2.10.2. Лекция №18 Большие планеты Солнечной системы

Рисунок 66. Схематическое изображение Солнечной системы

Рисунок 67. Сравнительные размеры больших планет

По физическим характеристикам планеты делятся на 2 группы

1. планеты типа Земли (Меркурий, Венера, Земля, Марс);

2. планеты – гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун).

О Плутоне известно мало, считается, что он ближе к первой группе.

Спутники есть у Земли, Марса, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона.

Луна – спутник Земли, но по массе не очень сильно отличается от Земли. Поэтому есть основание систему Земля – Луна считать двойной планетой. Такой же является система Плутон – Харон.

Таблица 10. Некоторые характеристики планет Солнечной системы

Таблица 11. Физические характеристики планет

Основные различия:

- планеты – гиганты значительно больше по размерам и массе;

- планеты – гиганты значительно меньше по плотности;

- планеты – гиганты имеют многочисленные семейства спутников;

- Юпитер, Сатурн, Уран обладают кольцами;

- тепловой поток из недр Юпитера и Сатурна примерно равен потоку, излучаемому от Солнца;

- тепловой поток из недр Земли пренебрежимо мал по сравнению с притоком энергии от Солнца. Так же, по – видимому, у планет всей земной группы;

- у планет земной группы твердая поверхность, у планет гигантов такой поверхности нет;

- у планет – гигантов быстрое осевое вращение;

- у планет – гигантов протяженные гелиево – водородные атмосферы с небольшим содержанием аммиака (NH₃) и метана (CH₄).

- около 98% массы планет приходится на долю планет – гигантов.

Физические характеристики планет земной группы изучены радарными технико – космическими средствами.

Планеты – гиганты изучены хуже, чем планеты земной группы по причинам:

- меньше аналогии с теми явлениями, которые наблюдаются на Земле;

- расстояния до планет – гигантов значительно больше.

Таблица 12. Химический состав некоторых планет

Обратить внимание на содержанием кислорода и водорода в атмосферах Земли и Юпитера и среднюю молярную массу атмосфер.

2. Земля.

Земля – третья от Солнца планета.

Форма – сфероид.

Экваториальный радиус R₀= 6378 км.

Средний R_с= 6371 км.

Масса ≈ 5,98*10²⁴ кг.

Масса определена по гравитационной постоянной G=6,674*10^-11 м³ кг^-1с^-2 и ускорению g силы тяжести на земной поверхности.

Из опыта с математическим маятником на экваторе:

⇒ g = 9,780 .(4)

Т_м- период колебаний из эксперимента.

Гравитационные ускорения

g₀ = g + g_ц (5)

g_ц – центробежное ускорение, следствие вращения Земли.

На экваторе:

g_ц = (6)

g_ц =

Т_з – период вращения Земли. Т_з = 23^ч56^м04^с = 86164 с.

Тогда g₀ = 9,78 + 0,034 = 9,814

Из закона Всемирного тяготения

g₀ = (7)

= 5.98 * 10²⁴ кг.

На произвольной широте ускорение силы тяжести

g_φ = g + (g₉₀ - g) sin²φ (8)

g = 9.780 – на экваторе, g₉₀ = 9,833 на полюсе.

Гравитационные аномалии – отклонение ускорения силы тяжести от g_ц вследствие неоднородности.

В земном шаре выделяют три оболочки: атмосфера, гидросфера, литосфера. Соответственно 3 агрегатных состояния: газообразное, жидкое, твердое. Атмосферой обладают большинство планет солнечной системы, твердая оболочка – у планет земной группы, спутников планет и астероидов. Гидросфера Земли – уникальное явление в солнечной системе. Для существования воды в жидком виде необходимы определенные температуры и давления.

Вода – распространенное химическое соединение во Вселенной, в основном в твердой фазе.

Атмосфера по химическому составу приблизительно: 78% - азот, 21% - кислород, 0,9% - аргон, 0,03% -углекислый газ. В очень малом количестве неон, гелий, водород, метан и др. газы. Содержание водяных паров от 0,2% в полярных зонах до 3% - в экваториальных, во многом зависит от температуры. С высотой относительное содержание газов изменяется. Выше 10 – 15 км.над земной поверхностью водяных паров почти нет.

Атмосфера делится на 4 основных слоя:

- тропосфера;

- стратосфера;

- мезосфере;

- термосфера (ионосфера).

Тонкий слой озона (О₃) находится в нижней части стратосферы.

На высоте 150 км давление ~ 10^-9Па. Здесь в основном гелий, водород, которые постепенно покидают атмосферу.

Литосферу изучает геология, сейсмология.

Рисунок 681. Схема внутреннего строения Земли.

Слои Земли: кора, мантия, ядро.

Толщина земной коры 6-70 км. Температура коры вглубь Земли возрастает (по данным бурения скважины на Кольском полуострове) за счет тепловых потоков из горячих недр земли. По всей глубине скважины обнаружены газы (гелий, водород, азот, метан и др. углеводороды) и протоки воды с высоким содержанием брома, йода и тяжелых металлов.

Мантия состоит из базальтов и силикатов в расплавленном вязком состоянии. В мантии формируются очаги крупных землетрясений, вулканизма.

Географические полюса Земли блуждают на 0",4 в пределах квадрата со стороной около 24 м. Это блуждание изучает специальная международная служба движения полюсов (МСДП) в составе 5 станций (Япония, США(2), Италия, Узбекистан)

Магнитное поле Земли ~0,5 Э (5 мТл). Оно близко к магнитному полю диполя. Геомагнитные полюсы не совпадают с географическими. Геомагнитный экватор наклонен к географическому на угол 11º,5.

Магнитосфера препятствует прямолинейному распространению солнечного ветра. Солнечный ветер ограничивает магнитное поле Земли, образуя магнитосферу. Ее протяженность около 10 земных радиусов в сторону Солнца и ~12000 км – в противоположном направлении. Это хвост магнитосферы.

Рисунок 69. Магнитосфера и радиационный пояс Земли.

Происхождение магнитного поля планет объясняют динамо – механизмом. Из – за высокой температуры жидкое ядро имеет заметную проводимость. Если в ядре есть хотя бы слабое магнитное поле, то гидродинамическое движение при пересечении магнитного поля вызывает электрический ток, который создает магнитное поле. Усиление поля усилит ток. Процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением тока потери на джоулево тепло уравновесят приток энергии, поступающий за счет гидродинамических движений.

Для формирования сильного магнитного поля необходимы и другие факторы (примитивное взаимодействие с другими телами (Солнце в случае с Меркурием, Луна в случае Земли).

Полярные сияния: в высоких широтах силовые линии магнитного поля сгущены и почти перпендикулярны к земной поверхности. Частицы солнечного ветра двигаясь почти вдоль линий поля проникают в ионосферу, создавая ионизацию и свечение на высоте от 400 до 1000км.

Радиационные пояса Земли – области в магнитосфере, в которой частицы (протоны и электроны) солнечного ветра, захваченные магнитным полем, двигаются по спиральным траекториям. Это кольцо – утолщенное вокруг геомагнитного экватора Земли.

Эволюция Земли на более поздней стадии может быть восстановлена по свидетельствам, полученным при изучении горных пород коры.

Рисунок 70. Спиральные «часы», показывающие, как развертывалась эволюция Вселенной