shpory_po_astronomii

Однако в течение последних десятилетий открыто значительное количество малых тел, находящихся гораздо дальше от Солнца – за орбитой Нептуна (транснептуновые объекты, или, так называемый пояс Койпера).

Соответственно, по отношению к Главному поясу астероидов все малые тела и планеты делятся на две группы – внутренние (Меркурий, Венера, Земля, Марс и астероиды, находящиеся внутри орбиты Марса), которые движутся внутри пояса, и внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун со «своими» астероидами), орбиты которых лежат вне этого пояса.

Однако более важно деление планет на две группы по отношению к орбите Земли, поскольку подавляющее число астрономических измерений и наблюдений пока производится с поверхности нашей планеты. Таким образом, Меркурий и Венера относятся к группе нижних планет, и их орбиты ближе к Солнцу, чем орбита Земли. Все остальные планеты (Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун),

находящиеся дальше от Солнца, чем Земля, относятся к группе верхних планет.

Орбиты планет Солнечной системы мало отличаются от круговых, т.е. эксцентриситеты их орбит невелики. Наименьший эксцентриситет у орбиты Венеры (e = 0,007), наибольший – у орбиты Меркурия (e = 0,206). Эксцентриситет орбиты Земли равен 0,017.

Планеты земной группы и планеты-гиганты

Согласно решению XXVI Ассамблеи Международного астрономического союза (МАС, 2006)

планета — это небесное тело, которое:

•обращается вокруг звезды;

•не является звездой;

•обладает достаточной массой, чтобы иметь форму, близкую к сфере;

•вблизи орбиты которого имеется «пространство, свободное от других тел». Такое свободное пространство появляется в процессе формирования планет.

Ассамблея декларировала, что Плутон не является планетой.

Таким образом, планетами Солнечной системы являются: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер,

Сатурн, Уран, Нептун.

По физическим характеристикам планеты Солнечной системы делятся на две группы:

•планеты типа Земли (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и

•планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун).

Средняя плотность планет земной группы – около 5 г/см3, планет-гигантов – немногим более 1

г/см3. Планеты-гиганты вращаются быстрее, чем планеты земной группы. Примерно 98% суммарной массы планет Солнечной системы приходится на долю планет-гигантов. Тепловой поток из недр Юпитера и Сатурна примерно равен потоку тепла, получаемого планетой от Солнца. Тепловой поток, исходящий из недр Земли, пренебрежимо мал по сравнению с притоком тепла от Солнца.

Планеты-гиганты обладают многочисленными спутниками и кольцами.

Спутники планет

Спутником следует считать объект, вращающийся вокруг центрального тела (планеты, карликовой планеты или астероида) так, что барицентр орбиты (центр масс системы) находится внутри центрального тела.

Если барицентр орбиты находится вне центрального тела, объект не должен считаться спутником, а

должен считается компонентом системы, состоящей из двух или нескольких планет (карликовых планет, астероидов).

У Меркурия и Венеры нет естественных спутников. У Земли один естественный спутник – Луна.

Барицентр орбиты Луны находится примерно на расстоянии 4700 км от центра Земли. У Марса два спутника – Фобос и Деймос. У Юпитера известно 63 спутника, у Сатурна ― 62, у Урана ― 27, у

Нептуна ― 14. Все планеты гиганты обладают также системами колец.

Карликовые планеты и их спутники

Карликовая планета, согласно определению МАС (2006), — это небесное тело, которое:

•обращается по орбите вокруг Солнца;

•имеет достаточную массу для того, чтобы под действием сил гравитации поддерживать гидростатическое равновесие и иметь близкую к округлой форму;

•не доминирует на своей орбите (не может расчистить пространство от других объектов);

•не является спутником.

Термин «карликовая планета» был принят в рамках классификации обращающихся вокруг Солнца тел на три категории. Тела, достаточно большие для того, чтобы расчистить окрестности своей орбиты, определены как планеты, а недостаточно большие, чтобы достичь даже гидростатического равновесия, — как малые тела Солнечной системы. Карликовые планеты занимают промежуточное положение между этими двумя категориями.

В настоящее время Международным астрономическим союзом официально признаны пять карликовых планет: Церера, Плутон, Хаумеа, Макемаке, Эрида.

