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.
|
|
 |
| Рис. 20. Строение и основные характеристики атмосферы Юпитера |
У Юпитера, в нашем понимании, нет твердой поверхности: на глубине 0,02RЮ(1400-1500 км) под действием колоссального давления (р = 5× 109 Па, Т = 6500 К) атмосферный водород переходит в жидкое состояние, а на глубине 0,22-0,24RЮ(16800 км) при Р = 1011 Па и Т = 104 К водород становится твердым, "металлическим". Металлическая твердая оболочка простирается почти до границы с внешним ядром массой 20 МÅ , предположительно состоящим из воды, метана, силикатов на глубине 0,85RЮ, а глубже расположено внутреннее ядро металлов (железа, никеля и др.) и силикатов. По расчетам ученых в центре Юпитера давление достигает 26,6× 1011 Па при Т = 2,3-2,5× 104 К. Внутренний поток тепла из недр планеты на границе атмосферы и космоса достигает 5,6 Вт/м2; общее количество излучаемой Юпитером энергии составляют 1018 Вт - в 2,5 раза больше, нежели Юпитер получает от Солнца.
Юпитер обладает самым мощным магнитным полем и обширной системой радиационных поясов - источником космических лучей (в основном, электронов). У полюсов Юпитера наблюдаются мощные полярные сияния. Юпитер - второй по мощности после Солнца "радиопередатчик" Солнечной системы.
У Юпитера 28 спутников, в их числе крупные планетоиды Ио, Ганимед, Европа, Каллисто, и система тонких колец, состоящих из мельчайших пылинок.
Сатурн подобен Юпитеру по своим физическим характеристикам, но уступает ему по массе, размерам, мощности теплового потока из недр и активности атмосферы.
У Сатурна наибольшее в Солнечной системе число спутников - 30, в число которых входит обладающий плотной атмосферой и углеводородной гидросферой планетоид Титан.
У Сатурна самая красивая и крупная система колец, состоящая в основном из большого количества обломков льда размерами меньше метра, камней и пыли. Предполагается, что кольца планет-гигантов образуются из мелких спутников, разрушенных приливными силами или представляющих собой остатки вещества, из которого в далеком прошлом сформировались планеты и их спутники. Радиус внешнего кольца Сатурна превышает 900000 км при толщине 4 км.
Уран и Нептун значительно меньше Юпитера и Сатурна по массе и размерам, но плотнее их, в химическом составе Урана и Нептуна возрастает доля гелия, метана, аммиака в атмосферах, воды и тяжелых химических элементов в глубоких слоях планет. Давление и температура на дне их атмосфер недостаточны для перехода водорода в жидкое молекулярное состояние.
Уран вращается вокруг Солнца "лежа на боку" (e = 97њ 55') в обратном, как Венера, направлении. На полюсах планеты полярный день и ночь длятся по 42 года. Тепловой поток из недр незначительно превышает энергию, получаемую планетой от Солнца.
Температура атмосферы Т = 64 К почти одинакова на уровне всей "видимой поверхности", представляющей собой оптически непрозрачную дымку из капель или кристаллов углеводородов в атмосфере, самой спокойной среди планет-гигантов. В атмосфере наблюдаются слабые вихри, струйные течения, пятна и метановые облака.
Магнитное поле Урана имеет очень сложную структуру, обусловленную особенностями его вращения. У Урана 21 спутник. Многочисленные кратеры обнаружены на Обероне, Титании, Ариэле поверхность Умбриэля наоборот, довольно гладкая. Наиболее сложным рельефом (борозды, хребты, разломы глубиной в несколько километров) обладает Миранда. 10 колец планеты шириной до 9300 км состоят из угольно-темных частиц размерами около 1 см.
Нептун - самая далекая из планет-гигантов, однако он излучает в пространство в 2,7 раза больше энергии, чем получает от Солнца; мощный тепловой поток из недр планеты обусловливает значительную метеорологическую активность атмосферы, вращающейся в обратную сторону от направления вращения планеты со скоростью ветров от 100 до 400-700 м/с; наблюдаются многочисленные облака, пятна и вихревой шторм диаметром до 12000 км. Плотная голубая атмосфера Нептуна содержит помимо водорода и гелия, метан (до 15 %), этан С6Н6, ацетилен С2Н2, этилен С2Н4 и другие газы. Предполагается, что на дне ее находится глобальный океан из воды, насыщенной различными солями. Дно океана - твердая или газо-жидкая ледяная мантия, (р = 1011 Па при Т = 2-5× 103 К) сосредоточившая в себе 70 % массы планеты. Ядро планеты предположительно состоит из оксидов кремния, сульфидов, магния и железа и составляет 25 % массы планеты. В центре планеты давление 6-8× 1011 Па, температура 7× 103 К). У Нептуна 8 спутников. 5 колец Нептуна шириной от 15 до 5000 км на 17-40 % состоят из пыли.
