Закони Кеплера

Рух планет Сонячної системи не є безладним та невпорядкованим. Вони обертаються навколо Сонця згідно із законами, які на початку XVII століття відкрив видатний німецький учений И. Кеплера (1571–1630).

Еліпсом називається плоска замкнена крива, що складається з точок, сума відстаней від яких до двох даних точок F₁, тa F₂ є величиною. Точки F₁, тa F₂ називаються фокусами еліпса. Середина відрізка F₁F₂ точка О – центр еліпса. Відрізок АР=2а – називається великою віссю, а відрізки АО та ОР – великими півосями еліпса (АО=ОР=а) (мал.10).

Якщо М і N – довільні точки еліпса, то за означенням:

MF₁ + MF₂ = NF₁ + NF₂ = AF₁ + AF₂ = 2a.

Перший закон Кеплера. Орбіти планет є еліпсами зі спільним фокусом, у якому міститься Сонце.

Рухаючись навколо Сонця, планета М періодично віддаляється та наближається до нього. Афелій – найдальша від Сонця точка траєкторії планети (т. А), перигелій – найближча точка (т. Р) (мал. 11).

Середня відстань від Сонця – це середнє арифметичне її афелійної та перигелійної відстаней, вона дорівнює великій півосі орбіти планети: а = . Лінія АР називається лінією апсид. Велика піввісь земної орбіти – одна астрономічна одиниця (1а.о.) – прийнята за одиницю довжини в астрономії.

Другий закон Кеплера. Радіус–вектор планети за однакові проміжки часу описує рівні площі (або секторна швидкість планети – величина стала).

Це означає: якщо за однакові проміжки часу планета проходить дуги K₁K₂ та Т₁Т₂, то площі секторів K₁K₂S та T₁T₂S рівні. За другим законом Кеплера, лінійна швидкість планети неоднакова у різних точках орбіти. Швидкість планети відносно Сонця поблизу перигелію найбільша, а поблизу афелію – найменша.

Третій закон Кеплера. Квадрати зоряних (сидеричних) періодів обертання планет належать як куби великих півосей орбіт.

.

Записавши третій закон Кеплера для Землі та іншої планети, маємо:

,або

де Т – в роках, а – в а.о. Відкриття третього закону Кеплера дозволило обчислити відстані від Сонця до планет, періоди обертання яких же були відомі.

Запитання для самоконтролю

1. Що таке зоряний час, зоряна доба?

2. Коли сонячний і зоряний годинники показують однаковий час?

3. За яким принципом виконано поділ земної кулі на годинні пояси?

4. Які типи календарів ви знаєте?

5. Що таке нижні й верхні планети?

6. Зобразіть графічно перший закон Кеплера.

7. Зобразіть графічно другий закон Кеплера.

8. Запишіть математичний вираз третього закону Кеплера.

РОЗДІЛ ІІ. Наша планетна система. Сонце – найближча зоря.

ЛЕКЦІЯ №6

План лекції.

1.Загальна характеристика планет

2.Характеристика Землі

3.Місяць – супутник Землі.

4.Подібність та несхожість планет земної групи.

5.Меркурій

6.Венера

7.Марс

Література. Л4 (ст.49–55) Л5 (ст.75–86)

Загальна характеристика планет.

Всі тіла, що рухаються навколо Сонця, утворюють у сукупності Сонячну планетну систему.

Літосфера – це верхня тверда оболонка Землі, завтовшки близько 70 км і включає в себе земну кору і частину верхньої мантії.

Гідросфера Землі – сукупність усієї води Землі в твердому, рідкому і газоподібному стані. Гідросфера Землі – унікальне явище, жодна з інших планет Сонячної системи її не має. Гідросферу на 97 % складають води світового океану, 2,5 % води припадає на лід, і лише 0,5 % – на озера, річки й атмосферну вологу. Вода покриває 71 % земної поверхні.

Атмосфера Землі – повітряна оболонка, що оточує Землю. Поблизу поверхні Землі атмосфера містить 78 % азоту, 21 % кисню, 0,94 % інертних газів, 0,03 % вуглекислого газу та мізерні частини інших газів. Атмосфера поділяється на:

1. Тропосферу, яка сягає висоти 10–17км, зі збільшенням висоти температура спадає до –55°С;

2. Стратосферу заввишки до 55км, де температура зростає з висотою до 0°С за рахунок поглинання ультрафіолетового випромінювання Сонця;

3. Мезосферу висотою до 85км, де температура зменшується до –85°С;

4. Термосферу (від 90км і вище), де температура знову зростає.

