Струкура и исследование планет-гигантов

2

Содержание

Введение…………………………………………………..........………………….2

1. Юпитер……………………………………………….....…………………..4

2. Сатурн………………………………………………....…….………………6

3. Уран……………………………………………………...……..…...………7

4. Нептун………………………………………………………........…………9

5. Система Плутон-Харон……………………………………….....………..10

6. Спутники планет-гигантов………………………………….....……..…..11

7. Кольца……………………………………………………......…………….13

Заключение………………………………………………………...........………..16

Список использованных источников…………………………...........…………17

Введение

Планеты делятся на две группы, отличающиеся по массе, химическому составу (это проявляется в различиях их плотности), скорости вращения и количеству спутников.

Четыре планеты, ближайшие к Солнцу, планеты Земной группы, невелики, состоят из плотного каменистого вещества и металлов.

Планеты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун получили название гигантских по своим огромным размерам сравнительно с Землей. Они гораздо массивнее, состоят в основном из легких веществ и поэтому, несмотря на огромное давление в их недрах, имеют малую плотность.

Девятую планету - Плутон, по-видимому, нельзя отнести ни к одной из двух групп. По химическому составу он близок к группе планет-гигантов, а по размерам - к земной группе.

Вполне естественно, что среди планет-гигантов лучше всего изучены ближайшие к нам - Юпитер и Сатурн.

Две пары планет-гигантов, Юпитер и Сатурн, Уран и Нептун, довольно сильно различаются между собой. Юпитер и Сатурн больше по размерам и менее плотные.

Полеты космических аппаратов к планетам-гигантам очень трудны. Солнечной энергии на таких больших расстояниях уже недостаточно для питания их систем, приходится использовать радиоизотопные генераторы. Надежность всех систем и приборов должна быть исключительно высокой, так как полеты длятся многие годы.

В 1972 г. к Юпитеру был запущен американский космический аппарат «Пионер-10», а в 1973 г. к Сатурну «Пионер-11». В 1977 г. к планетам-гигантам были запущены два американских космических аппарата - «Вояджер-1» и «Вояджер-2».

Взаимное расположение Земли, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна позволяло при запуске в это время совершить пролет вблизи всех четырех планет-гигантов, что и было сделано «Вояджером-2».

Такая выгодная конфигурация планет повторится только в XXII в. «Вояджер-1» после пролета вблизи Юпитера и Сатурна ушел на траекторию, выводящую его за пределы Солнечной системы.

1. Юпитер

Это самая большая планета Солнечной системы. Его масса в 318 раз больше земной, а объем в 1 300 с лишним раз больше земного, и составляет около ¹/_{1 050} массы Солнца. Экваториальный радиус Юпитера равен 71 400 км (в 11,2 раза больше земного). Полярный радиус заметно меньше экваториального и равен 66 900 км, т.е. сжатие планеты велико (? = ¹/₁₆). Гравитационное ускорение около 2 500 см/с². Средняя плотность 1,3 г/см³ (почти в четыре раза меньше земной).

Угловой диаметр Юпитера - около 40". На диске видно множество деталей, но среди них нет ни одной постоянной. Есть некоторое число деталей, которые наблюдаются в течение столетий, но их положение и вид изменяются.

Несомненно, что видимая «поверхность» Юпитера представляет собой облачный покров. Наиболее заметны темные красноватые полосы, вытянутые параллельно экватору. Светлые промежутки между ними называются зонами. Зоны и полосы расчленяются на отдельные пятна различного вида и формы.

В 1878 г. на широте 20° было обнаружено образование, названное позднее Большим Красным Пятном. Впоследствии оно уменьшало свою интенсивность, затем несколько увеличивало, но всегда оставалось более слабым, чем в момент открытия. Просмотр старых зарисовок показал, что его наблюдали еще в XVII в., не обращая на него особого внимания.

Период вращения, определенный по движению деталей, которые расположены на разных широтах, зависит от их широты, аналогично тому, как это имеет место на Солнце. Период вращения увеличивается с ростом широты.

