные процессы в литосфере, гидросфере и атмосфере Марса прекратились и он принял современный облик. Виной глобальных катастрофических изменений марсианского климата считаются большой эксцентриситет орбиты и неустойчивость оси вращения, вызывающие огромные, до 45%, колебания потока солнечной энергии, падающей на поверхность планеты; слабый приток тепла из недр Марса, обусловленный небольшой массой планеты, и высокая разреженностью атмосферы, обусловленная высокой степенью её диссипации. Далее излагается материал о планетах-гигантах Солнечной системы: В группу планет-гигантов Солнечной системы входят Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Все они состоят в основном из водорода и гелия, быстро вращаются вокруг оси и сплюснуты у полюсов, обладают мощными протяженными атмосферами, магнитными полями и радиационными поясами, системами спутников и колец, и излучают в пространство больше энергии, чем получают ее от Солнца.
|