На висоті від 70 до 400км виділяють іоносферу, де повітря сильно іонізоване. Густина атмосфери зменшується з висотою. На висоті близько 6 км вона вдвічі менша, ніж біля поверхні Землі, а на висоті в сотні кілометрів у мільйони разів менша, тут переважають водень та гелій.

• Атмосфера захищає від руйнівної дії космічного випромінювання.

• Атмосфера захищає від безпосереднього бомбардування мікрометеоритами.

• Атмосфера відіграє найважливішу роль у тепловому балансі Землі.

• Тільки завдяки існуванню гідросфери й атмосфери на Землі могло зародитися життя.

Магнітне поле Землі

Магнітне поле Землі досить велике, його напруженість становить близько 40 А/м. Під дією сонячного вітру на денному боці магнітні силові лінії притиснуті до Землі. З протилежного нічного боку вони відхиляються сонячним вітром, утворюючи «шлейф» протяжністю до 5 млн. км.

В частині замкнутих силових ліній геомагнітного поля утворюються радіаційні пояси (внутрішній та зовнішній). Радіаційний пояс складається з великої кількості протонів і електронів, які захоплює й утримує земне магнітне поле з тих частинок, що безперервно викидає Сонце.

Особливо потужні потоки частинок народжуються при вибухових явищах на Сонці – так званих сонячних спалахах. Такий посилений корпускулярний потік збурює магнітне поле Землі, швидко і сильно змінює його характеристики, що називається магнітною бурею. Під час магнітних бур коливається стрілка компаса; виникає збурення іоносфери, що порушує радіозв'язок; відбуваються полярні сяйва.

Полярне сяйво. В полярних областях частинки рухаються уздовж ліній індукції магнітного поля, які майже перпендикулярні до поверхні, проникають в атмосферу. Вони бомбардують молекули повітря, іонізують їх і збуджують світіння, як потік електронів у газорозрядній трубці. Кольорові відтінки полярного сяйва зумовлені світінням різних газів атмосфери.

3. Фізичні характеристики Місяця

Місяць менший від Землі за діаметром у 4 рази, а за масою – у 81 раз. Сила тяжіння на Місяці в 6 разів менша, ніж на Землі. Середня густина менша від земної. На Місяці немає води, немає атмосфери, яка захищає від пекучого Сонця і космічного випромінювання та потоків метеоритів. За відсутності атмосфери безперервні удари невеликих метеоритів дроблять поверхню Місяця, тому вона густо вкрита кратерами. Величезні перепади температури місячної поверхні від дня до ночі пояснюються також відсутністю атмосфери й тривалістю місячного дня і ночі (2 земних тижні). Температура на підсонячній точці Місяця дорівнює +120°С, а в протилежній точці нічної півкулі –170°С.

Небо над Місяцем вдень і вночі чорне, але розріджена пилова оболонка, що оточує його, трохи розсіює сонячне світло.

Обертання Місяця

Період обертання Місяця навколо осі дорівнює періоду його обертання навколо Землі. Саме тому Місяць завжди повернутий до Землі одним боком. Обертання такого типу називається синхронним.

Таке положення встановилось за мільярди років еволюції системи «Земля – Місяць» під дією припливів у місячній корі, що зумовлені Землею. Оскільки Земля у 81 раз більше Місяця, її припливи орієнтовно в 20 разів сильніші, ніж ті, що зумовлює Місяць на нашій планеті. Тому рух Місяця за мільярди років сповільнився, в далекому минулому Місяць обертався швидше.

Навколо Землі Місяць обертається за законами Кеплера, тобто нерівномірно (поблизу перигелію швидше, поблизу афелію повільніше) Навколо осі Місяць обертається рівномірно. Через ці особливості руху можна «зазирнути» на зворотний бік Місяця. Це явище називається оптичною лібрацією (від лат. libratio – «коливання»), воно дає змогу спостерігати із Землі не 50 %, а 60 % місячної поверхні.

Рельєф Місяця

Навіть неозброєним оком на Місяці можна бачити темні і світлі ділянки різної форми. Темні ділянки ще в XVII ст. стали називати морями. Ця назва за традицією збереглася, хоча відомо, що в місячних морях немає води. Італійський астроном Джованні Річоллі дав їм назви: Океан Бур, Море дощів, Море Холоду, Море Достатку, Море Спокою, Море Криз, затока Спеки та інші.

