Строение удаленных планет-гигантов: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Тюменский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра Общей и специальной химии

Реферат

По дисциплине: «Концепции современного естествознания»

На тему: «Строение удаленных планет-гигантов: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон»

Выполнила: Андронова К. В.

Преподаватель: Шальнева Н.В.

Тюмень 2015



Содержание

Введение

1. Юпитер

1.1 Образование Юпитера

1.2 Строение планеты

1.3 Магнитное поле

2. Уран

3. Нептун

4. Общая характеристика планет-гигантов

5. Особенности строения планет-гигантов

6. Планеты гиганты

7. Теория панспермии

8. Биохимическая эволюция

9. Теория стационарного состояния

Заключение

Литература



Введение

Планеты-гиганты - большие планеты, расположенные за поясом астероидов до Нептуна включительно: Сатурн, Юпитер, Уран. Они представляют собой газообразные тела, сжатые под гигантским давлением; они значительно больше по размерам и массе, чем планеты земной группы, меньше по плотности, быстрее вращаются. Планеты-гиганты имеют многочисленные семьи спутников и системы колец. Около 98% суммарной массы планет Солнечной системы приходится на долю Планет-гигантов. Планеты - наиболее массивные тела Солнечной системы, движущиеся по эллиптической орбите вокруг солнца. Светятся отраженным солнечным светом. Семейство планет-гигантов расположено за астероидным поясом, ни одна из четырех больших планет не обладает твердой поверхностью. Семейство больших планет включает в себя много твердых тел. Это их спутник, охватывающие широкий диапазон размеров - от сопоставимых с планетами земной группы до небольших астероидов.

Сведения об этих телах, основанные на наземных наблюдениях, до недавнего времени были весьма ограничены. Положение резко изменилось после пролетов космических аппаратов "Вояджер" через системы Сатурна и Юпитера. По-прежнему мало известно о самых внешних спутниках Юпитера и Сатурна, обладающих наибольшими наклонениями и эксцентриситетами орбит, а также, о спутниках Урана и Нептуна. Примерно четверть из обширного семейства спутников Юпитера, а также Феба-спутник Сатурна, находящиеся на самых далеких орбитах, обращаются вокруг своих планет не в прямом, а в обратном направлении. Уже сам этот факт определенно указывает на то, что эти спутники, вероятно, представляют собой захваченные астероиды, имеющие неправильную форму, и что основные черты их поверхностей не претерпели заметных изменений после захвата. В то же время природа других, особенно близких к планете больших спутников, скорее всего, являются иной, тесно связанной с периодом формирования самой планеты. Можно предположить, что при очень низкой температуре конденсации во внешних областях Солнечной системы при сравнительно малых размерах этих тел значительная часть слагающего вещества представляет собой водяной, аммиачный и метановый лед, который во многих случаях должен обнаруживаться на поверхности. Наиболее вероятным кажется наличие водяного льда вследствие его большого содержания в Солнечной системе, а также более высокой стабильности по сравнению с аммиачным и метановым льдом. На самом деле наблюдается, что водяной лед действительно был обнаружен на трех из четырех галилеевых спутников Юпитера и на шести спутниках Сатурна. Основой для этого вывода первоначально послужили спектры отражения галилеевых спутников в сопоставлении со спектром льда из воды, которые показали, что характерные признаки ледяного поглощения особенно четко выделяются в спектрах Европы и Ганимеда, в значительно меньшей степени они проявляются у Каллисто, а у Ио вообще отсутствуют. Это привело к представлениям о существенных различиях поверхностей этих тел и разных путях их тепловой эволюции.

По результатам наземных астрономических наблюдений примерно аналогичная ситуация отмечалась у спутников Сатурна. Эти наблюдения привели к выводу о том, что покрытые водяным льдом поверхности или даже почти целиком ледяной состав имеют все крупные спутники внутри орбиты Титана-Мимас, Энцелад, Тефия, Диона, Рея. Позднее к этому семейству был отнесен Гиперион. Менее определенные выводы можно было сделать относительно Япета, у которого еще открывший его в семнадцатом веке Д. Кассини обнаружил удивительную особенность: одна его сторона в направлении движения по орбите обладает в несколько раз более высокой отражательной способностью, чем противоположенная. Значительно позднее поверхность на светлой стороне по своему составу была отождествлена с водяным льдом, а отражение от темной оказалась столь же низким как у угольной пыли.

Пока ничего не известно о поверхности самого большого спутника Сатурна-Титана, по размерам превышающего Меркурий. Объясняется это тем, что изучению отражательных свойств его поверхности мешает атмосфера. Предполагали, что поверхность Титана может состоять из водяного или метанового льда. Выдвигалась гипотеза, согласно которой она может быть покрыта густой органической массой. В основе последней лежали результаты лабораторных исследований, показавшие, что в метаново-водородных атмосферах под воздействием ультрофиалетового излучения образуются сложные углеводы - такие как этан, этилен и ацетилен. К сожалению, реальность уже не раз опровергала экзотические ожидания; будет ли исключением Титае с его, как было недавно установлено, холодной азотной атмосферой?