Тема 4.4. Планетоиды. Луна и другие спутники планет
Учитель поправляет, уточняет, обобщает ответы учащихся. При изложении нового материала следует обращать внимание учеников на космогонические причины различий между основными группами планетоидов и то, что их физические характеристики и свойства зависят от массы, расстояния до Солнца и особенностей происхождения; показать, что расчет средней плотности планетоида позволяет уточнить его химический состав. Нужно, чтобы все ученики понимали: причины отсутствия атмосфер у планетоидов (этот вопрос решается в ходе беседы самими учениками); механизм образование реголита на поверхности силикатных планетоидов (рассматривается на примере образования слоя лунного реголита); слабо дифференцированное внутреннее строение уединенных планетоидов и сильно дифференцированное внутреннее строение крупнейших планетоидов – спутников планет:
Чем меньше масса планетоида и чем дальше расположен он от Солнца, тем ниже будет температура и давление в его недрах, тем раньше угаснут тектонические процессы и тем однороднее будет его внутреннее строение. Таковы, вероятно, Плутон, крупнейшие объекты пояса Койпера и 4 крупнейших малых планеты (Церера, Паллада, Юнона и Веста).
На физико-химические характеристики, внутреннее строение и эволюцию планетоидов оказали значительное влияние приливные силы со стороны тех больших планет, спутниками которых являются эти планетоиды.
Приливные силы значительно уменьшили период вращения спутников вокруг оси, уравняв его с периодом вращения вокруг планеты.
Приливные силы значительно разогрели недра планетоидов на ранних стадиях их образования, способствовали возникновению у них дифференцированного внутреннего строения и запасов внутреннего тепла. В недрах самых близких к планетам спутников-планетоидов приливные силы до сих пор генерируют мощный тепловой поток, усиливают тектоническую и вулканическую активность, повышают температуру поверхности и коры планетоидов, способствуют существованию у них гидросфер и атмосфер. Внутреннее строение наиболее крупных планетоидов Солнечной системы отражено на рис. 21.
Рис. 21. Внутреннее строение планетоидов - спутников планет
Основные характеристики наиболее крупных планетоидов Солнечной системы рассматриваются на примере спутника Земли – Луны. Сведения о применении лунных ресурсов для энергетических и сырьевых нужд человечества следует отложить для соответствующих занятий в конце учебного года.
Луна - силикатный планетоид, спутник планеты Земля. Масса Луны 7,348× 1022 кг, в 81,3 раза меньше массы Земли; радиус 1737,4 км; средняя плотность 3,34 г/см3, в 1,5 раза меньше земной; возраст 4,51 ± 0,02 млрд. лет. Среднее расстояние от Луны до Земли 384000 км (от 356400 км до 406740 км). Сидерический период обращения Луны 27d07h43m вокруг Земли совпадает с периодом вращения Луны вокруг своей оси. Мы видим всегда только одно полушарие Луны, 59 % лунной поверхности. Температура на лунном экваторе колеблется от +130њ С в полдень до -170њ С ночью.
Внутреннее строение Луны: кора толщиной 60 км на видимой и 100 км на обратной стороне Луны; верхняя мантия толщиной до 250 км; средняя мантия на глубинах 300-800 км; нижняя мантия толщиной от 200 до 500 км, и металлическое (Fe, Fe-FeS) ядро диаметром до 320-420 километров (рис. 21). Астеносфера (внутренняя мантия и ядро Луны) находятся в частично расплавленном состоянии при температуре до 1800 К. Сейсмическая активность Луны невелика и связана с подвижками лунной коры и, реже, с процессами на глубинах 600-800 км.
Крайне разреженная - в 1013 раз по сравнению с земной - газовая оболочка Луны состоит из атомов и ионов водорода, гелия, неона, аргона, натрия, калия и кислорода.
Светлые области лунных "материков" занимают 60 % поверхности лунного диска. Древние материковые районы Луны сложены преимущественно светлыми горными породами - анортозитами, почти целиком состоящими из плагиоклазов с примесью пироксена, оливина, магнетита, титаномагнетита. Возраст лунных пород 3,13-4,4 млрд. лет. Лунные горные хребты, названные по аналогии с земными Кавказом, Альпами, Карпатами и т. д. имеют средние высоты 6-7 км.
