Состав и строение Солнечной системы

Приход наш и уход загадочны, —.

Их цели все мудрецы Земли осмыслить не сумели.

Где круга этого начало, где конец, Откуда мы пришли, куда уйдем отселе?

Омар Ха йям

Солнечная система представляет собой комплекс небесных тел, объединенных не только упорядоченностью движения, но и общностью физических свойств. В центре Солнечной системы находится наша дневная звезда — Солнце. Вокруг него вместе со своими спутниками обращаютс 9 больших планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран Нептун и Плутон (рис. 9.6). Дадим их краткую характеристику.

Рис. 9.6. Схема Солнечной системы.

Меркурий — ближайшая к Солнцу планета и наименьшая из планет земной группы. Ее диаметр составляет 0,383 диаметра Земли, а масса -0,056 земной массы. Период вращения Меркурия вокруг оси равен.

58,65 земных суток. Эго близко к 2/3 периода обращения планеты вокруг Солнца (88 земных суток). Значит, одни сутки на Меркурии длятся дв меркурианских года. К Земле Меркурий обращен всегда одним и тем ж полушарием. По внешнему виду Меркурий напоминает Луну со множеством ее кратеров, гор и морей. На Меркурии имеются следы сильн разреженной атмосферы, в состав которой входят водород, гелий, кислород, а также аргон и неон. Температура поверхности планеты колеблетс от -180 °С до +430 °С. У планеты слабое магнитное поле. Спутников Меркурий не имеет.

Венера — вторая по расстоянию от Солнца и ближайшая к Земле планета Солнечной системы. Видна как «вечерняя звезда» в западной стороне неба сразу после захода Солнца или как «утренняя звезда» — в восточно стороне неба незадолго до восхода Солнца. Венера — самое яркое светил на небе после Солнца и Луны. Венера вращается вокруг оси не с запад на восток, как Земля, а в обратном направлении — с востока на запад Венера окутана плотной атмосферой, почти целиком состоящей из углекислого газа (97%) с примесью азота, кислорода и водяных паров. Атмосферное давление — свыше 90 атм. Температура вблизи поверхности планеты достигает +470 °С. Поверхность планеты сухая и каменистая. На пе замечены обширные равнины, по есть и горы. Их наибольшая высот достигает 12 км. По-видимому, там много и вулканов. Естественных спутников у Венеры нет.

Марс — четвертая от Солнца планета Солнечной системы. На звездном небе эта планета выглядит как немерцающая точка красного цвета. Мар вдвое меньше Земли, но диаметру и в девять раз — но массе. Период вращения планеты вокруг оси 24 ч 37 мин 23 с. Наклон оси вращения Марс к плоскости орбиты почти такой же, как и у Земли (около 25°), поэтом на Марсе есть смена времени года, похожая на земную, хотя продолжительность марсианского года близка к 687 земным суткам. Атмосфер Марса сильно разрежена и состоит в основном из углекислого газа с примесью азота, аргона, кислорода и водяных паров. Атмосферное давлени у поверхности планеты в 160 раз меньше, чем на уровне моря на Земле В атмосфере Марса часто возникают ветры и даже ураганы, вызывающи пылевые бури. Среднегодовая температура планеты -70 °С. При этих условиях жидкой воды на Марсе быть не может и она существует только в вид пара, снега или льда. Марс обладает магнитным полем в 500 раз более слабым, чем магнитное поле Земли. На снимках, сделанных во время полето автоматических межпланетных станций, поверхность планеты выгляди как красная, безводная, усеянная камнями пустыня с изрезанным рельефом. На Марсе есть кратеры, имеются горы, некоторые из них являютс потухшими вулканами. Самая крупная во всей Солнечной системе вулканическая гора Олимп возвышается более чем на 20 км над поверхность планеты. Марс имеет два естественных спутника Фобос и Деймос.