Лишь к началу 80-х голов, благодаря открывшейся возможности получения высококачественных спектров в ближней ИК-области при помощи большого инфракрасного телескопа на обсерватории Муана-кеа, удалось получить надежные сведения о спутниках Урана. Наличие характерных полос поглощение в интервале длин волн 1,5-2,5 км позволило американским астрономам Р. Брауну и Д. Крукшенку сделать вывод, что поверхность Ариэля, Титании, Оберона и Умбриеля также образованы водяным льдом. При этом оказалось, что чисто ледяную поверхность имеет только Ариэль, в то время как в спектрах остальных присутствуют признаки другой компоненты, частично покрывающий лед или перемешанной со льдом. Такой компонентой могли бы быть силикатные породы. В целом просматривается определенная закономерность: чем спутник дольше от планеты, тем количество примесей больше. По характеру отражения степень "загрязнения" ледяных поверхностей спутников Урана в среднем выше, чем, например, поверхность Ганимеда, но меньше, чем темной стороны Япета. Что касается спутников Нептуна, то каких-либо свидетельств присутствия водяного или образующегося при еще более низких температурах конденсации аммиачного или метанового льда пока не найдено. Это- вопрос будущих исследований, потребующих дальнейшего совершенствования методик и инструментов для проведения этих очень трудных наблюдений.

Состав и структура атмосфер планет-гигантов сильно отличается от атмосфер планет земной группы. Основные составляющие - водород и гелий, а также метан и аммиак. В атмосфере Юпитера свыше 87% по объему водорода и примерно 13% гелия, остальные газы, включая метан, аммиак, воду, находятся в виде примесей, на уровне десятых сотых процента. Примерно анологичная ситуация в атмосфере Сатурна, в то время как в атмосферах Урана и Нептуна относительное содержания аммиака и метана значительно больше. В атмосфере Юпитера обнаружены также молекулы окиси углерода, фосфина, циана, и, наконец, высшие углеводороды - этан, ацетилен. Этан, очевидно, образуется в результате ультрафиолетового фотолиза метана, а не насыщенные углеводороды - в каталитических реакциях с образованием дополнительной углеродной связи.

Существование углеводов породило гипотезы о возможном абиогенном органическом синтезе в атмосфере Юпитере под влиянием солнечной ультрафиолетовой и высоко энергичной корпускулярной радиации, а также грозовых разрядов в облаках, происходящих благодаря эффективному разделению зарядов в условиях интенсивной конвекции. К. Саганом и Б. Кхаре были проведены эксперименты по моделированию такого рода процессов, позволившие получить обширный класс сложных органических соединений, вплоть до аминокислот, и отождествить их спектральные характеристики в видимой и ближней инфракрасной областях длин волн со спектрами Юпитера. Возможно, что органические полимеры, обладающие широкой гаммой цветов, вносят определенный вклад в окраску Юпитера. Однако основную роль здесь, по-видимому, играют образующийся при разложении фосфина аморфной красный фосфор, водородные и аммонийные полисульфиды и сера. Они-то и окрашивают диск планеты в красно-коричневые и желтые цвета, поскольку сами основные составляющие - водород и гелий, а также метан и аммиак в любой фазе остаются практически бесцветными.

Модель верхней части газовой оболочки Юпитера построена по данным измерения температуры при помощи инфракрасных радиометров и радиозатменных измерений при пролетах около Юпитера космических аппаратов "Пионер" и "Вояджер". Нуль высоты соответствует некоторому произвольно выбранному значению на шкале давления. Давлению в 1атм соответствует температура 170 К. Тропопауза находится на уровне с давлением 0,1 атм. и температурой 115 К. Во всей нижележащей тропосфере высотный ход температуры можно охарактеризовать адиабатическим градиентом в водородногелевой среде - около 2 К на километр. Спектр радиоизлучения Юпитера также свидетельствует об устойчивом росте радиояркостной температуры с глубиной. Выше тропопаузы расположена область температурной инверсии, где температура вплоть до давлений порядка 1 мбар постоянно возрастает примерно до 180 К. Это значение сохраняется в мезосфере. Которая характеризуется почти изотермией до уровня с давлением примерно 10 минус шестой степени атм., а выше начинается термосфера, переходящая в экзосферу с температурой 1250 К.

В структуре облаков Юпитера выделяются три основных соля: самый верхний, при давлении около 0,5 атм, состоящий из кристаллического аммиака, промежуточный - из гидросульфида аммония и нижний, при давлении в несколько атмосфер - из обычного водяного льда. Такая модель в целом удовлетворяет совокупности имеющихся экспериментальных данных и хорошо объясняет характерную окраску зон и поясов: расположенные выше в атмосфере светлые зоны содержат ярко-белые кристаллы аммиака, а расположенные глубже пояса - красно-коричневые кристаллы гидросульфида аммония. В некоторых моделях, исходя из геохимических соображений, допускается также существование самого нижнего, четвертого слоя облаков, состоящего из жидкого аммиака. Подобно Земле и Венере, в атмосфере Юпитера зарегистрированы молнии. Судя по запечатленным на фотографиях "Вояджера" световым вспышкам, интенсивность разрядов чрезвычайно велика. Пока не ясно, однако, в какой мере эти явления связаны с облаками, поскольку вспышки обнаружены на больших высотах, чем ожидалось.

