Общие закономерности строения Солнечной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 5

Общие закономерности строения Солнечной системы

1. Общие сведения

В состав Солнечной системы входят 8 планет, их спутники, астероиды, кометы, метеорные тела, межпланетный газ и пыль. Происхождение, эволюция и законы движения этих тел определяются Солнцем. Размеры Солнечной системы а.е. или примерно 1 пс. Сфера влияния Солнца смыкается со сферами влияния ближайших к нему звезд. Не всякое тело в сфере влияния Солнца является членом Солнечной системы.

Критерии принадлежности тела к Солнечной системе:

1.Полная механическая энергия тела должна быть отрицательна. Полная механическая энергия складывается из потенциальной гравитационной и кинетической энергии. Потенциальная гравитационная энергия по определению отрицательна,

.

кинетическая энергия всегда положительна.

,

Значит, потенциальная гравитационная энергия по модулю должна быть больше кинетической энергии,

[П] > K,

E = П + K < 0

2. Тело должно постоянно находиться в области преобладающего притяжения Солнца.

Таким образом, внутри Солнечной системы могут временно находиться пролетные тела, которые Солнечной системе не принадлежат.

Массу тел солнечной системы принято измерять в массах Земли,

Проанализируем распределение массы по разным телам Солнечной системы:

Общая масса планет

спутников

астероидов

метеоров и комет

Вывод: основная масса Солнечной системе заключена в планетах, но по сравнению с массой Солнца массы всех тел Солнечной системы пренебрежимо малы.

Планеты и их спутники интенсивно изучались с Земли с момента изобретения телескопа, то есть с 1609 года. В 1918 году в обсерватории Маунт Вилсон заработал крупнейший в то время телескоп с диаметром основного зеркала 2,5 м (101 дюйм). На этом телескопе было достигнуто предельное угловое разрешение, возможное при наблюдении через земную атмосферу, ?б=0.2''. С помощью этого телескопа удалось увидеть почти все детали поверхностей планет и спутников, которые можно разглядеть с Земли.

В настоящее время планеты изучаются главным образом с телескопов, установленных на искусственных спутниках Земли и на космических станциях, посылаемых к планетам. При этом наблюдения идут во всех длинах волн. С Земли за планетами и спутниками в настоящее время ведется мониторинг, то есть следят за изменениями, происходящими на них. Кроме того, используя новые технологии, более совершенные приемники излучения и методику наблюдений, удается и с помощью земных телескопов обнаруживать новые детали на поверхности планет.

2. Закономерности Солнечной системы

1. Все планеты обращаются вокруг Солнца по почти круговым орбитам, то есть по эллиптическим орбитам с малыми эксцентриситетами. Орбиты планет лежат почти в одной плоскости, примерно совпадающей с плоскостью экватора Солнца. Максимальное отклонение у Меркурия, на 7°. Орбиты, лежащие в одной плоскости, называются компланарными.

2. Все планеты движутся по своим орбитам в одном направлении, совпадающим с направлением вращения Солнца. Это направление называется прямым.

3. Осевые вращения почти всех планет (кроме Венеры и Урана) - прямые. Венера вращается в обратном направлении. Уран вращается «лежа на боку»: угол между осью вращения и плоскостью орбиты примерно 188°.

4. Радиусы орбит планет примерно подчиняются эмпирическому закону Боде-Тициуса, который сформулировал Иоганн Тициус в 1766 году

, а.е.,

причем на месте пятой планет находится Главный Пояс астероидов. В этой формуле n означает номер планеты, но начинается нумерация с -?, как показано в табл. 5.1. Угол i здесь - между плоскостью орбиты планеты и плоскостью эклиптики. В таблицу включён и один из крупнейших астероидов пояса Койпера, Плутон. Видно, что положение Плутона в Солнечной системе закону Тициуса-Бодэ не подчиняется.

5. Все планеты по своим физическим характеристикам делятся на две группы:

планеты Земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс

и планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

6. Распределение масс и момента количества движения между Солнцем и планетами резко различается: планеты содержат 0,15% массы и 98% момента количества движения, то есть удельный момент количества движения (рассчитанный на единицу массы) у планет в 35000 раз больше, чем у Солнца.

Таблица 5.1 Некоторые важнейшие характеристики планет Солнечной системы

7. Большинство планет, кроме Меркурия и Венеры, имеют естественные спутники. Большинство спутников планет обращаются вокруг своих планет по эллиптическим орбитам с малыми эксцентриситетами, причем большинство спутников одной планеты имеют почти компланарные орбиты. Но плоскости орбит спутниковых систем разных планет могут значительно различаться, ибо они привязаны к плоскости экватора планеты. Направление движения спутников по своим орбитам совпадает с направлением вращения планеты вокруг своей оси, за исключением самых внешних спутников Юпитера и Сатурна.

3. Вычисление углового момента

Угловой момент Солнечной системы сосредоточен, в основном, в орбитальном угловом моменте планет.

