Законы Кеплера

Законы Кеплера — три эмпирических соотношения, интуитивно подобранных Иоганном Кеплером на основе анализа астрономических наблюдений Тихо Браге. Описывают идеализированную гелиоцентрическую орбиту планеты. В рамках классической механики выводятся из решения задачи двух тел предельным переходом / → 0, где , —массы планеты и Солнца.

Первый закон Кеплера (закон эллипсов)

Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Форма эллипса и степень его сходства с окружностью характеризуется отношением , где — расстояние от центра эллипса до его фокуса (половина межфокусного расстояния), — большая полуось. Величина называется эксцентриситетом эллипса. При и эллипс превращается в окружность.

Второй закон Кеплера (закон площадей)

Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади.

Применительно к нашей Солнечной системе, с этим законом связаны два понятия: перигелий — ближайшая к Солнцу точка орбиты, и афелий — наиболее удалённая точка орбиты. Таким образом, из второго закона Кеплера следует, что планета движется вокруг Солнца неравномерно, имея в перигелии большую линейную скорость, чем в афелии.

Каждый год в начале января Земля, проходя через перигелий, движется быстрее, поэтому видимое перемещение Солнца по эклиптике к востоку также происходит быстрее, чем в среднем за год. В начале июля Земля, проходя афелий, движется медленнее, поэтому и перемещение Солнца по эклиптике замедляется. Закон площадей указывает, что сила, управляющая орбитальным движением планет, направлена к Солнцу.

Третий закон Кеплера (гармонический закон)

Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет. Справедливо не только для планет, но и для их спутников.

, где и — периоды обращения двух планет вокруг Солнца, а и — длины больших полуосей их орбит.

Ньютон установил, что гравитационное притяжение планеты определенной массы зависит только от расстояния до неё, а не от других свойств, таких, как состав или температура. Он показал также, что третий закон Кеплера не совсем точен — в действительности в него входит и масса планеты: , где — масса Солнца, а и — массы планет.

Поскольку движение и масса оказались связаны, эту комбинацию гармонического закона Кеплера и закона тяготения Ньютона используют для определения массы планет и спутников, если известны их орбиты и орбитальные периоды.

Планеты земной группы

Все они имеют твердые оболочки; наиболее обильные химические элементы в твердой оболочке: железо, кислород, кремний, магний. Жидкая оболочка — гидросфера имеется только у Земли. На Марсе жидкой воды нет, но есть лед Н20 в полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). Венера, Земля и Марс окружены газовой атмосферой. Особенно мощная атмосфера у Венеры, давление ее у поверхности планеты составляет 90 атм, у Земли — 1 атм, у Марса — 0,006 атм. Основные компоненты атмосферы на Венере и Марсе — углекислый газ и азот (на Земле — кислород и азот). У Меркурия атмосферы практически нет. Жидкое ядро имеется у Меркурия, Венеры и Земли, у Марса оно, по-видимому, отсутствует. Все планеты земной группы имеют слабое магнитное поле, у Меркурия оно в 100 раз слабее земного, у Марса — в 104 раз слабее, у Венеры — в 105 раз.

Температура на поверхности Меркурия в полдень составляет 750 К (477 °С), а в полночь падает до 100 К (-173 °С); на Венере, под ее мощной атмосферой, создающей сильный парниковый эффект, средняя температура поверхности 735 К (462 °С); на Марсе в полдень температура достигает 280 К (7 °С), а в полночь составляет 150 К (-123 °С). Сезонные вариации температуры возникают из-за наклона плоскости экватора планеты к плоскости ее орбиты; помимо Земли они еще имеют место на Марсе и практически отсутствуют на Венере. На Меркурии сезонные изменения температуры связаны с заметной эллиптичностью его орбиты: в перигелии он получает вдвое больше тепла, чем в афелии.

Рельеф поверхности планет земной группы отличается большим разнообразием. Самые крупномасштабные элементы поверхности — континентальные блоки и океанические впадины. Имеются они на Земле, Марсе и Венере. Характерной особенностью рельефа являются также горные цепи и долины. В формировании рельефа поверхности планет земной группы, помимо внутренних факторов (тектоническая деятельность, вулканы, эрозия), существенную роль играют падения метеоритов, особенно у планет, не имеющих мощной атмосферы. У Марса и Меркурия метеоритные кратеры — наиболее распространенная форма рельефа, имеются они также на Земле и Венере. На Марсе в результате исследования космическими аппаратами «Викинг» обнаружены образования, связанные с водной эрозией — извилистые долины, русла высохших рек, свидетельствующие о том, что в далеком прошлом на Марсе была вода и более плотная атмосфера. Существует гипотеза, согласно которой большие запасы воды сохраняются над поверхностью Марса.

Две внутренние планеты — Меркурий и Венера, не имеют спутников; у Земли один спутник — Луна; у Марса два спутника — Фобос и Деймос, это небольшие тела неправильной формы, напоминающие астероиды.

Планеты-гиганты отличаются от планет земной группы не только своими размерами, но также строением и составом. В их составе мало тяжелых элементов, преобладают самые легкие элементы — водород и гелий. В этом отношении состав планет-гигантов близок к солнечному. Различие в составе планет земной группы и планет-гигантов объясняется различными условиями их образования. В то время, когда формировались планеты, интенсивное коротковолновое излучение молодого Солнца и солнечный ветер «выдули» большую часть легких газов (водород, гелий) из внутренних частей протопланетного облака, где формировались планеты земной группы. В соответствии с различием в составе, средняя плотность планет-гигантов значительно ни лее, чем у планет земной группы.