Эффективная температура Сатурна вследствие большого расстояния от солнца ниже, чем у Юпитера. Но в целом структура атмосферы, профили температуры и давления, полностью облачного покрова похожи на юпитерианские, хотя поверхность облаков выглядит более однородной, что, возможно, объясняется наличием протяжной надоблачной дымки. По данным радиоизмерений на "Вояджере-2" температура на уровне с давлением 1,2 атм составляет около 145 К и медленно понижается с адиабатическим градиентом 0,85 К/км. В тропопаузе при давлении около 0,07 атм температура примерно 80 К. Верхняя граница облаков у экватора расположена выше, чем у полюсов, и цвет их изменяется от сине-зеленого в приполярной зоне до красно-коричневого начиная с широты примерно 50 градусов. В средних и низких широтах хорошо различаются отдельные пояса и зоны, выраженные, однако, слабее, чем у Юпитера. Зоны расположены выше поясов, поскольку, как показали измерения при помощи инфракрасного радиометра, их температура ниже.

В изучении облаков и Юпитера и Сатурна большой вклад вносят результаты наземных фотометрических, спектральных и поляризационных наблюдений, которые регулярно проводятся группами российских астрономов. Эти наблюдения позволяют изучать вертикальную структуру облаков, прослеживать их пространственно-временные вариации, связанные с динамикой процесса в атмосфере. Истолкование особенностей отражательных свойств этих планет позволило, в частности, сделать вывод об аэрозольной дымке, расположенной выше основного покрова и имеющей наибольшую оптическую толщу над полярными областями. По-видимому, с ее присутствием связано наблюдаемое потемнение полярных областей, особенно сильное в ультофиалете. Нельзя, однако, исключить того, что уменьшение в ультрофиалетовой области спектра обусловлено существованием выше слоя дымки поглощающих частиц, подобно тому, как это имеет место и в надоблачной атмосфере Венеры. Однако по измерениям на космических аппаратах поглощающий агент обнаружен не был. При пролете около Сатурна было зарегистрировано интенсивное ультрафиолетовое свечение за счет рассеяния атомарным водородом, источникам которого, возможно, служит кольца.

Особенности атмосфер Урана и Нептуна обуславливаются еще более низких эффективными температурами и ужу упоминавшимися значительно большими концентрациями метана и аммиака. Особенно важную роль играет метан. Спектры отражения этих планет в видимой области с хорошо известными метановыми полосами поглощения почти не имеют различий. К сожалению, анализ содержания этого газа и оценки давления и температуры на уровне формирования полос сильно осложняются трудностями в определении эквивалентных ширин линии ограниченностью лабораторных данных о полосах СН4 спектральном интервале короче 1,1 мкм, где поглощение имеет сложный характер. Поэтому в качестве эталона сравнение обычного используется измерение эквивалентных ширин в спектрах Юпитера и Сатурна, где содержание метана определено более надежно, с погрешность примерно не выше 50%. Согласно этим результатам на уровне формирования полос при температуре примерно 90 К, на котором линии СН4/Н2 существенно превышает солнечное значение, а обогащенность углеродом достигает примерно 50 раз.

Структура атмосфер Урана и Нептуна, по-видимому, также заметно отличается от Юпитера и Сатурна. На это указывает, в частности их спектры радиоэмисси, в которых не обнаруживается значительного возрастания яркостной температуры в области от3 до 10 см, как это наблюдается при быстром росте температуры с глубиной. По совокупности результатов анализа спектральных наблюдений и расчетов ослабления по высоте теплового потока. Р. Даниэльсом были расчитаны модели атмосфер этих планет. При этом использовались различные предположения относительно расположения эффективного уровня отражения солнечной радиации и границы облачного слоя, а повеление термодинамических параметров контролировалось ходом кривой давления насыщающих паров метана. Наиболее близкими к реальности, объясняющими измеренный ход яркостных температур, оказались модели, в которых допускается переменный по высоте тепловой поток и наличие в атмосфере инверсионных слоев. Предстоит еще, однако, затратить не мало усилий, прежде чем сведения об атмосферах Урана и Нептуна станут значительно более определенными.



1. Юпитер

Юпитер, названный в честь царя римских Богов, господствует и среди девяти планет нашей Солнечной системы, соперничая с Солнцем в своем великолепии. Он более чем в два раза тяжелее, чем все другие планеты вместе и в 318 раз тяжелее Земли.

Юпитер отдален от Солнца на 778330000 км (5.2 а. е.), его экваториальный диаметр - 142984 км, что в 14 раз превышает земной, масса - 1.900^.10²⁷ кг, вокруг оси он, в среднем, обращается за 9 часов 55 минут. Причем, так как Юпитер - не твердый шар, а состоит из газа и жидкости, то экваториальные его части быстрее вращаются, чем приполярные области. Ось его вращения почти перпендикулярна его орбите, на Юпитере, следовательно, нет смен времен года.