Світлі ділянки – материки – займають близько 60 % видимої поверхні Місяця. Це нерівності, пересічені гірськими хребтами. Ще Галілей відкрив на Місяці гори, більшість з них мають земні назви: Альпи, Апенніни, Піренеї, Карпати, Кавказ.

На поверхні Місяця дуже часто Трапляються кільцеві гори, їх називають кратерами, що носять імена видатних учених (кратери Платон, Аристотель, Архимед, Птолемей, Коперник, Кеплер, Тіхо, Галілей та інші). На видимому боці Місяця їх налічується близько ЗО 000. Найбільші серед них – кратер Клавій з діаметром 235км і Гримальді – 200км.

Після того як радянська станція «Луна–3» (1959 р.) сфотографувала зворотний бік Місяця, на її карти були нанесені кратери з іменами радянських учених Ломоносова, Гагаріна, Корольова, Менделєєва та ін. Найбільший кратер – Ціолковський діаметром 789км.

Існувало дві гіпотези походження кратерів: вулканічна і метеоритна. Вулканічна гіпотеза (нім. астроном Йоганн Шретер): кратери виникли в результаті грандіозних вивержень вулканів на поверхні місяця. Метеоритна гіпотеза: кратери виникли в результаті падіння метеоритів (1824 p.). Дискусія між астрономами з цього приводу тривала досить довго й отримала назву «Столітньої війни». 1937 р. (через 113 років) К. Станюкович довів, що при ударі метеоритів з космічними швидкостями відбувається вибух, у результаті якого випаровується не тільки метеорит, а й значна частина порід на місці удару.

Біля деяких кратерів добре видно яскраві промені, де речовина відбиває до 20 % падаючого на неї світла (кратери Тіхо, Коперник). Ці промені складаються з дуже роздробленої речовини, яка завжди світліша, ніж щільна речовина того ж складу.

Зразки місячних порід мають магматичне походження, їхній хімічний склад загалом такий же, як і склад земних порід, але з браком нікелю і кобальту і перевагою заліза, титану, цирконію та ітрію. Вік місячних порід становить 3–4,6 млрд. років.

Стале магнітне поле Місяця у 1000 разів менше, ніж на Землі. Це свідчить про відсутність у Місяця рідкого ядра.

4. Подібність та несхожість планет земної групи

Подібність

1. Порівняно невеликі розміри і маси.

2. Велика середня густина (5,4; 5,2; 5,5 і 3,97 г/см³ відповідно для Меркурія, Венери, Землі і Марсу).

3. Тверда поверхня.

4. Розташовані ближче до Сонця.

5. Порівняно повільне обертання навколо своїх осей.

Несхожість

1. Відмінність хімічного складу атмосфери і атмосферного тиску (див. табл.)

2.Відмінність періодів обертання навколо осі (зоряних діб).

3.Зворотний напрям обертання планети Венери.

4.Наявність супутників.

 

Планета	Меркурій	Венера	Земля	Марс
Хімічний склад атмосфери	Майже відсутня (інертні гази, переважно Не)	97 % СО2 2%N2 0,1% О2, 0,002%водяної пари	78%N2 21 %О2 0,94 % інертні гази 0,03 % СО2 водяна пара	95 % СО2 2,7 %N2 0,1 % водяної пари
Атмосферний тиск у поверхні	Дуже розріджена атмосфера	90атм.	1атм. = 760 мм рт. ст.	атм.

Фізичні характеристики планет земної групи

Планета	Меркурій	Венера	Марс
Діаметр	4878км	12102км	6794км
Маса	3,28– 1023кг, 0,055Мз	4,87– 1024кг. 0,82Мз	6,42 1023кг. 0,11Мз
Густина	5400кг/м3	5200кг/м3	3930кг/м3
Середня відстань від Сонця	0,39а.о.	0,72а.о.	1,52а.о.
Період обертання навколо осі (зоряна доба)	58,7 діб	243 доби (обертання зворотне)	24год 37хв
Період обертання навколо Сонця (зоряний рік)	88 діб	224,7 доби	686,98 діб
Ексцентриситет орбіти	0,21	0,007	0,093
Нахил орбіти	7°	3,4°	1,85°
Кількість супутників	немає	немає	2 (Деймос і Фобос)

5. Планета Меркурій

Меркурій – найближча до Сонця планета, за розмірами не набагато більша від Місяця, а середня густина майже така, як у Землі. Наявність у Меркурія магнітного поля (напруженість якого становить близько 1 % від напруженості магнітного поля Землі біля його поверхні) і велика густина дали змогу припустити, що Меркурій має велике металеве ядро, розміри якого близько 2/3 діаметра планети, в якому зосереджено 80 % усієї маси планети. Сила тяжіння на Меркурії в 2,6 рази менша від земної.