Строение планет-гигантов также имеет общие черты. В центре их находится каменистое ядро, к которому примыкает ледяная оболочка — мантия, состоящая, в основном, из водяного льда, а также замерзшего метана и аммиака; над ней простирается очень мощная, протяженная и плотная атмосфера с толстым облачным слоем. У Юпитера и Сатурна атмосфера состоит, в основном, из водорода и гелия с примесью различных аэрозолей. Давление у основания атмосферы столь велико, что водород здесь находится в жидком состоянии, а еще ниже, в слое, примыкающем к ледяной мантии, — в металлической фазе. Ядро Юпитера составляет всего 4% его массы, у Сатурна оно уже дос-тигает 25 %, а у Урана и Нептуна — 90 % полной массы. Внешняя газожидкая оболочка Юпитера, Урана и Нептуна состоит из водорода, гелия, метана и аммиака. Температура видимой поверхности Юпитера (облачного слоя) составляет приблизительно 130 К (-143 °С), а у остальных планет, которые расположены дальше от Солнца, она еще ниже; самая удаленная из планет-гигантов Нептун имеет температуру порядка 60 К (-213 °С). Все планеты-гиганты имеют магнитное поле, особенно сильное оно у Юпитера. Его магнитосфера является источником мощного радиоизлучения, обнаружено радиоизлучение и у Нептуна.

Важной особенностью планет-гигантов является наличие у каждой из них целого семейства спутников. Еще до начала космических исследований с помощью наземных телескопов у Юпитера было обнаружено 12 спутников, у Сатурна — 10, у Урана — 5, у Нептуна — 2. Исследования с помощью космических аппаратов, побывавших в окрестностях этих планет, позволили обнаружить новые, неизвестные ранее небольшие спутники. В настоящее время общее число спутников, обнаруженных в системе Юпитера, достигло 40, у Сатурна обнаружено 30, у Урана — 21, у Нетуна — 11 спутников. Самым крупным спутником в Солнечной системе является спутник Юпитера Ганимед, его диаметр (5280 км) превосходит диаметр Меркурия. Один из самых интересных — спутник Сатурна Титан. Его диаметр 5150 км, масса почти вдвое превышает массу Луны. Титан обладает довольно мощной атмосферой, давление ее у поверхности спутника 1,6 атм. Состав атмосферы: 90 % азота, 9 % аргона, 1 % метана, имеется также небольшое количество аммиака, цианистого водорода и этана. Облака спутника состоят из капелек жидкого метана. У Титана обнаружено слабое магнитное поле. Вторым спутником, у которого имеется атмосфера, является спутник Нептуна Тритон. Его диаметр 2700 км, масса немного превышает массу Луны. Следы атмосферы имеются и у спутника Юпитера Ио. Хотя Ио не способен удержать атмосферу, она постоянно пополняется за счет вулканических извержений. Вулканическая деятельность Ио была обнаружена во время полета «Вояджеров». Вулканы Ио выбрасывают вещество со скоростью 1 км/с на высоту в сотни километров. Это во много раз превышает скорость и высочу выбросов при извержении вулканов на Земле. Обнаружена слабая атмосфера у еще одного спутника Юпитера — Европы.

С системой спутников связана еще одна особенность планет-гигантов: наличие у них колец. Наиболее ярко выраженное кольцо — у Сатурна, оно было открыто еще на заре телескопических наблюдений. В последние годы обнаружены кольца также у Юпитера, Урана и Нептуна (последние два с помощью космических аппаратов). Кольца образованы совокупностью небольших тел размером от нескольких микрометров до нескольких метров. Они расположены на таком расстоянии от каждой планеты, где сильны вызванные ее тяготением приливные силы. Считается, что кольца представляют собой тот остаточный материал, из которого должен был бы сформироваться очередной спутник, но процесс этот не состоялся из-за разрушительного действия приливных сил планеты.

Последняя планета Солнечной системы Плутон представляет собой небольшое тело диаметром 2280 км, средняя плотность его 2 г/см3, значит, в основном он состоит из камня и льда. Температура поверхности Плутона около 43К (-230 °С). Атмосфера есть, но очень разрежена, давление у поверхности составляет несколько микробар. В основном, она состоит из метана и азота. В газообразном состоянии атмосфера существует только тогда, когда Плутон находится вблизи перигелия. Однако большую часть своего долгого года (248 земных лет) он находится очень далеко от Солнца, и тогда атмосфера его полностью вымерзает. Очень близко к Плутону, на расстоянии около 20 тысяч км, обращается его спутник Харон, он имеет размеры примерно такого же порядка, как и Плутон (всего в два раза меньше). Фактически это двойная планета.

По своим характеристикам Плутон существенно отличается от других планет Солнечной системы и как бы «не вписывается» в общую схему ее строения. В последнее время у ученых появились сомнения, насколько правомерно относить Плутон к большим планетам. Возможно, это обычный транснептуновый объект (плугино), только самый массивный. Но астрономы — люди консервативные, и они не спешат лишить Плутон статуса 9-й планеты.

Пространство между планетами заполнено мелкими пылевыми частицами. Они образуются от дробления астероидов и метеоритных тел (при их столкновениях), а также при распаде периодических комет. Рассеяние солнечного света на частицах межпланетной пыли создает красивую картину Зодиакального света — слабое конусообразное свечение, которое в средних широтах можно наблюдать в весенние месяцы в западной части неба после окончания весенних сумерек, или осенью — перед началом утренних сумерек, на востоке. Помимо пылевых частичек, межпланетное пространство заполнено частицами солнечного вещества — плазмой с «вмороженными» в нее магнитными полями. Этот намагниченный ионизированный газ движется от Солнца со скоростью сотни километров в секунду, образуя так называемый «солнечный ветер». Межпланетное пространство пронизано также электромагнитным излучением, космическими лучами, гравитационными волнами и нейтрино, а возможно, и другими неизвестными нам полями.