В строении своем он имеет сходство с небольшой звездой. Внутреннее давление в его недрах может достигать 100 миллионов атмосфер. Магнитное поле Юпитера огромно, даже в пропорции с величиной самой планеты - оно простирается на миллионы километров. Если магнитосфера его была бы видима, она бы с Земли имела угловой размер, равный размеру Луны. Никакая планета не имеет большего влияния на своих соседей.

Сопровождаемый 16-ю известными спутниками, кольцами и огромной сложной атмосферой, Юпитер обращается вокруг Солнца за почти 12 лет, являясь ближайшей к нему планетой-гигантом. Атмосфера его изобилует молниями и гигантскими вихрями, такими как Большое Красное Пятно - вихрь, который существует, по крайней мере, 300 лет, ведь примерно столько и прошло со времени его открытия. Со своей системой спутников Юпитер подобен миниатюрной Солнечной системе, но хотя Юпитер и похож по своему химическому составу на звезды, он не горит, подобно Солнцу. Исходя из расчетной модели звездообразования, следует, что масса Юпитера составляет только одну восьмидесятую долю необходимой массы для протекания ядерных реакций, которые возникают в недрах звезд, благодаря нагреву от внутреннего гравитационного сжатия. Меньший размер планеты не позволяет недрам Юпитера разогреться до нужной температуры, оставляя внутренние массы вещества в состоянии сжиженного газа.

1.1 Образование Юпитера

Юпитер хранит ключи от многих тайн Солнечной системы. Около 4.5 миллиардов лет тому назад, когда Солнечная система формировалась из вращающегося облака газов и пыли, ядро Юпитера, вероятно, зарождалось из льда и камней общей массой, превышающей в 15 раз земную. Притяжение больших ледяных ядер Юпитера и так же зарождавшегося Сатурна притянули большую часть водорода и гелия из начальной газопылевой туманности. Из этих газов, в основном, и состоит атмосфера Юпитера сегодня. Юпитер “оброс” самой большой атмосферой среди всех планет. Фактически, лицо Юпитера, которое мы видим, - это верхние слои его атмосферы.

1.2 Строение планеты

Огромная атмосфера Юпитера создает огромные давления, увеличивающиеся при приближении к центру планеты. Газы в атмосфере, в таких экстремальных условиях, находятся в необычных состояниях. Например, ученые имеют основания считать, что находящийся достаточно глубоко водород, под давлением атмосферы, возможно, сформировал слой этого вещества в жидкой металлической фазе. Это - точно не океан, точно не атмосфера, этот слой водорода должен иметь особенности, которые не укладываются в наше понимание химии. Вместо простого поведения газообразного водорода, жидкий металлический водород - необычная субстанция, способная проводить электрический ток. Устойчивый радиошум и сильное магнитное поле Юпитера излучаются этим слоем металлической жидкости. Некоторые ученые предполагают, что под этим слоем нет твердой массы, в центре Юпитера большая температура и давление сжимают ядро, и его состояние, скорее, ближе к жидкому.

Юпитер - на 90% - водород и на 10% - гелий, по количестве атомов, и в соотношении 75 к 25-и - по массе, в атмосфере обнаружены следы метана, воды, аммиака и горных пород. Строение это очень похоже и на строение Сатурна. Наше знание о строении Юпитера и других газовых планет, вероятно, в ближайшее время не изменится.

При удалении от ядра планеты, когда мы можем без сомнения считать, что речь идет об атмосфере, увидим, что газы ведут себя более знакомым образом, перемещаясь в общих планетных циркуляциях, управляемых изначально вращением планеты. Полагают, что Юпитер имеет три слоя облаков в своей атмосфере. На верху - облака из оледеневшего аммиака; под ним - кристаллы сероводорода аммония, а в самом низком слое - водяной лед и, возможно, жидкая вода.

Атмосферам Юпитера и других газовых планет свойственно обладать ветрами больших скоростей, дующих в пределах широких полос, параллельных экватору планеты, причем, в смежных полосах на Юпитере ветра направлены в противоположные стороны. Эти полосы различимы даже в небольшой телескоп.

Ветры на Юпитере достигают 500 км в час. Изучение атмосферы позволило сказать, что ветры эти также существуют в более низких ее слоях, вплоть до тысячи километров от внешних облаков. Отсюда сделан вывод, что, они управляются не энергией излучения Солнца, а внутренним теплом планеты, в то время как на Земле все происходит наоборот.

В атмосфере Юпитера возникают огромные, по своим масштабам, бури и вихри, одним из которых является Большое Красное Пятно, замеченное с Земли более 300 лет назад. Большое Красное Пятно - овал размером 12000 на 25000 км, т.е. достаточно большой, чтобы вместить в себя две Земли.

