Планеты земной группы. Венера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Доклад

Планеты земной группы. Венера

планета земной венера солнечный

Планеты земной группы - четыре планеты Солнечной системы: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Их ещё называют внутренними планетами, в отличие от внешних планет - планет-гигантов. Согласно ряду космогонических теорий, в значительной части внесолнечных планетных систем экзопланеты тоже делятся на внутренние твердотельные планеты и внешние газовые планеты. По строению и составу к планетам земной группы близки некоторые каменные астероиды, например, Веста.

Основные характеристики

Планеты земной группы обладают высокой плотностью и состоят преимущественно из силикатов и металлического железа (в отличие от газовых планет и каменно-ледяных карликовых планет, объектов пояса Койпера и облака Оорта). Наибольшая планета земной группы - Земля - более чем в 14 раз уступает по массе наименее массивной газовой планете - Урану, но при этом примерно в 400 раз массивнее наибольшего известного объекта пояса Койпера.

Планеты земной группы состоят главным образом из кислорода, кремния, железа, магния, алюминия и других тяжёлых элементов.

Все планеты земной группы имеют следующее строение:

В центре ядро из железа с примесью никеля.

Мантия, состоит из силикатов.

Кора, образовавшаяся в результате частичного плавления мантии и состоящая также из силикатных пород, но обогащённая несовместимыми элементами. Из планет земной группы коры нет у Меркурия, что объясняют её разрушением в результате метеоритной бомбардировки. Земля отличается от других планет земной группы высокой степенью химической дифференциации вещества и широким распространением гранитов в коре.

Две из планет земной группы (самые далёкие от Солнца - Земля и Марс) имеют спутники. Ни одна из них (в отличие от всех планет-гигантов) не имеет колец.

Экзопланеты земного типа

Считается, что землеподобные планеты наиболее благоприятны для возникновения жизни, поэтому их поиск привлекает пристальное внимание общественности. Так в декабре 2005 года учёные из Института космических наук (Пасадена, Калифорния) сообщили об обнаружении похожей на Солнце звезды, вокруг которой предположительно формируются скалистые планеты. В дальнейшем были обнаружены планеты, которые лишь в несколько раз массивнее Земли и, вероятно, должны иметь твёрдую поверхность.

Примером экзопланет земного типа могут служить суперземли. По состоянию на июнь 2012 года найдено более 50 суперземель.

Венера

Венера - вторая внутренняя планета Солнечной системы с периодом обращения в 224,7 земных суток. Названа именем Венеры, богини любви из римского пантеона. Это единственная из восьми основных планет Солнечной системы, получившая название в честь женского божества.

Венера - третий по яркости объект на небе Земли после Солнца и Луны и достигает видимой звёздной величины в ?4,6. Поскольку Венера ближе к Солнцу, чем Земля, она никогда не удаляется от Солнца более чем на 47,8° (для земного наблюдателя). Лучше всего она видна незадолго до восхода или через некоторое время после захода Солнца, что дало повод называть её также Вечерняя звезда или Утренняя звезда.

Венера классифицируется как землеподобная планета, и иногда её называют «сестрой Земли», потому что обе планеты похожи размерами, силой тяжести и составом. Однако условия на двух планетах очень разнятся. Поверхность Венеры скрывают чрезвычайно густые облака серной кислоты с высокой отражательной способностью, что мешает увидеть её поверхность в видимом свете (но её атмосфера прозрачна для радиоволн, с помощью которых впоследствии и был исследован рельеф планеты). Споры о том, что находится под густой облачностью Венеры, продолжались до двадцатого столетия, пока многие из тайн Венеры не были приоткрыты планетологией. У Венеры самая плотная среди известных землеподобных планет атмосфера, состоящая главным образом из углекислого газа. Это объясняется тем, что на Венере нет круговорота углерода и жизни, которая могла бы перерабатывать его в биомассу.

В глубокой древности Венера, как полагают, настолько разогрелась, что подобные земным океаны, которыми, как считается, она обладала, полностью испарились, оставив после себя пустынный пейзаж с множеством плитоподобных скал. Одна из гипотез полагает, что из-за слабости магнитного поля водяной пар (расщеплённый солнечным излучением на элементы) был унесён солнечным ветром в межпланетное пространство. Установлено, что атмосфера планеты и сейчас теряет водород и кислород в соотношении 2:1.