Полосатая структура диска Юпитера является следствием преимущественно зонального (т.е. ориентированного вдоль параллелей) направления ветра в атмосфере Юпитера. Механизм, который приводит в действие общую циркуляцию на Юпитере, такой же, как на Земле: разность в количестве тепла, получаемого от Солнца на полюсах и экваторе, вызывает возникновение гидродинамических потоков, которые отклоняются в зональном направлении кориолисовой силой. При таком быстром вращении, как у Юпитера, линии тока практически параллельны экватору. Картина усложняется конвективными движениями, которые наиболее интенсивны на границах между гидродинамическими потоками, имеющими разную скорость. Конвективные движения выносят вверх окрашивающее вещество, присутствием которого объясняется слегка красноватый цвет Юпитера. В области темных полос конвективные движения наиболее сильны, и это объясняет их более интенсивную окраску.

Так же, как и в земной атмосфере, на Юпитере могут формироваться циклоны. Оценки показывают, что крупные циклоны, если они образуются в атмосфере Юпитера, могут быть очень устойчивы (время жизни до 10⁵ лет). Вероятно, Большое Красное Пятно является примером такого циклона. Изображения Юпитера, полученные при помощи аппаратуры, установленной на космических аппаратах, показали, что Большое Красное Пятно не является единственным образованием такого типа: найдено несколько устойчивых красных пятен меньшего размера.

Основные компоненты атмосферы - молекулярный водород H₂ и He. Имеется множество малых составляющих (метан, аммиак и др.). по-видимому, элементный состав атмосферы (и всей планеты в целом) не отличается существенно от солнечного.

Полное давление у верхней границы облачного слоя составляет около 0,5 атм. Облачный слой имеет сложную структуру. Верхний ярус состоит из кристалликов аммиака NH₃, ниже должны быть расположены облака из кристаллов льда и капелек воды.

Поток внутреннего тепла на единицу площади примерно равен потоку, получаемому от Солнца. В этом отношении (большой поток внутреннего тепла) Юпитер ближе к звездам, чем к планетам земной группы. Однако источником внутренней энергии Юпитера не являются, конечно, ядерные реакции. По-видимому, излучается запас энергии, накопленный при гравитационном сжатии планеты. В процессе формирования планеты из протопланетной туманности гравитационная энергия пыли и газа, образующих планету, должна была переходить в кинетическую и затем в тепловую энергию.

Наличие большого потока внутреннего тепла означает, что температура довольно быстро растет с глубиной. Согласно наиболее вероятным теоретическим моделям она достигает 400 К на глубине 100 км ниже уровня верхней границы облаков, а на глубине 500 км - около 1 200 К.

Токи в жидких недрах Юпитера генерируют мощное магнитное поле - около 10 Э вблизи видимой поверхности планеты.

Юпитер имеет 18 спутников и тонкое кольцо.

В 1995 г. был выведен на орбиту «Галилео» - искусственный спутник Юпитера и, кроме того, в атмосферу вошел зонд, при помощи которого были поведены прямые измерения температуры, давления, химического состава, характеристик аэрозольной среды, освещенности.

2. Сатурн

Сатурн расположен примерно вдвое дальше от Солнца, чем Юпитер, и обращается вокруг Солнца за 29,5 года. Экваториальный радиус Сатурна равен 60 330 км, масса в 95 раз больше земной, ускорение свободного падения на экваторе 1 199 см/с².

Сатурн имеет заметное сжатие диска, равное ¹/₁₀, т.е.больше, чем у Юпитера. Средняя плотность Сатурна 0,7 г/см³ - значительно меньше, чем плотность Юпитера.

Период вращения на экваторе равен 10^h14^m и, как и у Юпитера, увеличивается с увеличением широты. На диске Сатурна тоже можно различить полосы, зоны и другие более тонкие образования, но контрастность деталей значительно меньше, чем у Юпитера, и в целом диск Сатурна деталями гораздо беднее.

Даже в очень сильные телескопы на Сатурне очень редко бывают видны отдельные пятна. По перемещению этих пятен удалось определить период вращения Сатурна вокруг его оси: различные зоны вращаются с неодинаковыми угловыми скоростями. Ось вращения Сатурна отклонена от перпендикуляра к плоскости орбиты на 27°, следовательно, на Сатурне происходит смена времен года.