Темные "моря" занимают 40 % поверхности Луны и представляют собой равнинные области, наполненные темным веществом - базальтами, сложенными в основном минералами плагиоклазами и моноклинными пироксенами (авгитами). Древнейший и крупнейший Океан Бурь образовался около 4,5 млрд. лет назад в результате столкновения пра-Луны с крупной планетезималью. Свыше 20 других лунных морей возникли по тем же причинам 4,5-4 млрд. лет назад. Заполнявшие чаши лунных морей массовые излияния базальтовых лав продолжались до 3,5-3 млрд. лет назад. лунные базальты менее окислены, но более богаты тяжелыми элементами по сравнению с земными. Темными районы морей выглядят из-за примесей оливина и ильменита (ТiО). Не залитые лавой низменности называются бассейнами; крупнейший из них - "Южный полюс-Эйткен" - имеет диаметр 2500 км и глубину 12 км. Близ лунных полюсов на глубине 0,4 - 2,0 м на площади до 2000 км2 обнаружены залежи реликтового льда (около 6 млрд. тонн) в виде вечной мерзлоты.
Основной формой лунного рельефа являются кратеры. Только на видимом полушарии Луны насчитывается свыше 300000 кратеров диаметром свыше 1 км. Их кольцевые валы высотой до несколько километров окружают большие круглые впадины диаметром до 200 км. Всем крупным кратерам даны названия в честь ученых и выдающихся деятелей. Большая часть кратеров имеет ударное (метеоритное) происхождение и образовалась свыше 3,5-3,2 млрд. лет назад; последний максимум бомбардировки Луны метеорными телами произошел около 0,5 млрд. лет назад. Позднейшие кратеры образовались на валу и внутри более древних. В центре многих кратеров возвышаются горки. Часть кратеров имеет вулканическое происхождение. Тектоническая активность наблюдается в районе кратеров Аристарх, Геродот, Альфонс и в других местах. Известны цепочки кратеров, тянущиеся на тысячи километров. Характерны протяженные системы лучей - выбросы лунных пород при падении на Луну комет и астероидов, гигантские борозды и трещины тектонического происхождения.
Поверхность Луны (и других безатмосферных планетных тел) покрыта тонким (10-2 –10 м) рыхлым слоем реголита – верхним слоем лунной коры, измельченным до пылевидного состояния микрометеоритной бомбардировкой, воздействием космических лучей и большими суточными перепадами температур. По физико-химическим свойствам серый лунный реголит напоминает мелкий влажный песок.
Космонавтам на поверхности Луны хорошо видны земные коричневые материки, синие моря и океаны, белые облака. Земля стоит в зените серединой видимого полушария Луны и при удалении от него опускается все ниже к горизонту; на обратной стороне Луны Земля не видна. Для данной точки лунной поверхности горизонтальные координаты Земли в лунном небе изменяются лишь на небольшую величину, обусловленную либрациями - "покачиванием" оси вращения Луны. Смена фаз Земли в небе Луны происходит за то же время, что смена фаз Луны в небе Земли, за 29,5 суток. В лунную полночь полная круглая голубая Земля (в 4 раза больше, чем Луна на земном небе) сияет над аспидно-черными лунными горами, а в лунный полдень черный диск Земли в фазе IV четверти – "новоземелия" окаймлен красновато-оранжевой дымкой атмосферы. Ввиду наклона оси вращения Луны к эклиптике на угол i = 5њ 09¢ лунный Северный полюс мира проецируется на созвездии Дракона, а Южный на созвездии Золотой Рыбы.
Далее следует познакомить учеников с природой других планетоидов – спутников планет-гигантов и Плутона.
Ио - ближайший спутник Юпитера, силикатный планетоид диаметром 3636 км, массой 8,93× 1022 кг и средней плотностью 3,518-3,549 г/см3. В приливных возмущениях рассеивается мощность, в 25-45 раз выше значения теплового потока из недр Земли.