Атмосферное давление на поверхности Венеры в 92 раза больше, чем на Земле. Детальное картографирование поверхности Венеры проводилось в течение последних 22 лет, в частности проектом «Магеллан». Поверхность Венеры носит яркие признаки вулканической деятельности, а атмосфера содержит много серы. Некоторые эксперты полагают, что вулканическая деятельность на Венере продолжается и сейчас. Однако явных доказательств этому не было найдено, поскольку пока ни на одной из вулканических впадин - кальдер - не было замечено лавовых потоков. Удивительно низкое число ударных кратеров говорит в пользу того, что поверхность Венеры относительно молода: ей приблизительно 500 миллионов лет. Никаких свидетельств тектонического движения плит на Венере не обнаружено, возможно, потому что её литосфера из-за отсутствия воды слишком вязкая и, следовательно, недостаточно подвижна. Полагают также, что Венера постепенно теряет внутреннюю высокую температуру.

Основные сведения

Среднее расстояние Венеры от Солнца - 108 млн км (0,723 а. е.). Расстояние от Венеры до Земли меняется в пределах от 40 до 259 млн км[9]. Её орбита очень близка к круговой - эксцентриситет составляет всего 0,0068. Период обращения вокруг Солнца равен 224,7 земных суток; средняя орбитальная скорость - 35 км/с. Наклон орбиты к плоскости эклиптики равен 3,4°.

Венера вращается вокруг своей оси, отклонённой на 2° от перпендикуляра к плоскости орбиты, с востока на запад, то есть в направлении, противоположном направлению вращения большинства планет. Один оборот вокруг оси занимает 243,02 земных суток. Комбинация этих движений даёт величину солнечных суток на планете 116,8 земных суток. Интересно, что один оборот вокруг своей оси по отношению к Земле Венера совершает за 146 суток, а синодический период составляет 584 суток, то есть ровно вчетверо дольше. В результате, в каждом нижнем соединении Венера обращена к Земле одной и той же стороной. Пока неизвестно, является ли это совпадением, или же здесь действует гравитационное притяжение Земли и Венеры.

По размерам Венера довольно близка к Земле. Радиус планеты равен 6051,8 км (95% земного), масса - 4,87·1024 кг (81,5% земной), средняя плотность - 5,24 г./смі[1]. Ускорение свободного падения равно 8,87 м/сІ, вторая космическая скорость - 10,46 км/с.

Атмосфера

Атмосферу на Венере открыл русский учёный М.В. Ломоносов 6 июня 1761 года (по новому стилю) [10].

Атмосфера Венеры состоит в основном из углекислого газа (96%) и азота (почти 4%). Водяной пар и кислород содержатся в ней в следовых количествах (0,02% и 0,1%). Венерианская атмосфера содержит в 105 раз больше газа, чем земная[11]. Давление у поверхности достигает 93 атм, температура - 750 К (475°C). Это превышает температуру поверхности Меркурия, находящегося вдвое ближе к Солнцу. Причиной столь высокой температуры на Венере является парниковый эффект, создаваемый плотной углекислотной атмосферой.

Плотность атмосферы Венеры у поверхности всего в 14 раз меньше плотности воды. Несмотря на медленное вращение планеты, перепада температур между дневной и ночной стороной планеты не наблюдается - настолько велика тепловая инерция атмосферы.

Атмосфера Венеры простирается до высоты 250 км[12].

Облачный покров расположен на высоте 30-60 км и состоит из нескольких слоёв. Химический состав облаков не установлен. Предполагается, что в них могут присутствовать капельки концентрированной серной кислоты, соединения серы и хлора. Измерения, проведённые с борта космических аппаратов, спускавшихся в атмосфере Венеры, показали, что облачный покров не очень плотный, и, скорее, напоминает лёгкую дымку.

Во время пролёта «Galileo» мимо Венеры была проведена съёмка инфракрасным спектрометром NIMS, и неожиданно выяснилось, что на волнах длиной 1,02, 1,1 и 1,18 мкм сигнал коррелирует с топографией поверхности, то есть для соответствующих частот существуют «окна», через которые видна поверхность Венеры.

В ультрафиолетовом свете облачный покров выглядит как мозаика светлых и тёмных полос, вытянутых под небольшим углом к экватору. Их наблюдения показывают, что облачный покров вращается с востока на запад с периодом 4 суток. Это означает, что на уровне облачного покрова дуют ветры со скоростью 100 м/с.