Солнечная система со всеми ее планетами, их спутниками, кометами, астероидами и межпланетной средой представляет собой гот дом, в котором мы живем. Это наш макрокосмос, по отношению к которому человек является микрокосмом. Центром Солнечной системы, ее сердцем является Солнце.

Диаметр Солнца 1 400 ООО км — в 109 раз больше диаметра Земли. Масса Солнца 2 • 1030 кг — в 330 ООО раз больше массы Земли и в 743 раза больше массы всех планет Солнечной системы; иными словами, в Солнце сосредоточено 99,87% всей массы Солнечной системы. Солнце вращается вокруг своей оси с периодом 25,4 земных судок. Вещество Солнца состоит на 71% из водорода, на 26% из гелия, оставшиеся 3% приходятся на все остальные химические элементы. С поверхности Солнца, которая нагрета до температуры 6000 К, излучается гигантская (по нашим земным меркам) энергия

4-1026 Вт, большая часть ее приходится на видимую часть спектра. Этот поток света и тепла играет определяющую роль в процессах, происходящих в атмосферах и на поверхности планет, он является источником, поддерживающим органическую жизнь на нашей планете. Откуда же берется эта энергия?

В недрах Солнца идут ядерные реакции. Зона реакций — ядро Солнца, занимающее 1% его объема, но содержащее почти половину его массы; температура здесь достигает 10-15 млн градусов, давление 40 млрд атмосфер. Вырабатываемая энергия переносится к наружным слоям в виде излучения. На глубине 100-200 тыс. км под поверхностью Солнца находится конвективная зона, температура в ней 104— 106 К, давление — 10й атм. Ядерные реакции в ней не идут, а энергия переносится не с помощью излучения, а самими элементами вещества. Ячейки горячего газа со скоростью несколько километров в секунду поднимаются к поверхности Солнца и, излучая свет, охлаждаются. Охлажденный газ становится плотнее и погружается в глубь конвективной зоны, где вновь нагревается и поднимается вверх.

Видимая глазом блестящая поверхность Солнца, его фотосфера, расположена непосредственно над конвективной зоной. Толщина фотосферы около 400 км. Может показаться, что это довольно протяженная оболочка, но если принять во внимание размер Солнца, фотосфера составляет всего около 0,03% от его диаметра, т. е. это очень тонкая оболочка. Фотосфера представляет собой основание солнечной атмосферы. Расположенные над ней внешние слои (хромосфера и корона) прозрачны и поэтому в обычных условиях не видны глазом. Их можно видеть вокруг диска Солнца лишь в редкие минуты полного солнечного затмения.

Планеты гиганты

Солнечная система - это спаянная силами взаимного притяжения система небесных тел. В нее входят: центральное тело - Солнце, 9 больших планет с их спутниками, несколько тысяч малых планет, или астероидов, несколько сот наблюдавшихся комет и бесчисленное множество метеорных тел.

Большие планеты подразделяются на две основные группы: планеты земной группы - Меркурий, Венера, Земля и Марс - и планеты юпитерианской группы, или планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. В этой классификации нет места Плутону: и по размерам, и по свойствам он ближе к ледяным спутникам планет-гигантов.

Различие планет по физическим свойствам обусловлено тем, что земная группа формировалась ближе к Солнцу, а планеты-гиганты - на очень холодной периферии Солнечной системы. Планеты земной группы сравнительно малы и имеют большую плотность. Основными их составляющими являются силикаты и железо. У планет-гигантов нет твердой поверхности. За исключением небольших ядер, они образованы преимущественно из водорода и гелия и пребывают в газожидком состоянии. Атмосферы этих планет, постепенно уплотняясь, переходят в жидкую мантию.

В курсе астрономии за одиннадцатый класс мы изучили много интересного материала, связанного с происходящими в космосе явлениями, рассмотрели много планет, изучили строение галактик. Особенно меня заинтересовала физическая природа наших “огромных” соседей по Солнечной системе - планет-гигантов. В школьном учебнике астрономии содержится недостаточно материала об этих удивительных небесных телах.

Я решил наиболее подробно познакомиться с интересующей меня темой: “ПЛАНЕТЫ-ГИГАНТЫ”, изучив при этом дополнительную научно-популярную литературу. При написании реферата я ставил задачи: выяснить особенности физических свойств планет-гигантов, их основные характеристики, отличие от планет земной группы и найти черты сходства и различия между собой, сколько у них спутников, каково их внутреннее строение и структурные особенности колец.

§ 1. Гигант Юпитер.

1.1. Юпитер. Общая характеристика.

Юпитер - пятая по расстоянию от Солнца и самая большая планета Солнечной системы - отстоит от Солнца в 5,2 раза дальше, чем Земля, и затрачивает на одни оборот по орбите почти 12 лет. Экваториальный диаметр Юпитера 142 600 км (в 11 раз больше диаметра Земли). Период вращения Юпитера - самый короткий из всех планет - 9ч.50 мин.30с. на экваторе и 9ч.55мин.40с. в средних широтах. Таким образом, Юпитер, подобно солнцу, вращается не как твёрдое тело - скорость вращения неодинакова в разных широтах. Из-за быстрого вращения эта планета имеет сильное сжатие у полюсов. Масса Юпитера равна 318 массам Земли. Средняя плотность 1,33 г/см, что близко к плотности Солнца. Ось вращения Юпитера почти перпендикулярна к плоскости его орбиты (наклон 87 5о). Даже в небольшой телескоп видно полярное сжатие Юпитера и полосы на его поверхности, параллельные экватору планеты. Видимая поверхность Юпитера представляет собой верхний уровень облаков, окружающих планету. Благодаря этому все детали на поверхности Юпитера постоянно меняют свой вид.