Юпитер — самая крупная планета Солнечной системы и пятая по расстоянию от Солнца. Свое название она получила в честь римского бога неба, громовержца Юпитера. Масса планеты почти в 2,5 раза превышае суммарную массу остальных планет и в 318 раз массу Земли. Диаметр Юпитера больше диаметра Земли в 11,2 раза. Юпитер отстоит от Солнца в 5,2 раза дальше, чем Земля, и затрачивает на один оборот по орбите почт 12 лет. Вокруг своей оси Юпитер вращается быстрее любой другой планеты Солнечной системы. В телескоп планета видна сжатой у полюсо с заметным рядом светлых и темных полос, которые каждый год располагаются по-разному. Юпитер окружен толстой водородно-гелиевой атмосферой, в верхних слоях которой температура около -160 °С. Особенност этой планеты в наличии знаменитого Большого Красного пятна — огромного газового образования овальной формы и розового цвета, по размера превышающего размеры земного шара. Предположительно, оно представляет собой грандиозный вращающийся вихрь. Юпитер обладает мощны магнитным полем, а также является источником довольно сильного радиоизлучения. Вокруг Юпитера вращаются 16 спутников, наиболее крупны из которых были открыты в 1610 г. Галилеем. Кроме спутников, Юпите окружен кольцом из мелких камней и пыли, всегда обращенным к Земл ребром, поэтому с Земли его не видно.

Сатурн — вторая по величине планета Солнечной системы. Имея массу, равную примерно 95 земным массам, и объем более 758 земных объемов обладает по сравнению с другими планетами самой низкой средней плотностью. В атмосфере Сатурна присутствуют водород, метан и други газы. Вблизи верхней границы облаков температура составляет примерн -170 °С. Планета обладает магнитным нолем и является источником радиоизлучения. Сатурн имеет 17 спутников, самый крупный из них Титан Одно из хорошо известных и интересных небесных образований — кольц Сатурна.

Уран — седьмая по порядку от Солнца планета Солнечной системы. Это первая из планет, открытая с помощью телескопа. Уран относится к числ планет-гигантов. По диаметру он почти в 4 раза, а по массе — приблизительно в 14,6 раза больше Земли. Расстояние от Урана до Солнца почт в 20 раз больше, чем от Земли до Солнца, и эта планета совершает полны оборот вокруг нашего светила за 84 года. Уран, подобно Венере, вращаетс вокруг своей оси в направлении с востока на запад (а не с запада на восток как Земля и другие планеты). Уран сильно сжат у полюсов. Его атмосфер состоит наполовину из водорода. Кроме того, в ней присутствуют метан аммиак и гелий. Температура на поверхности облачного слоя планеты —В около -215 °С. Уран имеет девять узких непрозрачных газопылевых коле и 16 спутников.

Нептун — восьмая по расстоянию от Солнца большая планета Солнечной системы. Диаметр Нептуна равен 3,81 диаметра Земли, а масса — 17,2 земных масс. Планета сильно сжата и быстро вращается вокруг свое оси. Она состоит, по-видимому, из замороженной воды и других распространенных в космосе водородных соединений; 20% массы приходитс на соединения кремния и металлов. Планета получает от Солнца в 900 ра меньше тепла, чем Земля. Температура на поверхности Нептуна 200—В 220 °C. Планета окутана плотной водородно-гелиевой атмосферой с примесью метана и аммиака. Нептун имеет 8 спутников и кольца такой ж природы, как у Юпитера.

Плутон — наименьшая среди известных планет Солнечной системы и наиболее далекая от Солнца, открыт сравнительно недавно. Плутон находится в 40 раз дальше от Солнца, чем Земля, и получает от него в 1600 ра меньше тепла и света, чем наша планета. Плутон — это холодный темны и безмолвный мир, поверхность которого покрыта метановым льдом. Температура планеты рекордно низка: -230 °С. Период вращения Плутон равен 6 суток 9 ч, а период обращения — почти 248 лет. В 1978 г. американский астроном Дж. Кристи открыл у Плутона один спутник, названны Хароном. Он удален от планеты на расстояние в 17 000 км.

Помимо больших планет и их спутников, в состав Солнечной системы входят тысячи малых планет — астероидов, находящихся в основно между орбитами Марса и Юпитера, где они образуют так называемый поя астероидов. Кроме того, в межпланетном пространстве, но очень вытянутым орбитам движутся твердые ледяные тела, окруженные газовой оболочкой, — кометы и множество камней и частиц самых различных размеро (метеоритное вещество). В табл. 9.1 и 9.2 приведены физические и динамические характеристики планет Солнечной системы.

Таблица 9.1

Физические характеристики планет Солнечной системы

Таблица 9.2

Динамические характеристики планет Солнечной системы

Окончание табл. 9.2

Солнечная система обладает рядом важных особенностей. Перечислим основные из них.