Исследования, проведенные в ИК-диапазоне, и визуальные наблюдения движений в самом вихре указывают на то, что он - область высокого давления, облака Пятна значительно выше и более холодны, чем облака вокруг. Аналогичные структуры были увидены на Сатурне и Нептуне. До сих пор неизвестно, как они могут существовать так долго. Как возникают эти красочные явления - также неизвестно, но ученые полагают, что они вызваны потоками разогретых газов из недр планеты. Цвета потоков, вероятно, вызваны их химическим составом. Хотя, например, количество углерода в атмосфере Юпитера очень невелико, атомы углерода легко объединяется с атомами водорода и кислорода, образуя целый ряд газов, таких, как угарный, метан и другие органические соединения. Оранжевые и коричневые цвета в облаках Юпитера могут быть соотнесены с органическими соединениями, включающими в себя серу и фосфор.

Юпитер излучает больше энергии в пространство, чем он получает от Солнца. Недра Юпитера, вероятно, разогреты до 20000 K. Тепло создается медленным гравитационным сжатием планеты.

1.3 Магнитное поле

Юпитер имеет огромное магнитное поле, значительно более сильное, чем Земное. Магнитосфера Юпитера простирается на 650 миллионов км (за орбиту Сатурна!). Но в направлении Солнца оно почти в 40 раз меньше, так что даже на таком расстоянии от себя Солнце показывает, кто в доме хозяин; таким образом, форма магнитосферы Юпитера, как и других планет, далека от сферической.

Спутники Юпитера лежат в области влияния поля, и это, возможно, объясняет недавно открытую вулканическую деятельность Ио. Напомним, что магнитное поле захватывает заряженные частицы, летящие от Солнца (этот поток называют солнечным ветром), образуя радиационные пояса. Присутствие в таких областях незащищенного специальными средствами человека было бы для него губительным. Но и для космических аппаратов это обстоятельство создает большие проблемы, магнитное поле мешает работать приборам, и само по себе, и захваченными им частицами; с этим уже сталкивались раньше и сталкиваются в настоящее время. Поле Юпитера очень сильно. “Галилео”, при изучении атмосферы, обнаружил новый радиационный пояс, приблизительно в 10 раз мощнее земного, между кольцом Юпитера и самыми верхними атмосферными слоями. Удивительно также, что в этом поясе обнаружились высокоэнергетические гелиевые ионы неизвестного происхождения...

юпитер сатурн планета спутник



2. Уран

Уран - седьмая по порядку от Солнца планета Солнечной системы. По диаметру он почти вчетверо больше Земли. 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 -215С. 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/см³) 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. система опоясывающих 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 не видны в отраженном свете и обнаруживаются только по сильному ослаблению блеска звезд, оказавшихся для земного наблюдателя позади колец при орбитальном движении планеты. Удаленность колец от центра Урана составляет от 1,6 до 1,85 радиуса планеты. 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.



3. 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 черезвычайно 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 расчетов. 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 2,3 г/см³. Такие характеристики типичны для планет-гигантов, состоящих главным образом из водорода и гелия с примесью соединений других химических элементов. В центре Нептуна, согласно расчетам, имеется тяжёлое ядро из селикатов, металлов и других элементов, входящих в состав земной группы. Изучение характера ослабления блеска звезды при её затмнении 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. У Нептуна всего два спутника. Первый Тритон, открытый в 1846 г., через две недели после открытия самого Нептуна. По размерам и массе он больше Луны. Имеет обратное направление орбитального движения. Второй спутник - Нереида - очень небольшой, обладает сильно вытянутой орбитой. Расстояние от спутника до планеты меняется в пределах от 1,5 до 9,6 млн.км. Направление орбитального движения - прямое.



4. Общая характеристика планет-гигантов

Под понятием планеты-гиганты подразумевают 4 планеты Солнечной системы: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Основные отличия планет-гигантов от других планет Солнечной системы это:

а) большие размеры планет

б) большие массы планет

в) быстрое вращение вокруг своих осей

г) большое сжатие - результат быстрого вращения

д) большое число спутников

е) наличие колец

ж) малая плотность

з) обилие водорода



5. Особенности строения планет-гигантов

В ряд особенностей планет-гигантов можно отнести:

а) эти планеты не имеют твердых поверхностей

б) существование значительных магнитных полей этих планет

в) наличие радиационных поясов

г) несмотря на то, что, на поверхности преобладают низкие температуры, внутри планет температура довольно высокая (может достигать нескольких десятков тысяч кельвинов)



6. Планеты гиганты

Юпитер - самая большая планета Солнечной системы. Его масса в 318 раз больше земной и составляет около 1/1050 массы Солнца. Экваториальный радиус Юпитера равен 71400 км (в 11,2 раза больше земного). Полярный радиус равен 66900 км, т.е. сжатие планеты = 1/16.

Гравитационное ускорение около 2500 см/сек². Средняя плотность 1,3 г/см³.

Видимая поверхность Юпитера представляет собой облачный покров. Наиболее заметны темные красноватые полосы, вытянутые параллельно экватору. Светлые промежутки между ними называются зонами.