1.2. Состав планеты.

Из устойчивых деталей известно Большое Красное пятно, наблюдающееся уже более 300 лет. Это - громадное овальное образование, размерами около 35 000 км по долготе и 14 000 по широте между Южной тропической и Южной умеренной полосами. Цвет его красноватый, но подвержен изменениям. Спектральные исследования Юпитера показали, что атмосфера его состоит из молекулярного водорода и его соединений: метана и аммиака. В небольших количествах присутствуют также этан, ацетилен, фосфен и водяной пар. Облака Юпитера состоят из кристалликов и капелек аммиака. В декабре 1973 г. с помощью американского космического аппарата "Пионер-10" удалось обнаружить наличие гелия в атмосфере Юпитера и измерить его содержание. Можно считать, что атмосфера Юпитера на 87% состоит из водорода и на 13% из гелия. На долю метана приходится не более 0,1% состава атмосферы планеты (по массе). Атмосферный слой имеет толщину около 1000 км. Ниже чисто газового слоя в атмосфере лежит слой облаков, которые мы и видим в телескоп. Слой жидкого молекулярного водорода имеет толщину 24 000 км. На этой глубине давление достигает 300 ГПа, а температура 11 000К, здесь водород переходит в жидкое металлическое состояние, т.е. становится подобным жидкому металлу. Слой жидкого металлического водорода имеет толщину около 42 000 км. Внутри него располагается небольшое железно - силикатное твёрдое ядро радиусом 4 000 км. На границе ядра температура достигает 30 000 К. В 1956 г. было обнаружено радиоизлучение Юпитера на волне 3 см., соответствующее тепловому излучению с температурой 145 К. По измерениям в инфракрасном диапазоне температура самых наружных облаков Юпитера 130 К. Полёты американских космических аппаратов "Пионер-10" и "Пионер-11" позволили уточнить строение магнитосферы Юпитера, а изменение температуры облачного слоя в основном подтвердило известный из наземных наблюдений результат: количество тепла, которое Юпитер испускает, более чем вдвое превышает тепловую энергию, которую планета получает от Солнца. Возможно, что идущее из недр планеты тепло выделяется в процессе медленного сжатия гигантской планеты (1мм. в год).

1.3. Магнитное поле Юпитера.

Магнитное поле планеты оказалось сложным и состоит как бы из двух полей: дипольного (как поле Земли), которое простирается до 1,5 млн. километров от Юпитера, и не дипольного, занимающего остальную часть магнитосферы. Напряженность магнитного поля у поверхности в 20 раз больше, чем на Земле. Кроме теплового и дециметрового радиоизлучения Юпитер является источником радио-всплесков (резких усилений мощности излучения) на волнах длиной от 4 до 85 м., продолжительностью от долей секунды до нескольких минут или даже часов. Однако длительные возмущения это не отдельные всплески, а серии всплесков - своеобразные шумовые бури и грозы.

Согласно современным гипотезам, эти всплески объясняются плазменными колебаниями в ионосфере планеты.

1.4. Спутники.

Юпитер имеет 16 спутников. Первые 4 спутника открыты ещё Галилеем (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто). Они, а также внутренний, самый близкий спутник Амальтея движутся почти в плоскости экватора планеты. Ио и Европа почти сравнимы с Луной, а Ганимед и Каллисто даже больше Меркурия, хотя по массе значительно уступают ему. По сравнению с другими спутниками “галилеевские” исследованы более детально. Внешние спутники обращаются вокруг планеты по сильно вытянутым орбитам с большими углами наклона к экватору (до 30 5о). Это маленькие тела - от 10 до 120 км, по-видимому, неправильной формы. Самые внешние 4 спутника Юпитера обращаются вокруг планеты в обратном направлении.

1.5. Кольца Юпитера.

По данным, полученным с американских космических аппаратов "Вояжер", Юпитер окружен в экваториальной области системой колец. Кольцо расположено на расстоянии 50 000 км. От поверхности планеты, его ширина около 1 000 км. Существование кольца Юпитера было предсказано в 1960 г. астрономом С.К. Всехсвятским на основании наблюдений. Юпитер генерирует мощные полярные сияния, сильные радиошумы; возле него межпланетные аппараты наблюдают пылевые бури – потоки мелких твердых частиц, выброшенных в результате электромагнитных процессов в магнитосфере планеты. Мелкие частицы, которые получают электрический заряд при облучении солнечным ветром, обладают очень интересной динамикой: являясь промежуточным случаем между макро- и микротелами, они примерно одинаково реагируют и на гравитационные и электромагнитные поля. Именно из таких мелких каменных частиц, в основном, состоит кольцо Юпитера. Его главная часть имеет радиус 123-129 тысяч километров. Увидеть кольцо Юпитера с Земли практически невозможно: оно очень тонкое и постоянно повёрнуто к наблюдателю ребром из-за малого наклона оси вращения Юпитера к плоскости его орбиты.

§ 2. Сатурн - великолепие колец.

2.1. Общая характеристика.