На Меркурії майже немає атмосфери, його розріджена газова оболонка складається переважно з гелію, а також з водню, аргону, неону, ксенону. Концентрація її біля поверхні планети така, як на висоті 700км над поверхнею Землі.

Через відсутність атмосфери і близькості від Сонця для Меркурія властиві різкі перепади температури протягом доби. Максимальна температура 700 К вдень, і мінімальна 100К вночі.

Меркурій називають двійником Місяця. Меркурій, як і Місяць, світить відбитим сонячним світлом і також змінює фази: від вузького серпа до світлого диску (повні). Поверхня Меркурія суцільно вкрита кратерами, але кратери розташовані густіше, ніж на Місяці, і мають меншу глибину. Темних плям, подібних до місячних морів, на Меркурії значно менше.

Період осьового обертання Меркурія становить 2/3 періоду його обертання навколо Сонця, тобто за кожні свої 2 роки він робить З оберти відносно зір і один оберт навколо Сонця.

Планета Венера

Венера – найкрасивіша з небесних світил, саме тому древні римляни дали цій планеті ім'я богині кохання і краси. Венера має найгустішу атмосферу серед планет земної групи, найповільніше обертання і найменший ексцентриситет орбіти.

Венера – друга в Сонячній системі і найближча до Землі планета. Діаметр і маса її мало відрізняються від земних, сила тяжіння на Венері становить 90 % сили тяжіння на Землі. Вісь обертання планети лише на 3° відхиляється від перпендикуляра до площини її орбіти, тому північна та південна півкулі освітлюються Сонцем однаково.

Обертання Венери. Венера дуже повільно обертається навколо осі у зворотному напрямку з періодом 243 земних доби. Оскільки періоди обертання навколо осі та навколо Сонця близькі і відбуваються в протилежних напрямках, то сонячна доба на Венері триває 117 земних діб, а рік на Венері складається менше, ніж із двох таких діб.

Атмосфера і клімат. У 1761 р. під час проходження Венери по диску Сонця М. Ломоносов відкрив існування атмосфери на цій планеті. Венера має дуже щільну атмосферу (тиск у її поверхні становить 90атм.) і потужний хмаровий шар. Головна складова атмосфери – вуглекислий газ (97 %), азот та інертні гази складають близько 2 %, кисень – близько 0,1 %, а водяна пара – 0,002 %. Наявність в атмосфері Венери великої кількості СО₂ спричиняє явище парникового ефекту. Енергія сонячних світлових променів поглинається в нижніх шарах атмосфери, а її випромінювання в зворотному напрямку затримується хмарами, як тепло в парниках. В результаті температура на поверхні планети сягає 780 К (507 °С). З висотою над поверхнею температура знижується і в стратосфері Венери панує мороз.

Хмаровий шар Венери досить однорідний. Хмари складаються з крапель концентрованої сірчаної кислоти (80 % розчин H₂SО₄) з невеликими домішками інших хімічних сполук. На рівні 65–70км від поверхні дмуть сильні вітри зі сходу на захід, їх швидкість близько 100 м/с поблизу екватора. За земними стандартами це вітер ураганної сили. В нижніх шарах атмосфери швидкість вітру кілька м/с.

Дослідження Венерн. Через хмаровий шар поверхні планети не видно. Рельєф Венери дали змогу вивчити АМС (автоматичні міжпланетні станції).

Рельєф поверхні Венери. Рельєф Венери складають велетенські кратери згаслих вулканів діаметром до 50км, просторі низовини і плато, високі гірські масиви. В наш час вулкани не виявляють великої активності, кора Венери не розколота на окремі плити, як земна кора, тому потоки лави майже не сягають поверхні. Виверження вулканів на Венері породжують потужні електричні заряди – справжні грози в атмосфері Венери.