Спектроскопические исследования обнаружили в атмосфере Сатурна водород H₂, метан CH₄, ацетилен C₂H₂, этан C₂H₆. Элементный состав, по-видимому, не отличается от солнечного, т.е. планета состоит на 99 % из водорода и гелия. По внутреннему строению Сатурн похож на Юпитер.

Эффективная температура Сатурна около 95 К. Так же, как и у Юпитера, около половины излучаемой энергии обусловлено потоком внутреннего тепла.

Сатурн имеет магнитное поле (около 0,5 Э у видимой границы облаков) и радиационные пояса. Он обладает очень красивой системой колец и имеет 30 спутников.

3. Уран

Все планеты, рассмотренные нами ранее, видны на небе невооруженным глазом и принадлежат к числу наиболее ярких объектов. Уран виден только в телескоп (его звездная величина 5,8^m) и выглядит маленьким зеленоватым диском диаметром около 4".

Уран был открыт английским ученым Гершелем в 1781 г.

Большая полуось орбиты планеты равна около 19,2 а.е., а период обращения вокруг Солнца 84 года. Масса Урана в 14,6 раза больше земной, радиус 26 220 км. Уран обладает заметным сжатием (¹/₁₇). Средняя плотность Урана 1,55 г/см³ - больше, чем Юпитера и Сатурна. По-видимому, в его недрах больше тяжелых элементов.

Детали на диске Урана уверенным образом не различаются, но наблюдаются периодические колебания блеска. По этим колебаниям и по эффекту Доплера был определен период вращения вокруг оси 17,24^h. Наклонение плоскости экватора к плоскости эклиптики очень большое - 98°, так что направление вращения обратное.

Спектроскопически в атмосфере Урана обнаружены водород H₂ (основная составляющая, вероятно, наряду с гелием), метан CH₂, и ацетилен C₂H₂. Метан имеет полосы поглощения в красной области спектра и его значительно больше над верхней границей облаков, чем на Юпитере и Сатурне. Это объясняет зеленоватую окраску планеты.

Облака Урана состоят, по-видимому, из частиц замерзшего метана, температура вблизи их верхней границы около 55 К, газовое давление несколько атмосфер.

В 1986 г. космический аппарат «Вояджер-2» пролетал на расстоянии около 120 000 км от Урана. Были переданы на Землю изображения самой планеты, ее колец и спутников, исследовалась атмосфера планеты (дистанционно) и ее магнитное поле.

Напряженность магнитного поля у видимой границы облаков около 0,25 Э. Удивительной является геометрия магнитного поля Урана: эквивалентный диполь удален на расстояние 6 000 км от центра планеты и наклонен на 60° к оси вращения.

Уран имеет 21 спутник и систему колец.

Спутники Урана - Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберлон вращаются по орбитам, плоскости которых практически совпадают между собой. Вся система в целом отличается необычайным наклоном - её плоскость почти перпендикулярна к средней плоскости всех планетных орбит.

4. Нептун

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 предвычислить её положение на небе. Эту чрезвычайно сложную задачу независимо друг от друга успешно решили английский астроном Дж. Адамс и француз У. Леверье. Открытие Нептуна имело величайшее значение, прежде всего потому, что оно послужило блестящим подтверждение закона всемирного тяготения, положенного в основу расчётов.

Эта планета тоже видна только в телескоп (ее звездная величина 7,6^m). Угловой диаметр Нептуна около 2,4", линейный радиус равен 24 760 км, масса - 17,2 массы Земли. Большая полуось орбиты планеты равна около 30,1 а.е., а период обращения вокруг Солнца почти 165 лет. Период вращения был определен спектроскопически и составляет 16,11 час. Направление вращения прямое.

Строение и набор составляющих Нептун элементов, вероятно, подобны Урану: различные «льды» или отвердевшие газы с содержанием около 15 % водорода и небольшого количества гелия. Как и Уран, и в отличие от Юпитера с Сатурном, Нептун, возможно, не имеет четкого внутреннего расслоения. Но наиболее вероятно, что у него есть небольшое твердое ядро (равное по массе Земле).