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 и на Земле.

На Юпитере могут формироваться циклоны. Крупные циклоны могут быть очень устойчивы (время жизни до 10⁵ лет). Вероятно, Большое Красное пятно является примером такого циклона.

Спектроскопическими наблюдениями установлено присутствие в атмосфере Юпитера молекулярного водорода Н₂, гелия Не, метана СН₄, аммиака NH₃, этана С₂Н₆, ацетилена С₂Н₂ и водяного пара Н₂О. Элементный состав атмосферы (и всей планеты в целом) не отличается от солнечного.

Полное давление у верхней границы облачного слоя составляет около 1 атм. Облачный слой имеет сложную структуру. Верхний ярус состоит из кристалликов NH₃, ниже должны быть расположены облака из кристаллов льда и капелек воды.

Полное излучение Юпитера в 2,9 раз превосходит энергию, получаемую от Солнца, и большая часть излучаемой им энергии обусловлена внутренним источником тепла. В этом смысле Юпитер ближе к звездам, чем к планетам земного типа.

Наличие большого потока внутреннего тепла означает, что температура довольно быстро растет с глубиной.

Расчеты внутреннего строения показывают, что атмосфера Юпитера является очень глубокой, а основная масса планеты находится в жидкой фазе. Водород при этом находится в вырожденном или в металлическом состоянии (электроны оторваны от протонов). В толще атмосферы водород и гелий находятся не в газообразном, а в сверхкритическом состоянии. В самом центре планеты, возможно, существует твердое ядро из тяжелых элементов.

Юпитер является одним из самых сильных космических источников радиоизлучения в децаметровом диапазоне. Оно имеет спорадический характер, т.е. состоит из отдельных всплесков разной интенсивности. Природа спорадического радиоизлучения остается пока не раскрытой.

Юпитер обладает, как и Земля, радиационными поясами, но плотность и энергия электронов, а также напряженность магнитного поля в поясах Юпитера больше. Напряженность магнитного поля вблизи поверхности достигает, примерно, 10 э. Радиус магнитосферы составляет около 100 радиусов планеты.

Вокруг Юпитера обращается 13 спутников. Четыре из них открыл Галилей - это Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. По размерам они примерно такие же, как Луна. Галилеевы спутники вращаются вокруг оси синхронно с движением вокруг Юпитера и обращены к нему все время одной стороной. Пятый спутник (Амальтея) был открыт Барнардом в 1892 г. Все остальные спутники были открыты в 20 веке по фотографическим наблюдениям.

Сатурн расположен примерно вдвое дальше от Солнца, чем Юпитер, и обращается вокруг Солнца за 29,5 года. Экваториальный радиус Сатурна равен 60400 км, масса в 95 раз больше земной, ускорение силы тяжести на экваторе 1100 см/сек². Сатурн имеет заметное сжатие диска, равное 1/10, т.е. больше, чем у Юпитера.

Период вращения на экваторе равен 10^ч14^м и, как 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.

Спектроскопические исследования обнаружили в атмосфере Сатурна Н₂, СН₄, С₂Н₂, С₂Н₆. Элементный состав, по-видимому, не отличается от солнечного, т.е. планета состоит на 99% из водорода и гелия. Глубина атмосферы (водород и гелий - в сверхкритическом состоянии) может достигать половины радиуса планеты.

Инфракрасные наблюдения показывают температуру Сатурна около 95⁰К. Так же как и у Юпитера, больше половины излучаемой энергии обусловлено потоком внутреннего тепла.

Кольца Сатурна 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.

Кольцо состоит из трех концентрических колец, которые, как и экватор планеты, наклонены к плоскости орбиты под углом в 26⁰45'. Внешнее кольцо А отделено от среднего кольца В резким темным промежутком, называемым щелью Кассини. Среднее кольцо является самым ярким. Внутреннее кольцо С, темное и полупрозрачное, называется креповым кольцом.

Причина, по которой Сатурн на расстоянии около 10⁵ км имеет именно кольцо, а не спутник, состоит в приливной силе. Если бы спутник и образовался на таком расстоянии, то он был бы разорван под действием приливной силы на мелкие осколки. В эпоху формирования планет-гигантов вокруг них на некотором этапе возникли уплощенные облака протопланетной материи, из которой потом образовались спутники. В зоне колец приливная сила воспрепятствовала образованию спутника. Таким образом, кольца Сатурна, вероятно, являются остатками допланетной материи. Кольца состоят из огромного количества частиц, независимо обращающихся вокруг планеты по кеплеровским орбитам.

У Сатурна известно 10 спутников: Мимас, Энцелад, Тефия, Диона, Рея, Титан, Гиперион, Япет, Феба, Янус. Титан - единственный спутник в Солнечной системе, на котором найдена атмосфера. Все спутники, кроме Фебы, обращаются вокруг планеты в прямом направлении.

Уран виден только в телескоп и выглядит маленьким зеленоватым диском. 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 24800 км. Уран обладает заметным сжатием (1/14).