У Венери повинно бути рідке залізне ядро, в якому немає переміщення заряджених частинок (електричного струму). Власне магнітне поле Венери не виявлено.

Планета Марс

Марс – четверта планета Сонячної системи, за розмірами майже удвічі, а за масою – в 9 разів менша від Землі. Сила тяжіння становить 0,39 земної. Власне магнітне поле дуже слабке.

Досліджувати Марс зручно в моменти протистоянь (Земля знаходиться точно між Марсом і Сонцем). Якщо Марс перебуває в точці перигелію орбіти, а Земля водночас знаходиться в афелії, то віддаль між ними стає найменшою – 56 млн. км. Таке взаємне розташування Землі і Марса називається великим протистоянням і повторюється через 15–17 років. Останнє велике протистояння відбулося в 1988 р.

Рік на Марсі майже в 2 рази довший земного. Вісь обертання Марса нахилена до площини орбіти під кутом 22°, майже як земна вісь, завдяки чому на Марсі відбувається зміна пір року.

Атмосфера і клімат. Атмосфера на Марсі дуже розріджена, її тиск біля поверхні становить близько 0,006 земного тиску. За складом нагадує атмосферу Венери: 95 % вуглекислого газу, 4 % азоту і аргону, кисню і водяної пари – менше 1 %.

Швидкість вітру, як правило, невелика, під час пилових бур сягає 40—50 м/с. Пилові бурі тривають кілька місяців і повністю закривають поверхню. Через невелику силу тяжіння пил осідає дуже довго навіть після закінчення пилової бурі.

Середня температура на Марсі близько –40 °С. Влітку вдень повітря прогрівається до 20°С, але вночі температура сягає –125 °С. Такі перепади температури зумовлені тим, що розріджена атмосфера Марса не може довго утримувати тепло.

Рельєф Марса. 2/3 поверхні Марса займає оранжево–червона пустеля, червонуватий колір якої обумовлений великою кількістю гідратів оксидів заліза у ґрунті. 1/3 поверхні – темні ділянки – називаються морями. Поблизу полюсів спостерігаються білі плями – полярні шапки, які значно зменшуються в розмірах на початку марсіанського літа. Полярні шапки складаються з твердого СО₂, що замерзає при низьких температурах. Влітку вуглекислий газ випаровується, залишаючитвердий лід, де зосереджена вся вода планети Марс.

На Марсі виявлено великі каньйони, що перетинають пустелі – канали, які за своїми розмірами і формі нагадують русла висохлих річок. Існує припущення, що в минулому на Марсі клімат був значно теплішим, і на планеті існували моря і ріки.

Рельєф Марса сформувався в результаті активного виверження вулканів, які припинились близько мільярда років тому, падіння метеоритів, сильного вітру і потоків води, що залишили слід у вигляді каналів. Поверхня вкрита численними кратерами, пагорбами і проваллями. Вирізняють два великих вулканічних регіони – Елізіум висотою 5км і Фарсида (10км). В регіоні Фарсида знаходиться найбільший в Сонячній системі вулкан Олімп (діаметр 550км, висота 27км) і бере початок рифтова долина Маринер завдовжки 4км і завширшки 200км. Основою долини є величезний каньйон Титоніус Часма («величезна безодня») 6км глибини, 75–150км шириною. Його дно нагадує дно бурхливого потоку річки.

Супутники Марса. У Марса два супутники – Деймос і Фобос, відкриті американцем А. Холлом у 1877 р. В перекладі з давньогрецької імена супутників означають «страх» і «жах», які за легендою є синами бога війни Ареса (Марса), вічні супутники свого батька. Відстань Фобоса від центра Марса 9400км, Деймоса – 23 тис. км. Періоди обертання, відповідно, 7 год. 39 хв. (1/3 марсіанської доби) і 30 год. 18 хв. (2,5 марсіанських діб).

Сильні припливи, що виникають унаслідок близького розташування Фобоса від Марса, зменшують енергію його руху і супутник повільно наближається до поверхні планети.

Запитання для самоконтролю:

1. За якими характеристиками найбільш чітко виділяються дві групи планет Сонячної системи?

2. Які оболонки Землі вам відомі? Дайте коротку характеристику.

3. Що ви знаєте про внутрішню будову Землі?

4. Що ви знаєте про магнітне поле Землі?

5. Що таке Сонячна система? Сформулюйте характерні особливості кожної з двох груп планет Сонячної системи.