О нерешённых проблемах, связанных с атмосферой планеты, высказался сотрудник Института исследований Солнечной системы Общества Макса Планка (ФРГ) Дмитрий Титов[13]:

Практически вся её атмосфера вовлечена в один гигантский ураган: она вращается вокруг планеты со скоростью, достигающей 120-140 метров в секунду у верхней границы облаков. Мы пока совершенно не понимаем, как это происходит, и что поддерживает это мощнейшее движение. Ещё один пример: известно, что основной серосодержащий газ на Венере - это двуокись серы. Но когда мы начинаем моделировать химию атмосферы на компьютере, то выясняется, что двуокись серы должна быть «съедена» поверхностью в течение геологически короткого времени. Этот газ должен исчезнуть, если нет какой-то постоянной подпитки. Её приписывают, как правило, вулканической активности.

В венерианской атмосфере молнии бьют в два раза чаще, чем в земной. Это явление получило название «электрический дракон Венеры». Природа такой электрической активности пока неизвестна. Впервые этот феномен был зафиксирован аппаратом «Венера-2». Причём обнаружили его как помехи в радиопередаче.

По данным советского аппарата «Венера-8», освещённость у поверхности планеты при высоте Солнца 5,5° над горизонтом составляет 350±150 люкс, то есть незначительная часть солнечного излучения достигает поверхности планеты. При нахождении Солнца в зените освещённость составляет уже 1000-3000 люкс[14]. На Венере никогда не бывает ясных дней[15].

По данным аппарата «Венера-экспресс» в атмосфере Венеры был обнаружен озоновый слой[16] [17]. Он расположен намного выше земного - на высоте около 100 км - и содержит в сотни раз меньше озона. Предполагается, что озоновый слой на Венере образуется под действием солнечного излучения из углекислого газа. Учёные подчёркивают, что концентрация озона в атмосфере Венеры характерна для неорганического сценария образования[16].

Климат

Расчёты показывают, что при отсутствии парникового эффекта максимальная температура поверхности Венеры не превышала бы 80°C[уточнить]. В действительности же температура на поверхности Венеры (на уровне среднего радиуса планеты) - около 750 К (477°C), причём её суточные колебания незначительны. Давление - около 93 атм, плотность газа почти на два порядка выше, чем в атмосфере Земли. Установление этих фактов разочаровало многих исследователей, полагавших, что на этой, так похожей на нашу, планете условия близки к тем, что были на Земле в каменноугольный период, а следовательно, там может существовать похожая биосфера. Первые определения температуры, казалось, могли оправдать такие надежды, но уточнения (в частности, при помощи спускаемых аппаратов) показали, что по причине парникового эффекта возле поверхности Венеры исключена всякая возможность существования жидкой воды.

Этот эффект в атмосфере планеты, приводящий к сильному разогреванию поверхности, создают углекислый газ и водяной пар, которые интенсивно поглощают инфракрасные (тепловые) лучи, испускаемые нагретой поверхностью Венеры. Температура и давление сначала падают с увеличением высоты. Минимум температуры 150-170 К (?125… ?105°C) определён на высоте 60-80 км[18], а по мере дальнейшего подъёма температура растёт, достигая на высоте 90-120 км 310-345 К (35-70°C) [19].

Ветер, весьма слабый у поверхности планеты (не более 1 м/с), в районе экватора на высоте свыше 50 км усиливается до 150-300 м/с. Наблюдения с автоматических космических станций обнаружили в атмосфере грозы.

Поверхность и внутреннее строение

Исследование поверхности Венеры стало возможным с развитием радиолокационных методов. Наиболее подробную карту составил американский аппарат «Магеллан», заснявший 98% поверхности планеты. Картографирование выявило на Венере обширные возвышенности. Крупнейшие из них - Земля Иштар и Земля Афродиты, сравнимые по размерам с земными материками. Ударных кратеров на Венере относительно немного. Значительная часть поверхности планеты геологически молода (порядка 500 млн лет). 90% поверхности планеты покрыто застывшей базальтовой лавой.

В 2009 году была опубликована карта южного полушария Венеры, составленная с помощью аппарата «Венера-экспресс». На основе данных этой карты возникли гипотезы о наличии в прошлом на Венере океанов воды и сильной тектонической активности[20].