Детали на диске Урана уверенным образом не различаются, но наблюдаются периодические колебания блеска. По этим колебаниям и по эффекту Доплера был определен период обращения вокруг оси 10^ч49^м. Удалось установить также направление оси вращения планеты, причем оказалось, что экватор Урана наклонен к плоскости его орбиты на 82⁰, а направление вращения - обратное.

Средняя плотность Урана 1,6 г/см³. Эта планета содержит больше тяжелых элементов, чем Юпитер и Сатурн.

Уран имеет 5 спутников: Ариэль, Умбриэль, Титания, Оберон, Миранда. Плоскости их орбит почти перпендикулярны к плоскости орбиты планеты и движутся они в сторону ее вращения.

Линейный радиус Нептуна равен 25050 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 15,8^ч плюс/минус 1^ч.

Направление вращения прямое. В результате спектроскопических наблюдений в спектрах Нептуна найдены водород и метан. Средняя плотность Нептуна - 1,6 г/см³.

У Нептуна два спутника: Тритон и Нереида. Тритон принадлежит к числу крупнейших спутников в Солнечной системе (его радиус равен 2000 км) и движется вокруг планеты в обратном направлении

У Сатурна 17 спутников и кольцо, точнее целая система колец. Радиус внешнего кольца превышает 900 000 км, толщина же не больше 4 км. Моделью кольца Сатурна может быть диск диаметром 250 м и толщиной всего 1мм! Почему эта система частиц существует до сих пор в таком виде, пока не известно. Как и спутники Юпитера, луны Сатурна каждая по своему интересна и загадочна. Так поверхность Тефии довольно светлая и покрыта кратерами, причем один из них имеет диаметр 400 км. Большой кратер такого же размера обнаружен на Мимасе. Энцелад сравнивают с гигантской замороженной в космосе каплей воды, на одной из сторон которой, обращенной к Сатурну, видны многочисленные искривленные бороздки, тогда как на противоположной - многочисленные метеоритные кратеры. Большой интерес вызывает самый крупный спутник Сатурна - Титан, единственный спутник в Солнечной системе, окруженный плотной атмосферой. Состоит она в основном из азота (85%) и аргона (около 12%), хотя совсем недавно предполагали, что ее главные составляющие - метан и аммиак. По своему интересен восьмой спутник Сатурна Япет: его тыльная сторона примерно в 10 раз ярче передней, обращенной к планете (кстати, все спутники этой и других планет, как и луна, обращены к своей планете одной и той же стороной).



7. Теория панспермии

Загадка появления жизни на Земле с незапамятных времен волнует людей. На протяжении веков менялись взгляды на эту проблему и было высказано большое количество самых разнообразных гипотез и концепций. Некоторые из них получили широкое распространение и доминировали в те или иные периоды развития естествознания.

Эта теория не предполагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о её внеземном происхождении. Поэтому её нельзя считать теорией возникновения жизни как таковоq; она просто переносит проблему в какое-то другое место во Вселенной.

Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных частях Галактики или Вселенной. Для обоснования этой теории используется многократные появления НЛО («неопознанный летающий объект»), наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также сообщения якобы о встречах с инопланетянами.

Ярым сторонником этой теории был немецкий учёный Г. Рихтер (1865 г). Согласно Рихтеру, жизнь на Земле не возникала из неорганических веществ, а была занесена с других планет. В связи с этим, естественно возникал вопрос о том, насколько возможно такое перенесение жизни с одной планеты на другую через огромные пространства, их разделяющие.



Вопрос сводился к двум основным пунктам: при помощи каких сил может происходить перенос зародышей жизни с одной планеты на другую и могут ли эти зародыши сохранить жизнеспособность во время путешествия по космическому пространству.

В теории панспермии существует два утверждения. Первое: жизнь всегда существовала, она тесно связана с материей. Второе: микроорганизменные споры могут, а также должны переноситься посредством космического пространства.

Советские и американские исследования в космосе позволяют считать, что, вероятность обнаружить жизнь в пределах нашей Солнечной системы ничтожна, - однако они не дают никаких сведений о возможной жизни вне этой системы. При изучении материалов «предшественники живого» - такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, которые, возможно, сыграли роль «семян», падавших на голую Землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся учёным убедительными.

И так, мы увидели, что теория панспермии не может служить для решения вопроса о происхождении жизни, она лишь пытается объяснить появление жизни на Земле, но не её первое возникновение. В этом смысле она только отодвигает проблему, не разрешая её.



8. Биохимическая эволюция

Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5 - 5 млрд. лет.

По мнению многих биологов, в прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: вероятно температура на поверхности была очень высокой (4000 - 8000°С), и по мере того, как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору; поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, подвижек и сжатий коры, вызванных охлаждением, происходило образование складок и разрывов.