Сатурн - вторая по величине среди планет Солнечной системы, в телескоп средней силы хорошо заметно, что шар Сатурна сильно сплюснут – ещё сильнее чем у Юпитера. На поверхности планеты выделяются параллельные экватору полосы, правда, мене четкие, чем у Юпитера. В этих полосах можно рассмотреть многочисленные, хотя и неяркие детали, именно по ним Уильям Гершель определил период вращения Сатурна. Он оказался очень коротким – всего 10 часов 16 минут. Экваториальный диаметр Сатурна лишь немного меньше, чем у Юпитера, но по массе Сатурн уступает Юпитеру более чем втрое и имеет очень низкую среднюю плотность - около 0,7 г/см. Низкая плотность объясняется тем, что планеты-гиганты состоят главным образом из водорода и гелия. При этом в недрах Сатурна давление не достигает столь высоких значений, как на Юпитере, поэтому плотность вещества там меньше. Спектроскопические исследования обнаружили в атмосфере Сатурна некоторые молекулы. Температура поверхности облаков на Сатурне близка к температуре плавления метана (-184 5о), из твёрдых частичек, которого, скорее всего,3о,остоит облачный слой планеты.

2.2. Кольца Сатурна.

В телескоп видны вытянутые вдоль экватора тёмные полосы, называемые также поясами, и светлые зоны, но эти детали менее контрастны, чем на Юпитере, и отдельные пятна в них наблюдаются гораздо реже. Сатурн окружен кольцами, которые хорошо видны в телескоп в виде "ушек" по обе стороны диска планеты. Долгое время считалось, что к Сатурну приблизился неосторожный спутник и был разорван его приливными силами. Но данные вояджеров опровергли это распространенное мнение. Сейчас установлено, что кольца Сатурна представляют собой остатки огромного околопланетного облака протяженностью во многие миллионы километров. Они были замечены ещё Галилеем в 1610 году. Предположение, что планета окружена кольцом, высказал голландец Христиан Гюйгенс. Поначалу его гипотеза вызвала ожесточенную критику со стороны ортодоксов. Кольца Сатурна - одно из самых удивительных и интересных образований в Солнечной системе. Плоская система колец опоясывает планету вокруг экватора и нигде не соприкасается с поверхностью. В кольцах разделяются три основные концентрические зоны, разграниченные узкими щелями: внешнее кольцо А, среднее В (наиболее яркое),внутреннее кольцо С, довольно прозрачное, "креповое", внутренний край его не резкий. Наиболее близкие к планете слабо различимые части внутреннего кольца обозначаются символом D. Обнаружено также существование практически прозрачного самого внешнего кольца D'. Сквозь все кольца Сатурна просвечивают звёзды. Кольца вращаются вокруг Сатурна, причём скорость движения внутренних частей больше, чем наружных. Кольца Сатурна не сплошные, а представляют собой плоскую систему из бесконечного количества мелких спутников планеты. Плоскость колец практически совпадает с плоскостью экватора Сатурна и имеет постоянный наклон к плоскости орбиты, равный приблизительно 27 5о. В зависимости от положений планеты на орбите мы видим кольца то с одной, то с другой стороны. Полный цикл изменения их вида завершается в течение 29,5 лет - таков период обращения Сатурна вокруг Солнца. Время от времени кольца на короткий срок перестают быть видимыми в телескопы средних размеров. Это происходит когда плоскость колец проходит точно через Солнце и поверхность оказывается лишенной яркого освещения, либо когда кольца бывают обращены к наблюдателю "ребром" и выглядят как чрезвычайно тонкая полоска, видимая только в крупнейшие телескопы. Толщина колец, по современным данным, около 3,5 км. Она очень мала по сравнению с их диаметром, который по наружному краю кольца А составляет 275 тыс.км. Размеры частиц не определены окончательно. Радио - астрономические наблюдения свидетельствуют о наличии в кольцах множества частиц размером не менее нескольких сантиметров. Не исключена возможность присутствия в кольцах Сатурна ещё более крупных частиц, так же как и пыли. Инфракрасные спектры колец Сатурна напоминают спектры водяного инея. Однако в других частях спектра позднее была обнаружена особенность, не характерная для чистого льда.

2.3. Спутники.

У Сатурна известно 22 спутника. Все они названы в честь античных героев: это Мимас, Энцелад, Тефия, Диона, Рея, Титан, Гиперион, Прометей, Пандора, Эпиметий, Япет, Феба, Янус, Телесто, Калипсо, Диона и тд. Из этих спутников наиболее интересны следующие четыре спутника: Янус - самый близкий к Сатурну, движется настолько близко к поверхности планеты, что обнаружить его удалось только при затемнений колец Сатурна, создающих вместе с планетой яркий ореол в поле зрения телескопа. Самый большой спутник Сатурна - Титан - один из величайших спутников в Солнечной системе по размеру и массе. Его диаметр приблизительно такой же, как диаметр Ганимеда. Титан окружен атмосферой, состоящей из метана и водорода. В ней движутся непрозрачные облака. Все спутники Сатурна, кроме Фебы, обращаются в прямом направлении. Феба движется по орбите с довольно большим эксцентриситетом в обратном направлении. Диаметр 220 километров, полный оборот вокруг Сатурна Феба делает за 1,5 года. Гипперион – тёмный спутник неправильной формы 330x240x200 километров с хаотическим собственным вращением, период которого меняется на десятки процентов в течении нескольких недель. Радиус его орбиты 1,481 миллионов километров. Япет – примечателен резкой асимметрией яркости полушарий – в десять раз. Его диаметр 1440 километров, радиус орбиты 3,561 миллионов километров. Ученые связывают сильное почернение передней стороны Япета с бомбардировкой мелкой пылью от внешнего спутника – Фебы.

§ 3. Уран – вокруг Солнца, лёжа на боку.

3.1. Уран. Общая характеристика.