Предложено несколько моделей внутреннего строения Венеры. Согласно наиболее реалистичной из них, на Венере есть три оболочки. Первая - кора толщиной примерно 16 км. Далее - мантия, силикатная оболочка, простирающаяся на глубину порядка 3300 км до границы с железным ядром, масса которого составляет около четверти всей массы планеты. Поскольку собственное магнитное поле планеты отсутствует, то следует считать, что в железном ядре нет перемещения заряженных частиц - электрического тока, вызывающего магнитное поле, следовательно, движения вещества в ядре не происходит, то есть оно находится в твёрдом состоянии. Плотность в центре планеты достигает 14 г./смі.

Подавляющее большинство деталей рельефа Венеры носит женские имена, за исключением высочайшего горного хребта планеты, расположенного на Земле Иштар близ плато Лакшми и названного в честь Джеймса Максвелла.

Рельеф

Аппараты «Венера-15» и «Венера-16» в 1983-1984 годах с помощью радара закартировали большую часть северного полушария. Американский «Магеллан» с 1989 по 1994 год произвёл более детальное (с разрешением 300 м) и почти полное картографирование поверхности планеты. На ней обнаружены тысячи древних вулканов, извергавших лаву, сотни кратеров, арахноиды, горы. Поверхностный слой (кора) очень тонок; ослабленный высокой температурой, он слабо препятствует прорыванию лавы наружу. Два венерианских континента - Земля Иштар и Земля Афродиты - по площади не меньше Европы каждый, однако по протяжённости их несколько превосходят каньоны Парнгэ, названные в честь хозяйки леса у ненцев, которые являются самой большой деталью рельефа Венеры. Низменности, похожие на океанские впадины, занимают на Венере только одну шестую поверхности. Горы Максвелла на Земле Иштар возвышаются на 11 км над средним уровнем поверхности. Горы Максвелла, а также области Альфа и Бета являются единственными исключениями из правила о наименованиях, принятого МАС. Всем остальным районам Венеры даны женские имена, в том числе русские: на карте можно найти Землю Лады, равнину Снегурочки и каньон Бабы-Яги[21].

Ударные кратеры - редкий элемент венерианского пейзажа. На всей планете имеется лишь около 1000 кратеров. На снимке два кратера диаметрами около 40-50 км. Внутренняя область заполнена лавой. «Лепестки» вокруг кратеров представляют собой участки, покрытые раздроблённой породой, выброшенной наружу во время взрыва при образовании кратера.

Наблюдение Венеры

Вид с Земли

Венеру легко распознать, так как по блеску она намного превосходит самые яркие звёзды. Отличительным признаком планеты является её ровный белый цвет. Венера, так же как и Меркурий, не отходит на небе на большое расстояние от Солнца. В моменты элонгаций Венера может удалиться от нашей звезды максимум на 47,8°. Как и у Меркурия, у Венеры есть периоды утренней и вечерней видимости: в древности считали, что утренняя и вечерняя Венеры - разные звёзды. Венера - третий по яркости объект на нашем небе. В периоды видимости её блеск в максимуме около ?4,4m.

В телескоп, даже небольшой, можно без труда увидеть и пронаблюдать изменение видимой фазы диска планеты. Его впервые наблюдал в 1610 году Галилей.

Прохождение по диску Солнца

Так как Венера расположена ближе к Солнцу, чем Земля, с Земли можно наблюдать прохождение Венеры по диску Солнца. При этом планета предстаёт в виде маленького чёрного диска на фоне огромного светила. Однако это очень редкое явление. В течение примерно двух с половиной столетий случается четыре прохождения - два декабрьских и два июньских. Последнее произошло 6 июня 2012 года. Следующее прохождение будет только 11 декабря 2117 года.

Впервые наблюдал прохождение Венеры по диску Солнца 4 декабря 1639 года английский астроном Иеремия Хоррокс (1619-1641). Он же это явление предвычислил.

Особый интерес для науки представляли наблюдения «явления Венеры на Солнце», которые сделал М.В. Ломоносов 6 июня 1761 года. Это космическое явление было также заранее вычислено и с нетерпением ожидалось астрономами всего мира[22]. Исследование его требовалось для определения параллакса, позволявшего уточнить расстояние от Земли до Солнца (по методу, разработанному английским астрономом Э. Галлеем), что требовало организации наблюдений из разных географических точек на поверхности земного шара - совместных усилий учёных многих стран[23].