Атмосфера Нептуна - это, по большей части, водород и гелий с небольшой примесью метана. Синий цвет Нептуна является результатом поглощения красного света в атмосфере этим газом, как на Уране.

Подобно типичной газовой планете, Нептун славен большими бурями и вихрями, быстрыми ветрами, дующими на ограниченных полосах, параллельных экватору. На Нептуне самые быстрые в Солнечной системе ветры, они разгоняются до 2 200 км/час. Ветры дуют на Нептуне в западном направлении, против вращения планеты.

Подобно Юпитеру и Сатурну, Нептун имеет внутренний источник тепла - он излучает более чем в два с половиной раза больше энергии, нежели получает от Солнца.

У Нептуна известны восемь спутников: 4 маленьких, 3 средних и 1 большой. Один из спутников Нептуна, Тритон, принадлежит к числу крупнейших в Солнечной системе (его радиус равен 1 353 км) и движется вокруг планеты в обратном направлении.

Нептун имеет систему колец. В 1989 г. около Нептуна пролетал космический аппарат «Вояджер-2» на расстоянии 4 200 км. Средняя плотность Нептуна 1,7 г/см³.

5. Система Плутон-Харон

Плутон был открыт Клайдосом Томбо (США) в 1930 г. Из 9 известных больших планет Солнечной системы Плутон наиболее удалён от Солнца. Из-за огромной удалённости от Солнца и слабой освещённости изучать Плутон очень сложно.

Плутон обращается вокруг Солнца на среднем расстоянии 39,4 а.е. по орбите с большим эксцентриситетом (е = 0,249). Из-за большого эксцентриситета он оказывается иногда ближе к Солнцу, чем Нептун. Наклонение орбиты (i = 17°) тоже очень большое, и Плутон выходит за пределы пояса зодиакальных созвездий.

Масса Плутона около 0,002 массы Земли, радиус 1 145 км. Это самая маленькая планета Солнечной системы.

Средняя плотность Плутона близка к 2 г/см³. Звездная величина самого Плутона 15^m, его спутник Харон всего на 2^m слабее. Правильнее, наверное, говорить о них, как о двойной планете.

Харон примерно в 2 раза меньше Плутона по размерам и в 15 раз по массе. Период обращения Харона 6,4^d, радиус орбиты 19 640 км, наклонение орбиты около 97°.

Средняя температура поверхности Плутона 37 К. Инфракрасные спектры Плутона показывают, что его поверхность покрыта льдами - метановым и азотным, с примесью углеводородов. Он имеет разреженную атмосферу, метан и азот, по-видимому, являются ее основными составляющими.

6. Спутники планет-гигантов

Системы спутников, расположенные около планет-гигантов, во многом подобны самой Солнечной системе. Орбиты многих спутников почти совпадают с плоскостью экватора центральной планеты, что является сильным аргументом в пользу их совместного образования.

Однако некоторые малые по размерам спутники имеют большие наклонения орбит и обратное направление обращения. Не исключено, что они являются бывшими астероидами, которые изменили свои орбиты и были захвачены планетами-гигантами.

Каждый из четырех спутников Юпитера - это своеобразный, до недавнего времени совсем не известный мир. По размерам некоторые из них несколько больше Луны, другие несколько меньше.

Поверхность Ио необычного желтовато-красного цвета. Судя по спектру отражения, она покрыта в значительной части серой. Вид поверхности свидетельствует о бурной активности недр. Во время полета «Вояджера-1» и «Вояджера-2» через систему Юпитера на Ио были обнаружены действующие вулканы.

Спутник имеет разреженную атмосферу, но состав ее детально не изучен. Одной из составляющих является двуокись серы SO₂. Средняя температура поверхности Ио около 150 К, но в некоторых районах она существенно выше.

Были предложены две гипотезы о возможных источниках энергии, обеспечивающих вулканизм на Ио:

1) мощные приливы, обусловленные гравитационным полем Юпитера;

2) электрические токи, возникающие при движении Ио в магнитном поле планеты.

Три больших спутника Юпитера, по-видимому, имеют ледяную кору. Поверхность их покрыта множеством ударных кратеров. Отличительной особенностью Европы является причудливая сеть переплетающихся тонких деталей - возможно, это трещины в ледяной коре. На Европе и Ганимеде обнаружены разреженные кислородные атмосферы.