Полагают, что гравитационное поле еще недостаточно плотной планеты не могло удерживать легкие газы: водород, кислород, азот, гелий и аргон, и они уходили из атмосферы. Но простые соединения, содержащие среди прочих эти элементы (вода, аммиак, CO2 и метан). До тех пор, пока температура Земли не упала ниже 100°C, вся вода находилась в парообразном состоянии. Атмосфера была, по видимому, «восстановительной», о чем свидетельствует наличие в самых древних горнах породах металлов в восстановленной форме (например, двухвалентное железо). Более молодые породы содержат металлы в окисленной форме (Fe3+). Отсутствие кислорода, вероятно, было необходимым условием для возникновения жизни; как показывают лабораторные опыты, органические вещества (основа жизни) гораздо легче образуются в атмосфере бедной кислородом.

В 1923 г. А.И. Опарин, исходя из теоретических соображений, высказал мнение, что органические вещества, возможно углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений. Энергию для этих процессов поставляла интенсивная солнечная радиация, главным образом ультрафиолетовое излучение, падавшее на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.

В 1953 г. Стэнли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле.

В созданной им установке ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара, такие как рибоза. После этого Орджел в Институте Солка в сходном эксперименте синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).

Позднее возникло предположение, что в первичной атмосфере в относительно высокой концентрации содержалась двуокись углерода. Недавние эксперименты, проведенные с использованием установки Миллера, в которую поместили смесь CO2 и H2O, и только следовые количества других газов, дали такие же результаты, какие получил Миллер. Теория Опарина завоевала широкое признание, но она не решает проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Именно в этом аспекте теория биохимической эволюции представляет общую схему, приемлемую для большинства биологов.

Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белков они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов - притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы, в которой они суспендированы, и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от среды - процесс, называемый коацервацией. Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения, особенно кристаллоиды. Коллоидный состав данного коацервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава «бульона» в разных местах вело к различиям в составе коацерватов и поставляло таким образом сырье для «биохимического естественного отбора».

Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивавшей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способной к самовоспроизведению и внутренней перестройки покрытого липидной оболочкой коацервата, могла возникнуть первичная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так, что этот процесс мог продолжаться. Такая предположительная последовательность событий должна была привести к появлению примитивного самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного бульона.

Хотя эту гипотезу происхождения жизни признают очень многие ученые, у некоторых она вызывает сомнения из-за большого количества допущений и предположений. Астроном Фред Хойл недавно высказал мнение, что мысль о возникновении жизни в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга-747».

Самое трудное для этой теории - объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока малоубедительны.



9. Теория стационарного состояния

Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности -- либо изменение численности, либо вымирание.

По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли исчисляется 4,6 млрд. лет. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния полагать, что Земля существовала всегда.

Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб -- латимерию (целаканта). Считалось, что кистепёрая рыба (целакант) представляет собой переходную форму от рыб к земноводным и вымерла 60-90 млн. лет назад (в конце мелового периода). Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в 1939 году у побережья о. Мадагаскар был выловлен 1-й живой целакант, а затем и другие экземпляры. Таким образом, целакант не является переходной формой.



Были найдены и многие другие, считавшиеся вымершими, животные, например, лингула - маленькое морское животное, якобы вымершее 500 миллионов лет назад, живо и сегодня и как другие "живые ископаемые": солендон - землеройка, туатара - ящерица. За миллионы лет они не претерпели никаких эволюционных изменений.

Ещё один пример заблуждения это археоптерикс - существо, связующее птиц и пресмыкающихся, переходная форма на пути превращения рептилий в птиц. Но в 1977 году в штате Колорадо были обнаружены окаменелости птиц, возраст которых соизмерим и даже превышает возраст останков археоптерикса, т.е. он не является переходной формой.

Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте.

Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков.

Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.

Гипотезу стационарного состояния иногда называют гипотезой этернизма (от лат. еternus - вечный). Гипотеза этернизма была выдвинута немецким учёным В. Прейером в 1880 г.

Взгляды Прейера поддерживал академик Владимир Иванович Вернадский (1864 - 1945), автор учения о биосфере. Вернадский считал, что жизнь -- такая же вечная основа космоса, которыми являются материя и энергия. «Мы знаем, и знаем это научно, -- твердил он, -- что Космос без материи, без энергии не может существовать. И достаточно ли материи и без выявления жизни - для построения Космоса, той Вселенной, который доступный человеческому уму?». На этот вопрос он ответил отрицательно, ссылаясь именно на научные факты, а не на личные симпатии, философские или религиозные убеждения. « .Можно говорить о вечности жизни и проявлений ее организмов, как можно твердить о вечности материального субстрата небесных тел, их тепловых, электрических, магнитных свойств и их проявлений. С этой точки зрения таким же далеким от научных поисков будет вопрос о начале жизни, как и вопрос о начале материи, теплоты, электрики, магнетизма, движения».

Исходя из представления о биосфере как о земном, но одновременно и космическом механизме, Вернадский связывал ее образование и эволюцию с организованностью Космоса. «Для нас становится понятным, -- писал он, -- что жизнь есть явление космическое, а не сугубо земное». Эту мысль Вернадский повторял многократно: «начала жизни в том Космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого Космоса. Жизнь вечна, поскольку вечный Космос».