Полный угловой момент планет складывается из их вращательного и орбитального моментов количества движения. Но, поскольку в Солнечной системе расстояния планет от Солнца на много больше их радиусов, то подавляющий вклад в полный угловой момент каждой планеты дает его орбитальный момент количества движения. Орбитальные угловые моменты планет легко оценить, пользуясь формулами для точечных тел, и приближенно полагая, что они движутся по круговым орбитам с постоянными скоростями. Получим формулу для орбитального углового момент планеты, J.

, v = щa,

,

где щ= - угловая скорость,

Р - период орбитального движения,

а - среднее расстояние планеты от Солнца.

Поскольку - для планет Солнечной системы, то

,

отсюда щ ,

окончательно, - орбитальный угловой момент планеты.

Подставив параметры Юпитера, получим

J=2*1050

Момент количества движения Солнца в системе отсчета привязанной к центру Солнца полностью состоит из его вращательного углового момента. (То есть, мы не рассматриваем здесь движение Солнца внутри Галактики.) Угловой момент вращения Солнца рассчитать сложно, т.к. надо учитывать его внутреннюю неоднородность и дифференциальное вращение. Если считать Солнце сферически симметричным, то можно написать

,

или

Так как V=,

то J?

Если делать приближенные оценки, то можно пренебречь дифференциальным вращения Солнца и считать, тогда можно написать

J?

Численное интегрирование с использованием модельной зависимости с(r) дает

J? = 0.1

Взяв из наблюдений за солнечными пятнами , получим

,

Если интегрировать, пренебрегая внутренней неоднородностью Солнца, то получим приближенно:

,

,

Учет внутренней неоднородности Солнца дает величину в 6 раз меньше, т.к. основная масса Солнца сосредоточена в его ядре:

- средняя по объему плотность Солнца,

- плотность в центре Солнца.

Сравнивая момент количества движения Солнца и Юпитера. видим, что Солнечный почти в 100 раз меньше.

4. Фотометрия планет и спутников

Солнечное излучение, падающее на планету, частично поглощается, частично отражается. Отражательная способность тел характеризуется альбедо, А - это отношение отраженного потока излучения к падающему потоку. Альбедо зависит от длины волны, A=f(л). Aльбедо определяется коэффициентами поглощения и рассеяния поверхности тел и их атмосфер, которые зависят от плотности, температуры и химического состава вещества. Aльбедо особенно велико у планет с плотными атмосферами.

Поглощенная солнечная энергия нагревает поверхность и атмосферу планеты и переизлучается в длинноволновой области спектра. Поэтому спектр излучения планеты имеет два максимума, связанных с солнечным излучением. Первый максимум соответствует отраженному солнечному излучению и у всех планет приходится на длину волны максимума солнечного спектра, л = 5500 А. Второй максимум соответствует эффективной температуре планеты по закону Вина,

лmax = 2.9*107/Tэфф, А

Температура на поверхности планет определяется уравнением теплового баланса. Уравнение теплового баланса для планет в общем случае можно сформулировать так:

Энергия излучения планеты равна поглощенной энергии от звезды плюс энергии, исходящей из глубоких слоев внутри планеты.

Запишем это уравнение математически сначала в дифференциальной форме, то есть для единичной площади поверхности планеты. В дифференциальной форме необходимо записывать уравнение для планет без атмосферы, в этом случае температура в каждой точке поверхности планеты будет определяться положением Солнца.

Равновесный поток энергии излучения тела = уT4.

Поглощенная энергия от Солнца = (1-A)•E•cosz,

где E - освещенность, солнечный планета космический спутник

z - зенитное расстояние Солнца в данной точке.

Поток энергии из глубоких слоев тела обозначим F. Тогда уравнение теплового баланса в дифференциальной форме имеет вид

уT4 = (1-A)•E•cosz + F

Вспомним определение освещенности - это количество энергии, падающей на единицу площади за 1 секунду. Ее можно выразить через температуру Солнца и расстояние между Солнцем и планетой:

,

где r - расстояние между звездой и планетой

Если пренебречь внутренним потоком тепла из недр планеты, то для температуры на поверхности получим

,

Для планеты с атмосферой уравнение теплового баланса надо записывать в интегральной форме, усредняя по всей поверхности излучаемый планетой поток энергии и усредняя по половине поверхности поток энергии, падающий с Солнца. Без учета внутреннего потока уравнение будет иметь вид

,

Отсюда температура планеты, усредненная по всей ее поверхности

,

Введем понятие солнечная постоянная, f -это количество энергии Солнца падающей на единичную площадку планеты вне атмосферы в 1 секунду под углом 90o к поверхности. Солнечную постоянную можно наути из соотношения

4рR2?T4? = 4рr2f

отсюда f =

Фактически, это освещенность, только рассчитанная за пределами атмосферы планеты и для положения Солнца в зените. Для Земли солнечная постоянная

Уравнение теплового баланса в дифференциальной форме можно записать, используя солнечную постоянную

уTе4=(1-A)•f + F

Для планет Земной группы, спутников планет и более мелких тел Солнечной системы собственная энергия, исходящая из глубоких слоев мала, ей можно пренебречь.

Размещено на Allbest.ru