Среди спутников Сатурна особое место занимает Титан. Он обладает плотной атмосферой (около 1 атм у поверхности), состоящей в основном из азота. Обнаружены и малые составляющие, включая метан CH₄ и синильную кислоту HCN. Молекула HCN - вероятно, одна из важнейших участниц предбиологического синтеза, но жизнь на поверхности Титана невозможна, так как средняя температура ее около 92 К.

Ударные кратеры покрывают поверхность спутников Сатурна - Дионы, Реи, Тефии, Мимаса, Япета, изображения которых были получены во время пролетов «Вояджера-1» и «Вояджера-2» через систему Сатурна в 1980-1981 гг.

С 5 до 15 возросло число известных спутников Урана в результате пролета «Вояджера-2» вблизи этой планеты (1980), а позднее были открыты еще 6. Были получены также изображения поверхности пяти известных ранее спутников.

В системе Нептуна крупнейший спутник - Тритон. Его орбита сильно наклонена к плоскости экватора планеты и он имеет обратное направление орбитального движения. По-видимому, он образовался отдельно от Нептуна и был им захвачен.

Когда «Вояджер-2» совершил пролет через систему Нептуна (1989), были получены очень хорошие изображения Тритона, а спектроскопические исследования показали, что на нем есть разреженная атмосфера, состоящая из азота и метана. Метановый и азотный льды покрывают поверхность Тритона. Температура поверхности Тритона очень низкая (38 К), но ее строение указывает на внутреннюю активность. Это тектонические и даже вулканические явления в вязкой ледяной среде, механизм которых пока не изучен.

7. Кольца

Кольца Сатурна - один из самых красивых объектов, которые можно наблюдать в телескоп.

Их впервые увидел Галилей в 1610 г., но установить действительную форму найденного им образования Галилею не удалось. Это сделал в 1655 г. Гюйгенс, который обнаружил, что оно представляет собой плоское кольцо, концентричное телу планеты, но не примыкающее к нему.

Размеры кольца огромны: радиус внешнего края кольца составляет 2,3 радиуса планеты, или 137 500 км. Вместе с тем кольцо необычайно тонко - не более 15-20 км толщиной.

Когда кольцо поворачивается (при обращении планеты вокруг Солнца) к Земле ребром, оно вследствие своей тонкости перестает быть видимо даже в самые сильные телескопы, так что Сатурн в это время виден без кольца.

Ныне известно, что «кольцо» представляет собой систему из многих сотен концентрических колец. При наблюдениях с Земли они сливаются и можно выделить лишь несколько градаций, обычно три: внешнее А, среднее В и внутреннее кольцо С. Размеры их следующие:

В экв. диаметрах планеты В км

Внешний диаметр кольца 1 2,310 278 600

Середина деления Кассини 1,985 239 400

Внутренний диаметр кольца 2 1,481 178 500

Внутренний диаметр кольца 3 1,194 144 000

Внешнее кольцо А отделено от среднего кольца В резким темным промежутком, называемым щелью Кассини. Среднее кольцо является самым ярким. От внутреннего кольца С оно тоже отделено темным промежутком. Внутренне кольцо С, темное и полупрозрачное, называется креповым кольцом. Край этого кольца Сатурна с внутренней стороны заметно размыт и сходит на нет постепенно.

Фотографии, полученные «Вояджерами», показали многие удивительные детали, не нашедшие пока объяснения, например, радиальные лучи, переплетения, пучки.

Кольца состоят из огромного количества частиц, находящихся в орбитальном движении вокруг планеты. Спектр отражения колец в ближайшей инфракрасной области содержит полосы поглощения, характерные для льда H₂O. По-видимому, частицы колец состоят в основном из льда. При прохождении Земли через плоскость колец Сатурна удалось установить, что их толщина очень мала (несколько километров).

Юпитер и Уран тоже имеют кольца, но открыты они были только недавно. Они существенно менее развиты, и наблюдать их гораздо труднее.

