Астрономия. Астрономия лекции. ЗемляЛуна. Иоганн Кеплер (15711630)
 Скачать 1.56 Mb.
|
|
Законы Кеплера. Определение расстояний до тел Солнечной системы. Система Земля-Луна. Иоганн Кеплер (1571-1630)- немецкий математик, астроном, оптики астролог, открыл законы движения планет (кстати в детстве, переболев оспой, получил дефект зрения, который мешал ему проводить астрономические наблюдения. Многие ученые вплоть до 17 в. считали, что движение небесных тел должно быть равномерными происходить по окружности. Кеплеру удалось установить действительную форму планетных орбита также закономерность изменения скорости движения планет вокруг Солнца. Кеплер, изучая обращение Марса вокруг Солнца, установил три закона движения планет закон (г) Каждая планета обращается вокруг Солнца по эллипсу, водном из фокусов которого находится Солнце Эллипс-кривая, у которой сумма расстояний от любой точки до фокусов есть величина постоянная На рисунке точка О — это центр эллипса, аи- его фокусы. Проходящий через фокусы эллипса отрезок АВ, концы которого лежат на эллипсе, называется его большой осью. А отрезок С, проходящий через центр эллипса перпендикулярно большой оси, называется малой осью эллипса. Отрезки AO = В = а, С O = OD = b называются соответственно большой и малой полуосями эллипса. Отличие эллипса от окружности характеризуется величиной его эксцентриситета Он равен половине отношения фокусного расстояния эллипса к его большой полуоси Когда эксцентриситет эллипса равен нулю, фокусы и центр эллипса сливаются в одну точку -эллипс превращается в окружность ( при е = 1 становится параболой; при е > 1 – гиперболой). Допустим, что Солнце расположено в фокусе F 1 . Тогда ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты называется перигелием А наиболее удалённая от Солнца точка, называется афелием. Например, у земной орбиты эксцентриситет равен 0,017, то есть орбита действительно почти круговая. В перигелии наша планета находится вначале января. Расстояние до Солнца составляет около 147 миллионов километров. Афелий Земля проходит вначале июля, а афелийное расстояние составляет чуть более 152 миллионов километров 2 закон (1601 г) Радиус-вектор планеты (то есть линия, соединяющая центр Солнца с центром планеты) за равные промежутки времени описывает равновеликие площади иногда его называют законом площадей). Этот закон определяет скорость движения планеты по орбите Объяснить данный закон можно на основе закона сохранения энергии. Из физики вам известно, что полная механическая энергия замкнутой системы тел, между которыми действуют силы тяготения, остаётся неизменной при любых движениях тел этой системы. Поэтому сумма кинетической и потенциальной энергий планеты, которая движется вокруг Солнца, неизменна в каждой точке орбиты планеты. Приближаясь к Солнцу потенциальная энергия планеты уменьшается, в следствии уменьшения расстояния до Солнца Поэтому её кинетическая энергия должна увеличиваться. А сделать это можно лишь за счёт увеличения скорости. То, скорость движения планеты по орбите меняется, принимая максимальное значение в перигелии -30,3 км/с (январь)и минимальное в афелии -29,5 км/с (июнь. 3 закон (1618 г квадраты сидерических периодов обращения двух планет относятся как кубы больших полуосей их орбит Этот закон позволяет вычислить относительные расстояния планет от Солнца, используя уже известные их периоды обращения вокруг него. При этом ненужно вычислять расстояния от Солнца до каждой планеты, достаточно измерить это расстояние для одной из них, например, Земли. Величина большой полуоси орбиты емли -астрономическая единица (1 а. е) - стала основой для вычисления всех остальных расстояний в Солнечной системе Вывод законы Кеплера применимы не только для планет Солнечной системы и их спутников, но и для звёзд, физически связанных между собой и обращающихся вокруг общего центра масс. Они легли в основу практической космонавтики, ибо по законам Кеплера движутся все искусственные небесные тела, начиная с первого советского спутника и кончая современными космическими аппаратами. Измерить расстояние от Земли до Солнца удалось во второй половине XVIII в, когда был впервые определен горизонтальный параллакс Солнца. Горизонтальным параллаксом (p) называется угол, под которым со светила виден радиус Земли, перпендикулярный лучу зрения. Из треугольника OAS можно выразить величину – расстояние OS=D: где R – радиус