Приливные силы и электрический ток, возникающий при взаимодействии Ио с магнитосферой Юпитера, очень сильно разогревают недра спутника. Ио наполовину состоит из раскаленного жидкого металлического (Fe, Fe-FeS) ядра диаметром, по разным оценкам, от 880-1440 км до 1660-1780 км. Трехслойная мантия состоит из обогащенных железом силикатных пород; ее раскаленный свыше 1500 К верхний жидкий слой имеет толщину до 300 км. Тонкая 60-километровая кора Ио пульсирует вместе с приливами и отливами. Литосфера состоит из силикатов (базальтов), серы и ее соединений (SO2, H2S, S2 и т.д.); под поверхностью Ио скрываются настоящие серные моря с температурой свыше 110њ С, а на поверхности температура ниже и не превышает -150њ С. Высота гор Ио достигает 16 км. Обнаружено свыше 100 вулканических кальдер поперечником до 200 км; общее число вулканов достигает 300. В 1979 году на Ио действовало 9 вулканов, выбрасывавших вещество на высоту 170-300 км; в 2000 году их стало 14. Мощная вулканическая активность наблюдается в районе патеры Пиллан; температура насыщенной железом и магнием лавы достигает 1500 К. Ученые предполагают, что Ио переживает период высокотемпературного "силикатного" вулканизма, завершившийся на Земле 2 млрд. лет назад. Вулканизм Ио породил разреженную сернистую атмосферу, в которой наблюдаются вызванные ионизацией красные, синие, зеленые сияния и свечения. Обнаружено слабое магнитное поле.
Европа - силикатно-ледяной планетоид массой 4,8× 1022 кг, радиусом 1561 км и средней плотностью 3,014 г/см3 - второй после Марса кандидат на обнаружение живых организмов. Крупное железное ядро Европы окружает силикатная мантия (r 3,0-3,5 г/см3). Близость к Юпитеру, мощное действие приливных сил делает возможным существование гидросферы - глобального океана глубиной до 50 км. Поверхность Европы имеет возраст от 2 до 50 миллионов лет и покрыта панцирем из водяного льда c примесью SO2, CO2, H2O2, карбонатов, сульфатов натрия и магния, толщиной от 1-10 км до 80-200 км, в трещинах, дугах и волнистых линиях, возникающих во время приливов и отливов. Отмечены следы движения крупных блоков льда, аналогичных тектонике плит литосферы Земли. Европа обладает крайне разреженной кислородной атмосферой и слабым магнитным полем.
Ганимед - спутник Юпитера, крупнейший силикатно-ледяной планетоид Солнечной системы массой 1,482× 1023 кг, радиусом 2634 км и средней плотностью 1,94 г/см3, на 500 км превышает размерами Меркурий. Поверхность спутника - ледяные годы, ледяные поля и гладкие широкие бассейны, порожденные тектоническими процессами. Равнины перекрыты слоем грязе-ледяной лавы, припорошены обломками силикатных пород и пылью, на них выделяется множество структур ударного (кратеры и борозды) и вулканического происхождения. Внутреннее строение: сульфидно-железное ядро Ганимеда (r 5-6 г/см3) окружает силикатно-ледяная мантия, возможно с тонкой прослойкой глобальной гидросферы, поверх которой лежит ледяная кора толщиной до 800 километров. Ганимед обладает слабым магнитным полем и крайне разреженной атмосферой (О2 и др.).
Каллисто (масса 1,07× 1023 кг, радиус 2408 км, средняя плотность 1,84 г/м3) состоит на 60 % из силикатных пород и на 40 % из льда. Молодой рельеф четвертого крупного спутника Юпитера сформировался всего лишь сотни миллионов лет назад (рис. 290). Силикатное ядро Каллисто окружено слоем смеси камней и льда (r 1,7-2,4 г/см3) и толстой водно-ледяной мантией. Под ледяной корой толщиной от 200 до 500 км, возможно, скрыта 10-километровая глобальная водяная оболочка. Каллисто обладает очень слабым магнитным полем и крайне разреженной атмосферой (СО2 и др.), в которой наблюдаются довольно яркие полярные сияния.
Титан - спутник Сатурна, один из самых крупных силикатно-ледяных планетоидов диаметром 5150 км, массой 1,35× 1023 кг и средней плотностью 1,88 г/см3.
Поверхность Титана почти неразличима сквозь его плотную оранжевую атмосферу, состоящую из азота (90 %), аргона и метана (> 1 %), с давлением у поверхности 1,5 атм. Парниковый эффект увеличивает температуру лишь на 3-5 К, поэтому на Титане довольно холодно - около -179 њ С. Облака атмосферы на 15-километровой высоте почти целиком состоят из капелек метана: возможно, на Титане идут метановые дожди. Титан обладает своеобразной гидросферой. На поверхности планетоида существуют открытые этано-метановые бассейны - озера, моря и океан, занимающий целое полушарие; на их дне накапливаются тяжелые органические соединения. Крупнейший из материков сравним по размерам с Австралией. Вершины ярко-белых (возможно, водно-ледяных) горных массивов покрыты метановым снегом.