Кольцо Юпитера - узкое, похожее на кольцо F Сатурна. Оно расположено в плоскости экватора, его радиус около 1,7 радиуса планеты. Впервые кольцо Юпитера было обнаружено на снимках, переданных с борта «Вояджера-1». Внутри кольца находится очень слабое «гало», заполняющее тороидальную зону между кольцом и облачным слоем планеты.

Уран имеет систему колец, но они тоже узкие. Их впервые обнаружили с Земли при наблюдениях покрытий звезд, но гораздо более полные данные были получены при полете «Вояджера-2» вблизи Урана (1986 г.).

Наблюдения покрытия звезд Нептуном также дали определенные свидетельства о том, что у него есть система колец, но не очень уверенные, и наличие их было по-настоящему установлено только при встрече «Вояджера-2» с Нептуном (1989 г.).

В эпоху формирования Солнечной системы вокруг планет-гигантов могли возникать уплощенные облака протопланетной материи, из которой потом образовались спутники. В зоне колец приливная сила препятствует образованию спутника, поэтому есть гипотезы, предполагающие, что кольца Сатурна являются остатками протопланетного вещества.

Другая группа гипотез предполагает, что кольца являются более молодыми и заполняющие их частицы образуются в результате постепенного разрушения спутников.

Гравитационное взаимодействие вещества колец со спутниками и столкновения с ними также играют существенную роль в эволюции колец. В одних случаях спутники мешают разрушению узкого кольца, находящегося рядом, в других, наоборот, удаляют вещество колец (либо «сгребая» его, либо нарушая устойчивость движения).

Заключение

Итак, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун представляют юпитерову группу планет, или группу планет-гигантов, хотя их большие диаметры - не единственная черта, отличающая эти планеты от планет земной группы.

Планеты-гиганты имеют небольшую плотность, краткий период суточного вращения и, следовательно, значительное сжатие у полюсов. Их видимые поверхности хорошо отражают, или, иначе говоря, рассеивают солнечные лучи.

Малая плотность планет-гигантов может объясняться тем, что она получается делением массы на видимый объем, а объем мы оцениваем по непрозрачному слою обширной атмосферы.

Поскольку планеты-гиганты находятся далеко от Солнца, их температура (по крайней мере, над их облаками) очень низка: на Юпитере - 145°С, на Сатурне - 180°С, на Уране и Нептуне еще ниже.

Уже довольно давно установили, что атмосферы планет-гигантов состоят из метана, аммиака, водорода, гелия. Полосы поглощения метана и аммиака в спектрах больших планет видны в огромном количестве. Причем с переходом от Юпитера к Нептуну метановые полосы постепенно усиливаются, а полосы аммиака слабеют.

Основная часть атмосфер планет-гигантов заполнена густыми облаками, над которыми простирается довольно прозрачный газовый слой, где «плавают» мелкие частицы, вероятно, кристаллики замерзших аммиака и метана.

Планеты-гиганты исследованы гораздо хуже, чем планеты земной группы. Это объясняется двумя обстоятельствами:

1) при изучении планет-гигантов в гораздо меньшей степени можно пользоваться аналогиями с теми явлениями, которые наблюдаются на Земле;

2) расстояния до планет-гигантов относительно велики.

Список использованных источников

1. Бондарев, В.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов. - М.: Альфа-М, 2003. - 464с.

2. Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. - М.: Высшее образование, 2007. - 335с. - (Основы наук)

3. Гусейханов, М.К., Раджабов, О.Р. Концепции современного естествознания: Учебник. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2004. - 692с.

4. Игнатова, В.А. Естествознание: Учебное пособие. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. - 254с.

5. Концепции современного естествознания: Учебное пособие/ под общ. ред. проф. С.И. Самыгина. - М.: ИКЦ «МарТ», Ростов н/Д; Издательский центр «МарТ», 2007. - 240с. - (серия «Учебный курс»)

6. Общий курс астрономии: Учебное пособие/ под ред. В.В. Иванова. - М.: Едиториал УРСС, 2001. - 544с.

7. Садохин, А.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. - М.: Издательство Эксмо, 2005. - 464с. - (Образовательный стандарт XXI)

8. Соломатин, В.А. История и концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: ПЕР СЭ, 2002. - 464с. - (Современное образование)