6. Що ви знаєте про внутрішню будову Землі?

7. Які оболонки Землі вам відомі? Дайте їх характеристику.

8. Які ефекти, пов'язані з особливостями руху Землі навколо Сонця, можуть обумовити зміну клімату в ній? Що таке парниковий ефект?

9. У чому полягає подібність і несхожість планет земної групи?

10. Чому дорівнює сонячна доба на Меркурії, Венері, Марсі?

11. Що таке парниковий ефект, чому на Венері він виявляється сильніше, ніж на Землі?

ЛЕКЦІЯ №7

План лекції.

1.Загальні характеристики планет – гігантів.

2.Планета Юпітер

3.Планета Сатурн

4.Планета Уран

5.Планета Нептун – царство холоду

6.Плутон

Література.Л4 (ст.65–69); Л5 (ст.86–95)

1. Загальні характеристики планет – гігантів.

Ø Планети-гіганти мають великі масу і розміри.

Ø Густина планет-гігантів значно менша, ніж у планет земної групи.

Ø Присутність потужної воднево-гелієвої атмосфери з домішками аміаку і метану (до 0,1 %).

Ø Наявність системи супутників і кілець.

Ø Швидкість обертання планет-гігантів навколо осі більша, ніж у планет земної групи, до того ж екваторіальні зони обертаються швидше від приполюсних.

Ø Низька температура поверхні.

2. Планета Юпітер

Юпітер – найбільша планета Сонячної системи, маса якої в 318 разів більша від маси Землі, а густина в 4 рази менша від густини Землі. Юпітер обертається навколо своєї осі швидше за всі інші планети (9год 50хв). Внаслідок швидкого обертання планета сплюснута біля полюсів (екваторіальний радіус 71 400км, полярний – 66 900км). Період обертання Юпітера збільшується зі зростанням широти.

Сила тяжіння у 2,5 рази більша від земної. Магнітне поле Юпітера в 12 разів сильніше від земного. Температура на поверхні Юпітера –140°С.

Атмосфера. Атмосфера Юпітера складається з 86 % водню, 14 % гелію, 0,07 % метану, 0,06 % аміаку, водяної пари, ацетилену та ін.

Хмари складаються переважно з аміаку. Висота атмосферного шару близько 6000км (0,08 радіуса планети). Темні і світлі зони, паралельні екватору, відповідають атмосферним течіям різного напрямку (одні відстають від обертання планети, інші – випереджають). Швидкості цих течій – до 100 м/с. На межі течій виникають величезні вихрі, найбільший з них – Велика Червона Пляма розміром 15x30 тис. км, що спостерігається уже 300 років. Це потужний антициклон, що обертається проти годинникової стрілки.

Будова Юпітера. Планета випромінює у простір удвічі більше енергії, ніж отримує від Сонця. Причиною цього є процеси гравітаційного стиснення речовини, з якої складається Юпітер. Формування планети ще не завершено. Це гігантський газовий шар, що не має твердої поверхні. На глибині кількох тисяч кілометрів атмосфера плавно переходить в газорідкий стан. Ще глибше знаходиться океан рідкого водню з гелієм. Ближче до центра на глибині 24тис.км під впливом дуже високого тиску (3млн.атм.) і температури (близько 11 000°С) рідкий водень переходить у металічну фазу, в якому протони і електрони існують окремо, генеруючи потужне магнітне поле. Ще нижче, на глибині 0,94 радіуса Юпітера, де температура дорівнює 25 000К і тиск 20млн.атм, розташована межа ядра Юпітера. Тут речовина перебуває в надпиляній рідкій фазі, хоча, можливо, є і тверде внутрішнє ядро, яке, крім водню і гелію, містить силікати, залізо і нікель.

Дослідження Юпітера. Дослідження проводили 5 американських космічних апаратів: «Піонер–10» (1973 p.), Піонер–11» (1974 p.), «Вояжер–1», «Вояжер–2» (1979 p.), міжпланетна станція «Галілео», що стала першим супутником Юпітера (1995 p.).

Супутники Юпітера. Юпітер має 28 супутників. У 1610 р. Галілей відкрив 4 супутники: Іо, Європа, Ганімед і Калісто. Інші сфотографували АМС «Вояжер–1»і «Вояжер–2» (США). В 1979 р. відкрито кільце навколо Юпітера, подібне до кілець Сатурна, але значно менше за розмірами і дуже тонке.