При этом предполагается, что по меньшей мере ещё 40 из известных объектов в Солнечной системе принадлежат к этой категории. По оценкам, может быть обнаружено до 200 карликовых планет в поясе Койпера и до 2000 карликовых планет с учётом объектов за его пределами.

У Плутона известно пять спутников: большой спутник Харон, а также четыре малых спутника – Гидра, Никта, P4 и Р5 (открыт в июне 2012 года). Барицентр системы Плутон – Харон находится вне поверхности Плутона, поэтому Плутон и Харон считают двойной планетой (двойной планетной системой). У двух других карликовых планет (или плутоидов) – Хаумеи и Эриды – также имеются спутники.

Малые тела.

В 2006 году для описания объектов Солнечной системы, которые не являются ни планетами, ни карликовыми планетами, ни их спутниками, введён термин «малое тело Солнечной системы». Это определение касается:

•всех малых планет, в том числе:

•классических астероидов;

•«троянцев», «греков» и «кентавров»;

•транснептуновых объектов (ТНО) (исключая карликовые планеты);

•всех комет.

Пояс Койпера

Пояс Койпера – область Солнечной системы, находящаяся за орбитой Нептуна, на расстоянии,

превышающем 30 а. е. от Солнца. Подобно поясу астероидов, пояс Койпера состоит, главным образом, из малых тел. В отличие от каменных и металлических астероидов Главного пояса, объекты пояса Койпера (ОПК) состоят в основном из замороженного метана, аммиака и воды. В настоящее время известно более 1000 ОПК, и утверждается, что всего в поясе Койпера более 70000 ОПК диаметром около 100 км. В поясе Койпера три из пяти известных в настоящее время карликовых планет – Плутон, Хаумеа и Макемаке. Ещё одна карликовая планета – Эрида – находится в т. н. «рассеянном диске» – удалённой области Солнечной системы, внутренняя часть которой граничит с поясом Койпера.

Гелиосфера.

Гелиосфера — область околосолнечного пространства, в которой плазма солнечного ветра движется от Солнца с некоторой ненулевой скоростью. Извне гелиосфера условно ограничена бесстолкновительной ударной волной, определяемой балансом давлений солнечного ветра и давлением магнитного поля и межзвёздной среды с другой. Первые 10 миллиардов километров скорость солнечного ветра составляет около миллиона километров в час. По мере того, как он сталкивается с межзвёздной средой, происходит его торможение и смешение с ней. Граница, на которой происходит замедление солнечного ветра, носит название границы ударной волны;

граница, вдоль которой уравновешивается давление солнечного ветра и межзвёздной среды, носит название гелиопаузы; граница, на которой происходит столкновение межзвёздной среды с набегающим солнечным ветром — головная ударная волна.

КА «Вояджер-1» (Voyager 1, запущен 5 сентября 1977) пересёк гелиосферную ударную волну в декабре 2004 года на расстоянии 94 а. е. от Солнца. В августе 2007 года КА «Вояджер-2» (Voyager 2,

запущен 20 августа 1977) пересёк границу гелиосферы на расстоянии 84.7 а. е. Т. о., было подтверждено, что в результате движения Солнца гелиосфера имеет вытянутую (каплевидную)

форму.

Облако Оорта

В настоящее время предполагается, что Солнечная система окружена т. н. облаком Оорта, которое служит источником долгопериодических комет. Наблюдениями существование облака Оорта пока не подтверждено.

Предполагаемое расстояние до внешних границ облака Оорта от Солнца составляет от 50000 до

100000 а. е. (около одного светового года). Внешняя граница облака Оорта определяет гравитационную границу Солнечной системы.

Облако Оорта, как предполагают, включает две отдельные области: сферическое внешнее облако Оорта и внутреннее облако Оорта в форме диска. Объекты в облаке Оорта в значительной степени состоят из водяных, аммиачных и метановых льдов. Предполагается, что объекты, составляющие облако Оорта, сформировались около Солнца и были рассеяны далеко в космос гравитационными эффектами планет-гигантов на раннем этапе развития Солнечной системы.

20. Видимые движения планет на фоне звёзд. Нижние и верхние планеты.