Земли. Землю се спутником Луной нередко называют двойной планетой. Этим подчёркивается как общность их происхождения, таки редкостное для планет соотношение масс центрального тела и спутника. Масса Луны составляет 1/81 массы Земли. Масса спутников других планет является ничтожно малой по сравнению с массой самих планет. Вероятно, Луна образовалась примерно в тоже время, что и Земля. Расстояние между ними было в несколько раз меньше, чем теперь. Стой поры Луна постепенно удаляется от нашей планеты сочень малой скоростью (в настоящее время — около 4 см/год). емля. Природа Земли достаточно подробно изучается в курсе географии. Напомним вкратце лишь те сведения, которые необходимы для её сравнения с другими планетами Строение Основными оболочками земного шара являются атмосфера, гидросфера и литосфера. Соответствующие этим оболочкам три агрегатных состояния вещества — газообразное, жидкое и твёрдое - являются привычными для нас, жителей Земли. Атмосферой обладает большинство больших планет Солнечной системы, твёрдая оболочка характерна для планет земной группы, спутников планет и астероидов. Гидросфера поверхности Земли - особое явление в Солнечной системе. Вода в жидком виде может существовать лишь при определённых значениях температуры и давления газовой среды. Будучи весьма распространённым во Вселенной химическим соединением, вода на других телах Солнечной системы встречается в основном в виде льда, хотя подлёдные океаны из жидкой воды могут присутствовать на некоторых спутниках Юпитера. Внутреннее строение нашей планеты. В центральной её части находится ядро, которое принято разделять на твёрдое внутреннее и жидкое внешнее. Ядро - это наиболее плотная часть планетных недр (17 г/см 3 ). Его радиус составляет около 55 % радиуса Земли, а масса - около 30 % массы планеты. Ядро окружено мантией, в которой находится большая часть вещества Земли. Процессы, происходящие в мантии, оказывают самое непосредственное влияние на верхнюю, твёрдую оболочку Земли - земную кору, средняя плотность которой составляет около 2,7 г/см 3 . Земная кора и верхняя часть мантии составляют оболочку, которая называется литосферой. Газовая оболочка Земли - атмосфера - простирается в космическое пространство примерно на 2000 километров. Она рассеивает и поглощает солнечное излучение, вследствие чего во многом определяет тепловой баланс планеты и сглаживает суточные колебания температур. В составе атмосферы выделяют несколько слову самой Земли простирается тропосфера, в которой происходят процессы, определяющую погоду. В тропосфере сосредоточено более 90 % всей массы атмосферы и практически все водяные пары. - чуть выше (до высоты 50—55 км) располагается стратосфера, в которой находится озоновый слой Он поглощает вредные ультрафиолетовые лучи Солнца, и из-за этого, начиная примерно с высоты в 25 км температура атмосферы начинает расти от –56,5 о С до 0,8 о С. - ещё выше расположена мезосфера. В ней температура вновь начинает уменьшаться и на высоте в 90 км достигает своего абсолютного минимума - –90 о С. - далее, до высоты порядка 800 км, простирается термосфера. Названа она так из-за того, что в ней, за счёт поглощения ультрафиолетового излучения Солнца, температура поднимается до 1500 о С. -далее следует экзосфера, плавно переходящая в космическое пространство На высотах более 1000 км существует область, которую называют магнитосферой Она имеет сложную форму. Со стороны Солнца граница магнитосферы по форме напоминает снаряд. С ночной стороны магнитосфера Земли вытягивается длинным цилиндрическим хвостом магнитный хвост, который вытягивается на значительное расстояние (за Землёй на 5,6 млн км) и где заканчивается - неизвестно. Небольшая часть захваченных геомагнитным полем заряженных частиц образует вокруг нашей планеты радиационный пояс. Здесь движутся протоны, ионы и электроны, обладающие самой высокой энергией. Эти частицы, попадая в верхние слои атмосферы в районе полюсов, заставляют светиться её основные составляющие - азот и кислород, вызывая полярные сияния Луна. Луна - тело шарообразной формы, слегка сплюснутое к полюсам. Её средний диаметр составляет 3474,11 км. Масса Луны, как мы уже упоминали, всего враз меньше массы Земли, а её средняя плотность равна 0,6 плотности Земли (примерно 3300 кг/м 3 ) На Луне практически нет атмосферы. Объясняется это малым значением ускорения свободного падения вблизи её поверхности - оно враз меньше чему поверхности Земли. Поэтому молекулам газа не составляет большого труда покинуть Луну. Медленное вращение Луны вокруг своей оси приводит к сильным колебаниям температуры. Так, днём её поверхность в среднем прогревается до 117 о С. Ночью же она может остыть до –173 о С. Из-за отсутствия атмосферы лунная поверхность подвержена постоянной бомбардировке метеоритами и микрометеоритами. В результате вся лунная поверхность покрыта слоем мелкораздробленного вещества — реголита, толщина которого в некоторых местах может достигать 10-12 м. С поверхности Земли даже невооружённым глазом видны светлые и тёмные области - материки и моря. Моря - это относительно ровные пониженные участки лунной поверхности, покрытые застывшей лавой Лунные моря занимают примерно 40 % площади видимой стороны Луны и около 16,9 % всей её поверхности. Самая крупная равнина получила название Океан Бурь. Также можно отметить Море Дождей, Море Холода, Море Спокойствия итак далее. Море Дождей окружают горные хребты высотой до 6 км, получившие названия, созвучные земным, - Апеннины, Кавказ, Карпаты и т.д. Самыми характерными формами рельефа Луны являются кратерысамого разного диаметра. Наиболее крупные из них получили имена известных учёных: Тихо, Коперник, Кеплер, Птолемей и т.д. Большинство кратеров располагаются на более древней поверхности материков (там их примерно враз больше, чем на относительно молодой поверхности морей. Именно поэтому поверхности материков выглядят такими неровными. Исследование Луны с помощью космических аппаратов началось 13 сентября 1959 года, когда её впервые достиг советский космический корабль Луна. А уже 4 октября того же года советская межпланетная автоматическая станция Луна пролетела над Луной и сфотографировала невидимую с Земли часть её поверхности. На обратной стороне Луны практически нет морей. А впадины, которые там есть, в большинстве своём не заполнены лавой. Самым примечательным местом на обратной стороне Луны является Бассейн Южный полюс - Эйткен. Это самый большой известный кратер Луны и один из крупнейших кратеров всей Солнечной системы (2400 х 2050 км. Первая мягкая посадка на Луну была совершена 3 февраля 1966 года советской межпланетной станцией Луна. А 20 июля 1969 года американские астронавты Армстронг и Олдрин стали первыми людьми, ступившими на поверхность нашего спутника. То, Луна - это пока единственное небесное тело, на котором побывал человек, и первое небесное тело, образцы которого (лунного грунта) были доставлены на Землю. Их детальный анализ показал, что они очень близки базальтовым породам Земли, нов них меньше летучих элементов и минералов. Природа Луны. Планеты. Планеты земной группы. На Луне практически нет минералов, отличающихся от земных, нов тоже время отсутствуют те из них, которые могут образовываться вводной среде и при наличии свободного кислорода Никаких признаков жизни или органических соединений на Луне обнаружено не было. Доставленные на поверхность Луны сейсмометры позволили зарегистрировать большое число лунотрясений (до трёх тысяч в год). Однако все они очень слабы - их сейсмическая энергия в миллиард раз меньше, чем на Земле Их изучение позволило учёным уточнить внутреннее строение нашего спутника. Так, подслоем реголита располагается кора, толщина которой значительно больше земной колеблется от 60 км (на видимой стороне) дона обратной. Под корой находится мантия, толщина которой достигает 1000 км. Зона глубже 1600 км напоминает земную мантию и имеет температуру около 1500 о С. В центре Луны - металлическое ядро, радиусом 300 км Возраст лунных пород сравним с возрастом Земли, что свидетельствует об их совместном происхождении. В тоже время на Луне не обнаружено молодых пород, что говорит о том, что вулканическая активность на ней давно закончилась. А вот из-за отсутствия атмосферы и воды в жидком состоянии на Луне процессы размывания и выветривания пород не наблюдаются. Поэтому формы рельефа лунной поверхности не меняются уже на протяжении миллиарда лет . Хотя, по последним данным, остаточные слабые вулканические процессы в недрах спутника продолжались ещё примерно 950 миллионов лет. Это даёт возможность изучить процессы, происходившие на Земле в далёком прошлом, от которых на нашей планете не осталось и следа. Планеты земной группы - Меркурий, Венера, Земля и Марс - твердые тела, сравнительно небольшие, мало массивные, нос