Уран – седьмая по порядку от Солнца планета Солнечной системы. По диаметру он почти вчетверо больше Земли. Он очень далёк от Солнца и освещён сравнительно слабо. Уран был открыт английским учёным В. Гершелем в 1781 г. Какие-либо детали на поверхности Урана различить не удаётся из-за малых угловых размеров планеты в поле зрения телескопа. Это затрудняет его исследования, в том числе и изучение закономерностей вращения. По-видимому, Уран (в отличие от всех других планет) вращается вокруг своей оси как бы лёжа на боку. Такой наклон экватора создаёт необычные условия освещения: на полюсах в определённый сезон солнечные лучи падают почти отвесно, а полярный день и полярная ночь охватывают (попеременно) всю поверхность планеты, кроме узкой полосы вдоль экватора. Так как Уран обращается по орбите вокруг Солнца за 84 года, то полярный день на полюсах продолжается 42 года, затем сменяется полярной ночью такой же продолжительности. Лишь в экваториальном поясе Урана Солнце регулярно восходит и заходит с периодичностью равномерного осевого вращения планеты.

Даже в тех участках, где Солнце расположено в зените, температура на Уране (точнее на видимой поверхности облаков) составляет около -215 5о С. В таких условиях некоторые газы замерзают. В составе атмосферы Урана по спектроскопическим наблюдениям найдены водород и небольшая примесь метана. В относительно большом количестве есть, по косвенным признакам, гелий. Как и другие планеты-гиганты, Уран имеет такой состав, вероятно, почти до самого центра. Однако средняя плотность Урана (1,58г/см 53 0) несколько больше, чем плотность Сатурна и Юпитера, хотя вещество в недрах этих гигантов сжато гораздо сильнее, чем на Уране. Такую плотность Урана можно объяснит предположением о повышенном содержании гелия или существованием в недрах Урана ядра из тяжелых элементов. Одной необычной особенностью Урана является открытая в 1977г.

3.2. Система опоясывающих колец.

Это была сенсация! В солнечной системе обнаружена вторая после сатурианской система планетных колец. Они состоят из множества отдельных непрозрачных и, по-видимому, очень тёмных частиц. В отличие от колец Сатурна кольца Урана – узкие, как бы “ниточные” образования они в тысячу раз уже, черные и каменистые. Они не видны в отраженном свете и обнаруживаются только по сильному ослаблению блеска звёзд, оказавшихся для земного наблюдателя позади колец при орбитальном движении планеты. Кольца Урана представляют собой набор из девяти черных “паутинок”. Радиусы их орбит лежат в пределах 40-50 тысяч километров, а ширина лишь 1-10 километров, и только внешнее кольцо в самой широкой части достигает 96 километров. Каждое кольцо шире всего в той части, которая наиболее удалена от планеты. Удалённость колец от центра Урана составляет от 1,6 до 1,85 радиуса планеты.

Стабильность и узость колец создает немало проблем для астрономов. Быть может, возле урана есть ещё неоткрытые спутники, вызвавшие образование таких странных колец?

3.3. Спутники Урана.

Всего спутников у Урана известно 15 они делятся на две группы: внешние и внутренние. К внутренним спутникам относятся: два самых далеких и крупных спутника – Оберон и Титания открытые Гершелем – расположенные на расстояниях 582,6 и 435,8 миллионов километров. Они почти близнецы, их диаметры равны 1520 и 1580 километров. Их поверхности сильно изрыты метеоритными кратерами, также на их поверхности имеются свидетельства тектонической активости.

Два следующих спутника – Умбриэль и Ариэль – открыты английским астрономом Уильямом Ласселом в 1851 году с помощью мощного телескопа, построенного им на острове Мальта. Они тоже имеют почти одинаковый размер: Умбриэль диаметром 1170 километров обращается вокруг Урана на расстоянии 265 тысяч километров; Ариэль диаметром 1160 километров движется по орбите радиусом 191 тысяч километров. Умбриэль самый темный спутник в солнечной системе он отражает только 19% падающего на него света, в то время как Ариэль самый светлый спутник он отражает 40% падающего на него света. На поверхности обоих спутников сохранились следы крупномасштабных геологических движений и явные признаки древнего вулканизма.

В 1948 году американский астроном Джерард Койпер открыл пятый внешний спутник урана – Миранду находящуюся на расстоянии 130 тыяч километров от планеты. Это небольшой спутник, диаметром 470 километров, с интереснейшими следами неожиданно бурного геологического прошлого. Вояджер-2 в январе 1986 года передал на землю отличные изображения Миранды. По снимкам специалисты составили стереоскопическое изображение рельефа, где выделяются обширные бороздчатые области, напоминающие вспаханные поля. Область, в которой борозды сходятся под углом получила неофициальное название “шеврон”. На краю её, в районе южного полюса, расположен почти отвесный обрыв высотой 15 километров. Остаётся непонятным, откуда взялась энергия для такой геологической активности Миранды.

Вояжер – 2 в 1986 году открыл десять маленьких спутников в зоне 50-86 тысяч километров от планеты – именно там, где и предсказывали астрономы (А. Фридман, Н. Горькавый) ещё за год до этого. Новым спутникам дали имена героев Шекспира. А орбиты шести из них оказались близки к заранее найденным.

ИМЯ

Радиус орбиты, тысяч километров

предсказанный в 1985 году открытый в 1986 году

Порция 66,45 66,10

Дездемона 62,47 62,66

Крессида 61,86 61,77

Бианка 58,60 59,16

Офелия 55,38 53,76

Корделия 51,58 49,75

Остальные четыре спутника – Пэк, Белинда, Розалинда, Джульетта, хотя и названы в основном именами прекрасных героинь, черны как уголь. На самом крупном из них – Пэке (диаметр 150 километров) – видны кратеры. Это единственный новый спутник названный мужским именем находится на расстоянии 86 тысяч километров от Урана – как раз между кольцами и Мирандой.