• 1. Подавляющая часть полной массы Солнечной системы принадлежи Солнцу, т. е. центральному телу. На долю Солнца приходится 99,87% масс Солнечной системы, так что сила его притяжения почти полностью управляет движением планет, которые обращаются вокруг него по орбитам близким к эллипсам. Поэтому Солнце находится почти точно в центр планетных орбит.
• 2. Орбиты всех планет и большинства астероидов близки к окружностям и лежат приблизительно в плоскости эклиптики, т. е. в плоскост земной орбиты. Наибольшим наклоном к эклиптике (земной орбите) обладают орбиты Плутона (17°) и Меркурия (7°) и наибольшей вытянутостью.
• 3. По размерам, массе и общему строению большие планеты делятс две группы: на планеты типа Земля (или планеты земной группы), расположенные внутри пояса астероидов, и планеты-гиганты (вне его). Плуто занимает особое положение, отличаясь от планет обеих групп.

Планеты типа Земля значительно меньше гигантов по массе и размерам. Они обладают большей средней плотностью вещества и сравнительно медленным вращением.

Планеты-гиганты в десятки и сотни раз массивнее планет земной группы. Они окружены сравнительно плотными протяженными атмосферами. Планеты-гиганты состоят в основном из водорода и гелия; доля все других элементов в них значительно меньше, чем у планет земной группы.

4. Все планеты обращаются вокруг Солнца в одну сторону, приче направление их осевого вращения, как правило, совпадает с направление движения по орбите. Исключение составляют лишь Венера и Уран, которые вращаются в противоположную сторону, причем ось вращения Уран лежит почти в плоскости орбиты.

Перечисленные особенности связаны с теми условиями, в которых происходило формирование планет миллиарды лет тому назад.

Возраст Солнечной системы был определен на основании лабораторного изотопного анализа земных скальных пород, а также метеоритов и доставленных на Землю космическими аппаратами образцов лунного грунта.

Оказалось, что наиболее старые из них имеют возраст около 4,5 млрд лет. Возраст Солнца, полученный на основе теории эволюции звезд, оценивается примерно в 5 млрд лет. Поэтому считается, что все планеты сформировались приблизительно в одно время — 4,5—5 млрд лет тому назад.

Согласно существующим представлениям вещество, из которого возникли планеты и их спутники, первоначально образовывало массивный диск из холодного газа и ныли, окружавший еще молодое Солнце. Планеты сформировались в результате роста сгущений, возникших под действием сил гравитации в этом вращавшемся диске. Поэтому и сейчас вс они, сохраняя движение диска, обращаются вокруг Солнца в одну и ту ж сторону. Плотность, температура и химический состав протопланетног вещества были весьма различными во внешних, далеких от Солнца, и внутренних, близких к нему, частях диска. Это привело к сильному различи двух групп планет — внутренних и внешних.

Две основные причины, определяющие важнейшие свойства каждой планеты, — это расстояние планеты от Солнца и масса. Чем больше среднее расстояние планеты от Солнца, тем меньше энергии от него он получает. По этой причине температура планет быстро падает с увеличением расстояния от Солнца. Напомним, что в отличие от далеких плане планеты земной группы, расположенные ближе к Солнцу, содержат очен много тугоплавких элементов (кремний, железо и др.). По-видимому, эт отражает особенности химического состава того протопланетного газопылевого диска, из вещества которого сформировались планеты: чем дальш от Солнца, тем больше легких газов содержалось в протопланетном диске Причина этого в том, что на больших расстояниях от Солнца при боле низких температурах молекулы легких газов могли намерзать на пылинки в то время как вблизи Солнца легкие газы нагревались и покидали про-топланетный диск.

Масса планеты определяет ее способность удерживать вокруг себя атмосферу. Газ всегда стремится к расширению, и газовые атмосферы удерживаются вокруг планет только благодаря гравитационному притяжени к ним. Но из атмосферы любой планеты непрерывно происходит утечк вещества в межпланетное пространство. Это связано с тепловым движением молекул газа. Скорость каждой молекулы постоянно меняется из-з столкновений с другими молекулами. Если скорость случайно превыси вторую космическую, то такая молекула навсегда может покинуть разреженные внешние слои атмосферы планеты. Чем меньше масса планет тем слабее ее гравитационное притяжение и тем быстрее она теряет сво атмосферу, поскольку наиболее «быстрым» молекулам легче покинуть ее.