большой средней плотностью (большая часть массы планет земной группы приходится на долю твёрдых веществ - оксидов и других соединений тяжёлых химических элементов, более медленным вращением и с малым числом спутников (или без них. Они расположены вблизи Солнца. Общность характеристик. Наличие литосферы - характерная черта всех планет земной группы. Литосферасостоит из коры, мантии силикаты) и ядра железно, никель. Ядро может быть как твёрдым, таки жидким. Учёные предполагают, что внутри жидкого металлического ядра возникают токи, создающие магнитное поле планеты. Планеты Земной группы имеют изменяющийся ландшафт, например, вулканы, каньоны, горы и кратеры. Рельеф их поверхности сформировался под действием внутренних и внешних факторов. Примером первых могут служить тектонические движения и вулканические явления, примером вторых - удары тел, падающих на планету с огромными скоростями из космического пространства. Гидросфера, напротив, является уникальной особенностью нашей планеты. Атмосфера отсутствует лишь у Меркурия. Можно принять (так удобно для запоминания, что атмосферное давление у Венеры враз больше, чему Земли, ау Марса - враз меньше. Атмосферы Венеры и Марса весьма близки по составу между собой, но значительно отличаются от земной Для объяснения причин такого различия приходится снова обращаться к рассмотрению эволюционных изменений, происходящих на протяжении длительных промежутков времени. Считается, что атмосферы Марса и Венеры в основном сохранили тот первичный химический состав, который когда-то имела и атмосфера Земли За миллионы лет земная атмосфера в значительной степени уменьшила содержание углекислого газа и обогатилась кислородом за счёт двух процессов. Первым из них является растворение углекислого газа в земных водоёмах, которые, видимо, никогда не замерзали. Второй процесс - выделение кислорода появившейся на Земле растительностью. Нина Венере, ни на Марсе ни один из этих процессов происходить не мог. Современные исследования круговорота углекислого газа на нашей планете показывают, что только наличие гидросферы способно обеспечить сохранение температурного режима в пределах, необходимых для существования живых организмов. Еще одна общая черта среди планет Земной группы у них очень мало, либо совсем отсутствуют спутники. Меркурий и Венера совсем не имеют спутников, у Земли – один, у Марса – два крошечных спутника. Кроме того, планеты Земной группы не имеют планетарных колец. 3. Планеты-гиганты. Плутон. Планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун - массивнее планет земной группы, большие по размерам, с меньшей средней плотностью (в их составе преобладают водород и гелий которые находятся в жидком и газообразном состояниях, большой скоростью вращения и многочисленными спутниками. Планеты-гиганты обладают мощными атмосферами, состоящими в основном из водорода и гелия. Под понятием планеты-гиганты подразумевают 4 планеты Солнечной системы Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун Все они являются внешними планетами, что означает, что их орбита лежит дальше от Солнца, чему планет Земной группы. Основные отличия планет-гигантов от других планет Солнечной системы это а) большие размеры и массы планет (max – Юпитер, min – Нептун, Уран б) быстрое вращение вокруг своих осей (10-15 часов)(экваториальные зоны вращаются быстрее полярных в) большое сжатие - результат быстрого вращения г) большое число спутников д) наличие колец е) малая плотность НО – Нептун, min -Сатурн ж) обилие водорода. Особенности строения планет-гигантов. Вряд особенностей планет-гигантов можно отнести: а) эти планеты не имеют твердых поверхностей б) существование значительных магнитных полей этих планет в) наличие радиационных поясов г) несмотря на то, что, на поверхности преобладают низкие температуры, внутри планет температура довольно высокая (может достигать нескольких десятков тысяч кельвинов). После открытия большого числа астероидов, а в 1846 г. - и планеты Нептун, в астрономии начались длительные поиски «транснептуновой» планеты. Лишь в 1930 г. за орбитой Нептуна на расстоянии около 40 а. е. удалось открыть Плутон. Оказалось, что по размерами массе он меньше Луны а по плотности существенно отличается от планет обеих групп. В 1978 г. у него был обнаружен очень крупный спутник Харон (рис) диаметром 1205 км (чуть больше половины диаметра Плутона, а соотношение масс составляет 1 |