Внутреннее строение Титана: тяжелое силикатное ядро окружено мантией из водяного и аммиачного льда и аммонийных гидросульфатов. Кора состоит из аммиачного льда. Азотная атмосфера образовалась при дегазации недр планетоида.
Тритон - силикатно-ледяной спутник Нептуна массой 2,14× 1022 кг, диаметром 2700 км и сравнительно высокой средней плотностью 2,07 г/см3. Тритон имеет очень большое (1000 км) силикатное ядро, окруженное тоненькой (25-30 км) ледяной мантией, над которой простирается глобальный водяной океан глубиной 150 км, прикрытый толстой ледяной корой (180 км). На поверхности Тритона обнаружены кратеры, горы, каньоны и вулканы.
Температура поверхности планетоида всего 38 К, равнины Тритона покрывает 6-метровый слой снега из замершего азота, этана и этилена. В сильно разреженной (в 67000 раз разреженнее земной) атмосфере, состоящей из азота и метана, наблюдается дымка и легкие облака. У полюсов в небо бьют 8-километровые гейзеры.
Плутон по традиции считается одной из планет Солнечной системы, но по своим физическим характеристикам является планетоидом. Орбита Плутона обладает большим эксцентриситетом, среднее расстояние от Плутона до Солнца меняется от 29 до 48 а.е., наклон к эклиптике 17њ ; год длится 247,7 земных лет. Периодически (с 1979 по 1999 год) Плутон оказывается к Солнцу ближе Нептуна. Масса Плутона в 422 раза меньше массы Земли и в 5 раз меньше лунной. Диаметр Плутона около 2390 км. Плутон получает в 1600 раз меньше солнечной энергии на единицу площади поверхности планеты, нежели наша Земля; Солнце с его поверхности выглядит как самая яркая из звезд. Температура поверхности Плутона колеблется от –268 њ С до -238њ С. Большой угол наклона оси вращения к плоскости орбиты (98њ ) ведет к мощным сезонным изменениям с полярными днями и ночами длительностью до 124 лет. На поверхности Плутона наблюдаются обширные области замерзших метановых морей СН2 и участки, покрытые слоем смеси замерзшего азота N2, окиси углерода СО и этана С2Н6. Обнаружена слабая атмосфера.
На расстоянии в 19405 км от Плутона вращается его покрытый водяным льдом спутник Харон. Диаметр Харона равен 1192 км, масса в 30 раз меньше массы Плутона.
Ряд астрономов считает, что Плутон - бывший спутник планеты Нептун, "потерянный" ею в результате гравитационного взаимодействия при катастрофическом сближении с планетой Уран в период формирования этих планет.
Следует ознакомить учеников с новой, открытой в конце ХХ века группой планетных тел Солнечной системы - транснептуновыми объектами:
В 1977 году был открыт Хирон размерами около 200 км, двигавшийся на расстоянии 16,7 а. е. от Солнца - первый представитель группы "кентавров" (в настоящее время известно свыше 10 подобных планетных тел). К началу XXI века было открыто свыше 300 силикатно-ледяных и ледяных планетоидов размерами от 150 до 800 км. Крупнейший из объектов пояса Койпера 2000 WR106 имеет диаметр около 1100 км. Все они движутся за пределами орбиты Нептуна и входят в состав пояса Койпера, существование которого было предположено в 1949 г. К. Эджвортом и в 1951 г. Дж. Койпером. Пояс Койпера состоит, по предварительным оценкам, из 100 000 ярко-красных реликтовых планетезималей и объектов, большая часть которых по своему химическому составу представляют собой нечто среднее между кометами и силикатными астероидами и состоят в основном из льда и замерзших газов СН4, С2Н6, С2Н4, С2Н2 и других сложных углеводородов и органических соединений, насыщенных углеродом и азотом. Общая масса объектов пояса Койпера около 1026 кг (100 МÅ ). Объекты пояса Койпера подразделяются сейчас на два семейства: "классические объекты" (60 %) и "Плутино"(40 %), имеющих орбиты в резонансе 3/2 с орбитой Нептуна, с большой полуосью около 39 а.е. и периодом обращения около 240 лет. Так, объект 2000 WR106 обладает следующими орбитальными характеристиками: большая полуось орбиты а = 43,27 а.е., эксцентриситет е = 0,055, период обращения вокруг Солнца 285 лет. Не исключено существование нескольких слоев – колец, разделенных промежутками, в которых движутся особо массивные планетоиды. Возможно, крупнейшими объектами пояса Койпера являются Плутон, Харон, а также Тритон и некоторые другие спутники планет-гигантов, захваченные ими в давние времена. Пояс Койпера является источником большинства короткопериодических комет.