Системы мира Клавдия Птолемея, Николая Коперника и Тихо Браге.

Конфигурации планет. Синодические и сидерические периоды обращения планет. Гелиоцентрические и геоцентрические долготы. Парад планет.

Нижние и верхние планеты

По видимым движениям планеты делятся на две группы – нижние (Меркурий и Венера) и верхние

(все остальные, кроме Земли). Нижние планеты не отклоняются далеко от Солнца (Меркурий – на

18–28°, Венера – на 45–48°). Верхние планеты отходят от Солнца на 180°. Видимые движения нижних планет происходят следующим образом. В момент наилучшей вечерней видимости Венера находится в восточной элонгации (в наибольшем угловом удалении от Солнца к востоку). Затем Венера движется попятным движением (с востока на запад) и приближается к Солнцу, проходит между Солнцем и Землёй (нижнее соединение). Затем Венера продолжает двигаться попятным движением и достигает западной элонгации (момента наилучшей утренней видимости), где нижняя планета останавливается. Далее планета двигается прямым движением (с запада на восток), проходит за Солнцем (верхнее соединение) и опять достигает восточной элонгации.

Системы мира Аристотеля – Птолемея, Николая Коперника и Тихо Браге

Гелиоцентрическую концепцию устройства мира предложил ещё Аристотель. Его космология была

основана на следующих положениях:

1.Земля шарообразна и находится в центре Вселенной;

2.Земля неподвижна;

3.Звёзды также неподвижно укреплены на небе и обращаются вместе с ним;

4.Вселенная состоит из ряда концентрических сфер, которые двигаются с различными скоростями и приводятся в движение крайней сферой неподвижных звёзд;

5.В частности, «блуждающие светила» (т.е. планеты) движутся по семи концентрическим кругам.

Для объяснения видимых движений Солнца, Луны, звёзд и планет древнегреческий учёный Клавдий Птолемей на основе представлений Аристотеля о геоцентрической системе мира в труде

«Альмагест» разработал метод расчёта положения планет: планета движется с постоянной скоростью по окружности (эпициклу), центр которой, в свою очередь, с постоянной скоростью движется по другой окружности (деференту). В центре деферента находится неподвижная Земля.

Эпицикл и доферент.

Геоцентрическая система мира была общепризнанной в течение почти 1,5 тысяч лет, однако к середине второго тысячелетия нашей эры точность астрономических наблюдений и измерений была такова, что потребовалось введение нескольких эпициклов для каждой из планет. Система расчётов становилась всё более и более запутанной. Этот и некоторые другие факторы привели к появлению новой системы мира – гелиоцентрической.

В труде «Об обращениях небесных сфер» (1543) Николай Коперник разработал гелиоцентрическую систему мира:

1.В центре мира находится Солнце;

2.Шарообразная Земля вращается вокруг своей оси и это вращение объясняет кажущееся суточное движение всех светил;

3.Земля, как и другие планеты, обращается вокруг Солнца по окружности, и это обращение объясняет видимое движение Солнца среди звёзд;

4.Все движения представляются в виде равномерных круговых движений;

5.Кажущиеся прямые и попятные движения планет принадлежат не им, а Земле.

В результате анализа наблюдательных данных Коперник пришёл к выводу, что все планеты, в т. ч. и

Земля, движутся вокруг Солнца примерно в одной плоскости. Луна движется вокруг Земли и, как спутник, вместе с Землёй – вокруг Солнца. Т. к. Меркурий и Венера (нижние планеты) в видимых

движениях не отходят далеко от Солнца, то их орбиты расположены ближе к Солнцу, чем орбита Земли. Чем дальше внутренняя планета отходит от Солнца, тем больше радиус её орбиты. Остальные планеты (Марс, Юпитер и Сатурн – верхние планеты) обращаются вокруг Солнца на более далёком расстоянии, чем Земля. Чем медленнее движется внешняя планета, тем дальше она расположена от Солнца.

Первоначально гелиоцентрическая система мира Коперника была воспринята только как более удобный способ расчёта положений планет, однако в последствии выяснилось, что она резко противоречит представлениям католической церкви об устройстве мира. В результате этого гелиоцентрическая система мира Коперника оказалась под запретом.