§ 4. Нептун – царство холода

4.1. Открытие.

Нептун - восьмая по счёту планета Солнечной системы. Нептун был открыт необычным образом. Было замечено, что Уран движется не совсем так, как ему полагается двигаться под действием притяжения Солнца и известных в то время планет. Тогда заподозрили существование ещё одной массивной планеты и попытались пред вычислить её положение на небе. Эту чрезвычайно сложную задачу независимо друг от друга успешно решили английский астроном Дж.Адамс и француз У. Леверье. Получив данные Леверье, ассистент Берлинской обсерватории И.Галле 23 сентября 1846 г. обнаружил планету. Открытие Нептуна имело величайшее значение прежде всего потому, что оно послужило блестящим подтверждение закона всемирного тяготения, положенного в основу расчётов.

4.2. Общая характеристика. Средняя удалённость Нептуна от Солнца 30,1 а.е., период вращения по орбите - 164 года и 288 дней. Таким образом, с момента открытия Нептун даже не совершил полного оборота по своей орбите. Видимый угловой диаметр Нептуна составляет около 2". При измерении столь малого диаметра угломерными приспособлениями с поверхности Земли относительная ошибка очень велика. Уточнить диаметр Нептуна удалось 7 апреля 1967 г., когда планета в своём движении на фоне звёздного неба заслонила одну из далёких звёзд. По результатам наблюдений с нескольких астрономических обсерваторий экваториальный диаметр Нептуна составляет 50 200 км. Новые сведения о диаметре позволили уточнить величину средней плотности Нептуна: она оказалась равной 2,30 г/см. Такие характеристики типичны для планет-гигантов, состоящих главным образом из водорода и гелия с примесью соединений других химических элементов. В центре Нептуна, согласно расчётам, имеется тяжёлое ядро из силикатов, металлов и других элементов, входящих в состав земной группы. Изучение характера ослабления блеска звезды при её затемнении атмосферой Нептуна дало много дополнительной информации. В частности, был найден средний молекулярный вес надоблачных слоёв атмосферы Нептуна. Он соответствует молекулярному водороду с небольшой примесью метана. Детали на поверхности Нептуна различить очень трудно. Поэтому параметры суточного вращения - положение оси, направление и период вращения - определить из наземных наблюдений очень сложно.

4.3. Спутники Нептуна.

У Нептуна всего два спутника. Первый Тритон, открытый в 1846 году английским астрономом-любителем Уильямом Ласселом. Спутник оказался необычным: он движется в направлении обратном вращению самой планеты. Сейчас установлено, что четыре внешних спутника Юпитера и самый внешний спутник Юпитера Феба являются обратными. Тем не менее Тритон выделяется среди них: его диаметр – 2700 километров, и в нем сосредоточена почти вся масса спутниковой системы Нептуна. Кроме того, он обращается очень близко к Нептуну – на расстоянии всего 355 тысяч километров. Обратные спутники других планет имеют диаметры в пределах от 30 до 220 километров, содержат ничтожную часть массы своих спутниковых систем и удаленны от планет на 13-25 миллионов километров.

Через две недели после открытия самого Нептуна, был открыт второй спутник - Нереида - очень небольшой, диаметром 340 километров. Обладает сильно вытянутой орбитой. Расстояние от спутника до планеты меняется в пределах от 1,5 до 9,6 млн. км. В зависимости от перигея к апогею орбиты. Направление орбитального движения - прямое. Нейрида делает полный оборот вокруг Нептуна за 360 суток когда Тритон делает полный оборот за 6 суток.

4.4. Арки в кольцах Нептуна.

После того как в 1977 году по затмению звезды были обнаружены кольца Урана, аналогичные наблюдения начали проводить для Нептуна. И действительно в середине 80-ых годов ученые открыли кольца, но очень странные: они были неполными. Эти разорванные кольца стали называть дугами или арками. Вещество в них распределено не равномерно: плотность резко падает у концов дуги. Представить себе стабильное скопление частиц в одной части орбиты очень трудно. Ведь периоды обращения независимых частиц хоть немного, но отличаются, так что всё скопление должно постепенно растянуться вдоль орбиты и превратиться в кольцо.

В августе 1989 года Вояджер-2 сфотографировал уникальное образование - три плотные яркие арки, нанизанные на непрерывное узкое и прозрачное пылевое колечко. Внутри арок видна цепь отдельных сгустков на расстоянии нескольких сот километров друг от друга. Исследование арок показывает, что в середине они содержат уплотнение шириной 15 километров, окруженное прозрачным пылевым шлейфом шириной 50 километров.

Сложные расчеты позволили сделать вывод, что арки Нептуна представляют собой цепочки ранее неизвестных науке эллиптических вихрей антициклонического типа, состоящих из твердых частиц. Размеры самых крупных частиц, видимо, достигают нескольких сот метров. Эти уникальные вихри названы эпитонами; они сложным образом взаимодействуют с ближайшим спутником (Галатей), между собой и с непрерывным пылевым кольцом.

Заключение

Передо мной стояло много вопросов: каковы особенности физических свойств планет-гигантов, их основные характеристики, отличие от планет земной группы и найти черты сходства и различия между собой, сколько у них спутников, каково их внутреннее строение и структурные строение особенности колец. Я провел исследовательскую работу: и из всего этого можно сделать следующие выводы: что планеты, относящиеся к гигантам: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Все эти планеты имеют большие размеры и массы, низкую среднюю плотность.