Из рукописи М.В. Ломоносова «Явление Венеры на Солнце…». 1761

Аналогичные визуальные исследования производились в 40 пунктах при участии 112 человек. На территории России организатором их был М.В. Ломоносов, обратившийся 27 марта в Сенат с донесением, обосновывавшим необходимость снаряжения с этой целью астрономических экспедиций в Сибирь, ходатайствовал о выделении денежных средств на это дорогостоящее мероприятие, он составил руководства для наблюдателей и т.д. Результатом его усилий стало направление экспедиции Н.И. Попова в Иркутск и С.Я. Румовского - в Селенгинск. Немалых усилий также стоила ему организация наблюдений в Санкт-Петербурге, в Академической обсерватории, при участии А.Д. Красильникова и Н.Г. Курганова. В их задачу входило наблюдение контактов Венеры и Солнца - зрительного касания краёв их дисков. М.В. Ломоносов, более всего интересовавшийся физической стороной явления, ведя самостоятельные наблюдения в своей домашней обсерватории, обнаружил световой ободок вокруг Венеры[23].

Это прохождение наблюдалось во всём мире, но только М.В. Ломоносов обратил внимание на то, что при соприкосновении Венеры с диском Солнца вокруг планеты возникло «тонкое, как волос, сияние». Такой же светлый ореол наблюдался и при схождении Венеры с солнечного диска.

М.В. Ломоносов дал правильное научное объяснение этому явлению, считая его результатом рефракции солнечных лучей в атмосфере Венеры. «Планета Венера, - писал он, - окружена знатной воздушной атмосферой, таковой (лишь бы не большею), какова обливается около нашего шара земного». Так впервые в истории астрономии, ещё за сто лет до открытия спектрального анализа, было положено начало физическому изучению планет. В то время о планетах Солнечной системы почти ничего не было известно. Поэтому наличие атмосферы на Венере М.В. Ломоносов рассматривал как неоспоримое доказательство сходства планет и, в частности, сходства между Венерой и Землёй. Эффект увидели многие наблюдатели: Т. Бергман, П. Варгентин, Шапп д'Отерош, С.Я. Румовский, но только М.В. Ломоносов правильно его истолковал. В астрономии этот феномен рассеяния света, отражение световых лучей при скользящем падении (у М.В. Ломоносова - «пупырь»), получил его имя - «явление Ломоносова» [24] [23].

Интересен второй эффект, наблюдавшийся астрономами с приближением диска Венеры к внешнему краю диска Солнца или при удалении от него. Данное явление, открытое также М.В. Ломоносовым, не было удовлетворительно истолковано, и его, по всей видимости, следует расценивать как зеркальное отражение Солнца атмосферой планеты - особенно велико оно при незначительных углах скольжения, при нахождении Венеры вблизи Солнца. Учёный описывает его следующим образом[25] [23]:

Ожидая вступления Венерина на Солнце около сорока минут после предписанного в эфемеридах времени, увидел наконец, что солнечный край чаемого вступления стал неявственен и несколько будто стушеван, а прежде был весьма чист и везде ровен. Полное выхождение, или последнее прикосновение Венеры заднего края к Солнцу при самом выходе, было также с некоторым отрывом и с неясностью солнечного края.

Исследования планеты с помощью космических аппаратов

«Венера-3» - первый космический аппарат, достигший Венеры

Венера довольно интенсивно исследовалась с помощью космических аппаратов. Первым космическим аппаратом, предназначавшимся для изучения Венеры, был советский «Венера-1». После попытки достижения Венеры этим аппаратом, запущенным 12 февраля 1961 года, к планете направлялись советские аппараты серии «Венера», «Вега», американские «Маринер», «Пионер-Венера-1», «Пионер-Венера-2», «Магеллан», европейский «Венера-экспресс», японский «Акацуки». В 1975 году космические аппараты «Венера-9» и «Венера-10» передали на Землю первые фотографии поверхности Венеры; в 1982 году «Венера-13» и «Венера-14» передали с поверхности Венеры цветные изображения[26]. Впрочем, условия на поверхности Венеры таковы, что ни один из космических аппаратов не проработал на планете более двух часов. Роскосмос планирует отправку станции «Венера-Д» со спутником планеты и более живучим зондом, который должен проработать на поверхности планеты не менее месяца[27] [28], а также комплекса «Венера-Глоб» из орбитального спутника и нескольких спускаемых модулей[29].

Размещено на Allbest.ru