В конце XVI века Тихо Браге предложил свою компромиссную гео-гелиоцентрическую систему мира, которая представляла собой комбинацию учений Птолемея и Коперника: Солнце, Луна и звёзды вращаются вокруг неподвижной Земли, а все планеты и кометы — вокруг Солнца.

С расчётной точки зрения эта модель ничем не отличалась от системы Коперника, однако имела одно важное преимущество, особенно после суда над Галилеем: она не вызывала возражений у инквизиции.

Прямое доказательство движения Земли вокруг Солнца (аберрация света) появилось только в 1727

году, но фактически система Браге была отвергнута большинством учёных ещё в XVII веке как неоправданно и искусственно усложнённая по сравнению с системой Коперника-Кеплера.

Конфигурации планет. Гелиоцентрические и геоцентрические долготы. Синодические и сидерические периоды обращения планет. Парад планет.

Конфигурации нижних и верхних планет. Нижняя планета: V1 –

восточная элонгация; V3 – западная элонгация; V2 – нижнее

соединение; V4 – верхнее соединение. Верхняя планета: М1 – восточная квадратура; М3 – западная квадратура; М2 – соединение; М4 –

противостояние Условия наблюдения небесных тел с поверхности Земли (прежде всего

планет и Луны) зависит от их положения по отношению к Земле и Солнцу. Различные взаимные расположения планет (и Луны)

относительно Земли (Т) и Солнца (С) называют конфигурациями.

Гелиоцентрические и геоцентрические долготы Положение небесных тел на орбите задается их

геоцентрическими (обозначаются λ) и гелиоцентрическими

(обозначаются обычно l – для планет и L – для Земли)

долготами, отсчитываемыми от направления на точку весеннего равноденствия. В этом случае основные конфигурации могут быть легко описаны соотношениями между этими координатами. Так, для разных конфигураций

нижних планет разность (l – L) равна: V1 → 270° + θ, V2 → 0°, V3 → 90° - θ, V4 → 180°, где θ – угол наибольшего видимого отклонения планеты от Солнца (для Венеры θ = 45–48°, а для Меркурия θ =

18–28°). Для верхних планет, соответственно, разность (l – L) равна: М2 → 180°, М4 → 0°.

Синодическим периодом обращения (S) планеты называется промежуток времени между двумя её последовательными одноимёнными конфигурациями.

Сидерическим, или звёздным, периодом обращения (T) планеты называется промежуток времени, за который планета совершает один полный оборот вокруг Солнца. Сидерический период обращения Земли называется звёздным годом (TT). Непосредственно из наблюдений с Земли можно определить только TT и синодические периоды планет. Периоды S, T и TT связаны уравнением синодического движения: если ω = 360°/T – угловое смещение планеты за сутки, ωT = 360°/TT – угловое смещение Земли за сутки, то Δω = |ω – ωT| – видимое угловое смещение планеты за сутки, и 1/S = |1/T – 1/TT|.

Характерным примером конфигураций является противостояние, когда верхняя планеты (Марс,

Юпитер и т. д.) и Земля находятся на одной прямой с Солнцем с одной стороны от него. Причем, для случая нахождения Земли в этот момент в афелии, а планеты (например, Марса) в перигелии расстояние между ними будет минимально. Так, для Марса по отношению к Земле все противостояния, при которых расстояние между этими планетами не превышает 0,4 а.е., называются великими. Последнее из великих противостояний произошло в конце августа 2003 года.

Все планеты движутся по орбитам в прямом направлении вокруг Солнца (с запада на восток, или против часовой стрелки, если смотреть на Солнечную систему со стороны северного полюса эклиптики). Однако видимое движение планет является петлеобразным, поскольку для наблюдателя оно определяется наложением двух движений – Земли и планеты. Если нижние планеты движутся по своим орбитам быстрее Земли, то верхние, наоборот, медленнее. Поэтому вблизи противостояния для земного наблюдателя, который движется быстрее, верхняя планета будет казаться движущейся в направлении, противоположном прямому, т.е. с востока на запад или, как говорят, попятно. Нижние планеты, когда они проходят по отношению к Земле перед Солнцем, тоже для нас будут видны как совершающие попятное движение.