Планеты-гиганты очень быстро вращаются вокруг своих осей. Причем, экваториальные зоны планет-гигантов вращаются быстрее, чем полярные. Результат быстрого вращения — большое сжатие планет-гигантов (полярный радиус меньше экваториального)

Гиганты находятся далеко от Солнца, и независимо от характера смены времен года на них всегда господствуют низкие температуры. На Юпитере вообще нет смены времен года, поскольку ось этой планеты почти перпендикулярна к плоскости ее орбиты. Своеобразно происходит смена времен года и на планете Уран, так как ось этой планеты наклонена к плоскости орбиты под углом 8°.

Планеты-гиганты отличаются большим числом спутников; у Юпитера их обнаружено к настоящему времени 28, Сатурна — 30, Урана — 17, у Нептуна — 8. Замечательная особенность планет-гигантов — кольца, которые открыты не только у Сатурна, но и у Юпитера, Урана и Heптуна. Из планет-гигантов лучше других исследованы Юпитер и Сатурн.

Планета Юпитер Сатурн Уран Нептун

Радиус 12 RЗ 10 RЗ 4 RЗ 4 RЗ

Масса 318 mЗ 95 mЗ 15 mЗ 17 mЗ

Плотность 1,3г\смЗ 0,7г\смЗ 1,3г\см З 1,6г\см З

Сутки 10ч. 10 ч. 17 ч. 16 ч.

От солнца 5 а.е. 10 а.е. 19 а.е. 30 а.е.

Год 12 лет 30 лет 84 лет 165 лет

Кольца Да Да да да

Спутники 28 30 17 8

Ось вращения | / — /

Важнейшая особенность строения планет-гигантов заключается в том, что эти планеты не имеют твердых поверхностей. Они состоят в основном из легких элементов — водорода и гелия. Все, что удается рассмотреть на планетах-гигантах происходит в протяженных атмосферах этих планет. На Юпитере даже в небольшие телескопы заметны полосы, вытянутые вдоль экватора. В верхних слоях водородно-гелиевой атмосферы Юпитера в виде примесей встречаются химические соединения, окрашивающие детали атмосферы в различные цвета. По своему химическому составу планеты-гиганты резко отличаются от планет земной группы. Это отличие связано с процессом образования планетной системы.

На фотографиях, переданных с борта американских АМС отчетливо видно, что газ в атмосферах планет-гигантов участвует в сложном движении, которое сопровождается образованием и распадом вихрей. Наблюдаемое на Юпитере около 300 лет Большое Красное Пятно, превосходящее по своим размерам Землю представляет собой огромный и очень устойчивый вихрь. Устойчивые пятна видны и на снимках остальных планет-гигантов. Вещество, находящееся под облачным слоем планет-гигантов, недоступно непосредственному наблюдению. В недрах оно должно иметь высокую температуру, так как эти планеты излучают энергии больше, чем получают от Солнца. Совокупность сведений о планетах-гигантах дает возможность построить модели внутреннего строения этих небесных тел. На Юпитере газообразный водород, входящий в состав атмосферы, переходит в жидкую, а затем, с увеличением давления по мере погружения в глубину и в твердую (металлическую) фазу. Возможно, что с быстрым вращением проводящего ток вещества, находящегося в центральных областях планет-гигантов, связано существование значительных магнитных полей этих планет. Особенно велико магнитное поле Юпитера. Магнитное поле планеты улавливает летящие от Солнца заряженные частицы, которые образуют вокруг планеты радиационные поясам. Такие пояса из всех планет земной группы есть только у нашей планеты. Радиационный пояс являются источниками радиоволн и причиной полярных сияний в атмосферах планет-гигантов, где кроме того наблюдаются мощные электрические разряды (грозы).

Спутники. Система спутников Юпитера напоминает Солнечную систему в миниатюре. Четыре спутника, открытые Галилеем, называют галилеевыми спутниками. Это Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Самый большой из них — Ганимед — превосходит по размерам Меркурий (но вдвое уступает этой планете по массе). Пролетая вблизи спутников Юпитера (а потом Сатурна), американские автоматические межпланетные станции «Пионер» и «Вояджер» передали на Землю фотографии с изображением их поверхностей, которые напоминают поверхности Луны и планет земной группы. Особенно похож на Луну Ганимед. Кроме кратеров, на Ганимеде много длинных хребтов и полос, образующих своеобразные ветвящиеся пучки.

Кольца. Первыми были открыты кольца Сатурна (XVII в., Галилей, Гюйгенс). С Земли в лучшие телескопы видно несколько колец, разделенных промежутками. Но на фотографиях, переданных с АМС, видно множество колец. Кольца очень широкие: они простираются над облачным слоем планеты на 60 000 км. Каждое состоит из частиц и глыб, движущихся по своим орбитам вокруг Сатурна. Толщина же колец не более 1 км. Поэтому, когда Земля при своем движении вокруг Солнца оказывается в плоскости колец Сатурна кольца перестают быть видимыми. Не исключено, что вещество, из которого состоят кольца, не вошло в состав планет и их больших спутников во время формирования этих небесных тел. В 1977 г. были открыты кольца у Урана, в 1979 г. — у Юпитера, в 1989 г. — у Нептуна. На возможность существования колец у всех планет-гигантов еще в 1960 г. указывал известный астроном С. К. Всехсвятский.

Мне кажется что цели, которые я поставил перед собой - были достигнуты, и более того раскрыты почти полностью. Эта работа плод многомесячных усилий, конечно без учителя физики и астрономии Чухарева В.М у меня ничего не получились, и поэтому я думаю что экзаменационная комиссия оценит мой труд, а также труд моего учителя.

Дата добавления: 2015-08-17