Из физики известно, что средняя скорость (у) теплового движения молекул и атомов пропорциональна ~ , где Т — абсолютная темпера тура газа, а т₀ — масса его молекул (или атомов). Поэтому при любой температуре быстрее всего покидают атмосферу молекулы легких газов, имеющие более высокую среднюю скорость. Следовательно, со временем масса атмосферы и ее химический состав должны меняться. В атмосферах плане земной группы осталось очень мало легких газов (водорода и гелия). Меркурий из-за небольшой массы и высокой температуры, обусловленной близостью к Солнцу, практически вовсе лишен атмосферы. Атмосфера Марса из-за слабости его гравитационного поля сильно разрежена, а Луна и спутники планет вообще не смогли удержать вблизи себя газовую оболочку Исключение составляет массивный и холодный спутник Сатурна — Титан имеющий атмосферу, содержащую много относительно тяжелого газа —В азота, и небольшой спутник Юпитера — Ио. Последний теряет атмосфер непрерывно, но она постоянно пополняется за счет извержения вулканов которые вместе с выбросом лавы выделяют много газов. По-видимому и у планет земной группы (в том числе и у Земли) вулканические извержения и выделения газов из недр сыграли решающую роль в образовани атмосферы, когда планеты были еще молодыми.

На твердой поверхности больших планет (особенно не обладающих атмосферой) и их спутников наблюдаются многочисленные кратеры —В результат метеоритной бомбардировки. Она происходит и в наше время Однако наиболее интенсивной она была миллиарды лет тому назад. Таки тела, как Луна, Меркурий, спутник Юпитера Каллисто и др., где кратеро очень много и где они мало разрушались, сохранили большую часть свое поверхности в том виде, какой она была миллиарды лет назад. На Венере Марсе и на некоторых спутниках (частично и на Луне) происходил процесс постепенного исчезновения старых кратеров. Они могли заполняться лавой (на Луне), разрушаться под действием ветра (как, например на Марсе) или воды (как на Земле). Поэтому изучение поверхностей различных планет и спутников дает возможность узнать о далекой их истори и путях эволюции.

Сильные магнитные поля обнаружены пока у трех планет: Земли, Юпитера и Сатурна. По-видимому, они связаны с существованием электрических токов в расплавленных недрах этих планет. Если планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс имеют относительно большу плотность и состоят из тяжелых элементов, то планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун имеют плотность чуть больше, чем у воды и состоят из легких элементов — водорода и гелия. Они имеют мощные протяженные атмосферы, переходящие в жидкий слой поверхности. Например, Юпитер состоит в основном из водорода, 18% по массе приходитс на гелий, имеется примесь аммиака ЫН₃ и метана СН₄ (болотного газа) Хотя планеты-гиганты холодны и безжизненны, но вследствие огромны расстояний между ними и больших масс они обладают многочисленным семействами спутников. Система Сатурна имеет даже разительное сходство с Солнечной системой в целом не только потому, что у этой планет 17 спутников (больше, чем число известных планет), но и потому, что он обладает также большими кольцами — миниатюрным «поясом астероидов». Кольца состоят из мелких частиц, покрытых льдом и обращающихс вокруг Сатурна в диске, относительная толщина которого по сравнени с его шириной меньше, чем у листа бумаги. Уран и Юпитер также имею кольца, хотя они много слабее и поэтому их трудно наблюдать. Возможно они есть и у Нептуна.

Кроме больших тел (планет и их спутников), обращающихся вокруг Солнца, к Солнечной системе относятся малые тела: астероиды, кометы метеоры и метеориты.

Астероиды. Большая часть астероидов (более пяти тысяч тел размером от одного до тысячи километров) движется между орбитами Марса и Юпитера. Орбиты их, как правило, не слишком сильно отличаются от окружностей. Периодические изменения яркости, наблюдаемые у некоторы астероидов, указывают на то, что они обладают неправильной формой неровной поверхностью и вращаются вокруг своих осей. Поверхности астероидов, как и спутников планет, должны нести следы ударов более мелки тел. Атмосферы у астероидов нет.

Кометы — это странные небесные скитальцы, они вызывали у людей суеверный страх чаще, чем любые другие небесные тела. Большинств комет движутся по чрезвычайно вытянутым орбитам и при каждом обороте приближаются к Солнцу лишь на непродолжительное время. В перигелии при максимальном сближении с Солнцем их блеск очень сильн возрастает. В это время они столь активны, что теряют заметную долю своего вещества и вокруг их ядра образуется протяженная атмосфера (кома)В из газа и мелких пылевых частиц.

Под давлением солнечного излучения и выброшенных Солнцем частиц кометный газ и пыль покидают голову кометы, порождая протяженны хвост, а то и несколько хвостов всегда сложной структуры. Вероятно кометы внесли свой вклад в обогащение вещества Солнечной систем такими легкими летучими составляющими, как углерод и вода, без которых была бы невозможна жизнь на Земле.