Длина дуги попятного движения планеты для круговой орбиты определится выражением ψ = (360° – 2θ0) – 2nτ, где n – среднее суточное движение планеты, 2τ – продолжительность понятного движения в сутках, θ0 – элонгация (угол видимого с Земли отклонения планеты от Солнца) планеты, tgθ0 = a sinφ0/(a cosφ0 + 1), θ0 < 180°, где а – радиус орбиты в астрономических единицах. Угол φ0 находится из формулы: cosφ0 = (na2 + n12)/(a(n + n1)), где n1 и n – среднее суточное движение Земли и планеты,

соответственно. Среднее суточное движение планет определяется из соотношения n = 360°/T.

Под парадом планет понимают астрономическое явление, при котором несколько планет Солнечной системы находятся в секторе с углом раствора не более 30°. Объяснение видимых движений планет и других небесных тел осложняется тем, что все эти движения наблюдаются с Земли, о характере движения которой не указывает ничто в наблюдениях небесных и земных явлений.

21. Общая характеристика планет земной группы. Внутреннее строение и

химический состав. Поверхности планет. Типичные формы рельефа.

Астроблемы. Атмосферы.

Общие характеристики планет зеиной группы. Внутреннее строение и химический состав.

Все планеты земной группы имеют твёрдые оболочки, в которых сосредоточена почти вся их масса

(> 99.99%). Твёрдые оболочки планет находятся в гидростатическом равновесии, несмотря на фазовое состояние, т. к. предел текучести горных пород (для Земли) соответствует весу столба единичного сечения высотой всего около 10 км. Форма небольших спутников планет и астероидов может заметно отличаться от сферической.

Модели твёрдых оболочек планет земной группы строятся на основании данных о свойствах вещества земных недр, характеристики которых хорошо известны благодаря сейсмическим исследованиям.

По аналогии с Землёй выделяются кора – самая внешняя и тонкая (10–100 км) твёрдая оболочка,

мантия – твёрдая и толстая (1000–3000 км) оболочка и ядро. У Земли ядро подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твёрдое). Жидкое ядро, вероятнее всего, есть у Меркурия и,

вероятнее всего, отсутствует у Венеры.

Наиболее распространённые химические элементы твёрдой оболочки Земли: Fe (34.6%), O (29.5%), Si (15.2%), Mg (12.7%). Земная кора состоит в основном из окислов кремния (SiO2) и алюминия

(Al2O3). Ядро, по-видимому, состоит из железа.

Поверхности планет и типичные формы рельефа

Очевидно, что имеет смысл говорить о поверхности планет только земной группы. Поверхности планет формируют две группы процессов – эндогенные (внутренние) и экзогенные (внешние).

Основные эндогенные процессы – это тектоническая и вулканическая деятельность.

Маринер – гигантский разлом протяжённостью более 4500 км на поверхности Марса Складки тектонического происхождения (горные цепи) хорошо выражены только на Земле. Долины тектонического происхождения (разломы) имеются на Земле, Венере, Марсе.

В настоящее время активность вулканических процессов в наибольшей степени характерна для Земли (и спутника Юпитера Ио). Криовулканизм достоверно установлен на спутниках Сатурна Титане и Энцеладе, а также на спутнике Нептуна Тритоне. Кроме Земли, вулканические горы имеются на Марсе, Венере, Луне.

Один из важнейших экзогенных процессов – переработка поверхности в результате падения метеоритных тел, образующих кратеры и измельчающих материал поверхности. К числу экзогенных процессов относится также механическая эрозия под действием ветра, осадков, воды, ледников.

На Земле большой вклад в формирование поверхности вносит атмосферная, водная и ледниковая эрозия. Признаки действия экзогенных процессов такого типа имеются и на Марсе, но они выражены слабее.

На поверхности всех тел, лишённых плотной атмосферы и обладающих относительно слабой тектонической активностью, наиболее важный процесс – это метеоритная бомбардировка.

Ударные кратеры на поверхности Земли часто называют астроблемами. Наиболее известные кратеры на поверхности Земли: Аризонский (США), Маникуаган (Канада) и др. Диаметр Аризонского кратера составляет 1200 метров, глубина – 170 метров. Он возник около 50 тысяч лет назад после падения 50-метрового метеорита с массой около 300 тысяч тонн и летевшего со скоростью 12–20

км/с. Современный диаметр кратера Маникуаган равен 71 км. Он сформировался 214 млн. лет назад в результате столкновения Земли с астероидом диаметром 5 км.

Астроблема.

Вблизи Минска расположена самая известная астроблема Беларуси – Логойская. Около 40 млн. лет назад вблизи современного Логойска с Землёй столкнулся каменный астероид диаметром около 600

м и массой 400 млн. тонн. В момент столкновения скорость астероида составляла около 18 км/с.

Таким образом, можно выделить следующие типичные формы рельефа планет земной группы и спутников планет:

1.Континентальные блоки и «океанические впадины» имеются на Земле, Марсе и Венере, но только на Земле впадины заполнены водой.

2.Горные цепи (складки тектонического происхождения) ярко выражены только на Земле.

3.Долины тектонического происхождения (разломы) имеются на Земле, Венере, Марсе.

4.Вулканические горы имеются на Земле, Луне, Марсе, Венере, Ио. Действующие (не криогенные) вулканы (кроме земных) достоверно обнаружены только на Ио.

5.Ударные (метеоритные) кратеры – наиболее распространённая форма рельефа на поверхности тел Солнечной системы, лишённых атмосферы или имеющих достаточно разреженную атмосферу.

6.Бассейны – округлые низменности диаметром от 100 до 2500 км. Имеются на Луне (лунные моря), Марсе, Меркурии. Образовались в результате падения крупных планетезималей (зародышей планет) около 4 млрд. лет назад.

7.Образования, связанные с водой и ледниковой эрозией, с переносом пылевого вещества ветром, наблюдаются только на Земле и Марсе.

Атмосферы.

Три планеты земной группы (Венера, Земля и Марс) обладают плотными газовыми атмосферами.

Меркурий практически лишён атмосферы. У планет земной группы атмосферы имеют так называемое вторичное происхождение (тектоническое, вулканическое, биологическое (у Земли) и т.

п.). Они состоят в основном из «тяжелых» газов: у Земли – это в основном азот N2 (78%), кислород

O2 (21%) и аргон Ar (0,9%), у Венеры – углекислый газ CO2 (96,5%) и азот N2 (3,5%), у Марса – углекислый газ CO2 (95%), азот N2 (2,7%), аргон Ar (1,6%) и кислород O2 (0,13%). В отличие от атмосфер Венеры и Марса, в атмосфере Земли аномально много азота и практически отсутствует углекислый газ. Во Вселенной в целом углерода больше, чем азота; кроме этого, в межзвёздной среде (а, следовательно, и в протосолнечной системе) углерод существует в виде графитовых пылинок и органических соединений, а азот – в виде очень летучего газа N2. Таким образом,

зародышам планет гораздо легче захватывать твёрдые углеродистые соединения, чем азот, и поэтому неудивительно, что на Венере и Марсе наблюдаются атмосферы с доминированием углерода в форме СО2.

На Земле же при помощи и содействии богатой жизнедеятельности морских форм жизни двуокись углерода растворялась в воде и образовывала углеродистые породы. Если экстрагировать весь СО2,

содержащийся в связанном состоянии в известковых породах, то атмосферное содержание СО2

повысилось бы до 95% при давлении в 70 атмосфер, а земная атмосфера стала бы весьма похожей на венерианскую.

Совсем иной состав атомосферы Юпитера и других планет-гигантов. Там главные составляющие – водород H2 (84–90%) и гелий He (10–16%), т. е. элементы, наиболее распространенные в космосе.

Вертикальная структура планетной атмосферы определяется температурой, составом и силой тяжести. Давление убывает в e раз при изменении высоты на величину H, которая дается формулой: H = RT/(μg), где T – температура, R – газовая постоянная, μ – молекулярная масса, g – ускорение силы тяжести. Эта формула называется барометрической, она выводится из условия гидростатического равновесия атмосферы. Величина H называется шкалой высоты или высотой однородной атмосферы. Если параметры, от которых зависит H, изменяются с высотой, то выражение для шкалы высоты надо применять для бесконечно узких слоев.