Планета Сатурн

Сатурн – друга планета-велетень і шоста в Сонячній системі, майже в усьому подібна до Юпітера. Це зоря 1–ої зоряної величини, значно слабша за блиском, ніж Венера, Юпітер і Марс.

Сатурн обертається навколо Сонця з періодом 29,46 земних років, народження під знаком Сатурна вважалось недобрим знаком. Внаслідок швидкого обертання Сатурна навколо осі (зоряна доба триває 10год 14хв) планета сильно сплюснута біля полюсів – ще сильніше, ніж Юпітер. Маса Сатурна в 95 разів більша за масу Землі, а сила тяжіння в 1,12 рази більша за земну.

Сатурн має дуже низьку густину 690 кг/м3, меншу за густину води, така маленька густина свідчить про те, що Сатурн переважно складається з водню і гелію. Внаслідок меншої сили тяжіння атмосфера Сатурна глибша від юпітеріанської. Потужний верхній шар аміачних хмар робить його не таким «кольоровим і смугастим», як Юпітер. Нижче атмосфери знаходиться океан рідкого молекулярного водню. На глибині близько половини радіуса планети тиск у ньому сягає З млн. атмосфер, і водень вже не може існувати в молекулярному стані. Він стає металічним, але залишається в рідкому стані. Течії в цьому металічному океані генерують досить сильне магнітне поле Сатурна. В центрі планети знаходиться масивне ядро (до 20 земних мас) із силікатів, заліза і, можливо, льоду (кристалічної форми аміаку, метану, вуглекислого газу, води) під тиском в мільйон атмосфер.

Оскільки Сатурн знаходиться в 9,5 разів далі від Сонця, ніж Земля, то на одиницю площі він отримує в 90 разів менше тепла, ніж наша планета. Температура атмосфери планети дорівнює 90 К.

Кільця Сатурна. Серед планет-гігантів Сатурн найбільше вражає уяву величною системою кілець. Вони були відкриті X. Гюйгенсом у XVII ст. Площина кілець лежить точно у площині екватора планети, нахиленій до площини земної орбіти під кутом 28,5°. Тому залежно від орієнтації Сатурна щодо Землі, кільця добре видно то «зверху», то «знизу», а іноді вони невидимі зовсім, коли Земля знаходиться в площині кілець. Останній раз кільця повернулися ребром до Землі і стали невидимими 1995 року.

Кільця Сатурна мають складну структуру. Американські космічні станції «Вояжер–1»(1980 р.) і «Вояжер–2» (1981 р.) передали на Землю фотографії кілець Сатурна. Вони складаються з сотень окремих вузьких кілець, розділених такими ж вузькими проміжками. Самі ж кільця складаються з окремих частинок водяного крихкого снігу та льоду різного розміру: від дрібних пилинок до брил у 10–15м завбільшки, які добре відбивають сонячне світло. Ці сніжні брили обертаються навколо Сатурна зі швидкістю близько 10 м/с, і, за законами Кеплера, чим ближче до планети, тим швидше. Ширина кілець 65 000км, а товщина не перевищує 1км.

Походження кілець. Кільця Сатурна являють собою залишки величезної навколопланетної хмари. Із зовнішнього шару цієї хмари утворились супутники, у внутрішньому шарі хмари утворення супутників неможливо, оскільки швидкості взаємних співударів зростають при наближенні до планети. При цьому частинки, досягнувши певних розмірів, розсипаються при зіткненні. У міру віддалення від планети частина речовини перетворюється на супутники, а інша частина залишається в роздробленому стані – у вигляді кільця.

Чому кільця плоскі? Це результат дії двох сил – гравітаційної і доцентрової. Гравітаційне притягання намагається стиснути систему з двох боків, а обертання приводить до сплющення її вздовж осі.

Супутники Сатурна. У Сатурна відомо 22 супутники, які названі на честь героїв античних міфів про титанів та гігантів. Майже всі супутники складаються з водяного льоду, їх густина 1200–1400 кг/м3. Найбільший – Титан – за масою у 20 разів більший від усіх інших супутників разом. Його діаметр 5150 км (більше, ніж у Меркурія), густина 1880 кг/м3, має кам'яне ядро і мантію з водяного, аміачного та метанового льоду. Унікальність Титана в наявності потужної атмосфери з азоту, метану та аргону висотою 200 км.

Феб – найбільш темний і віддалений супутник, що обертається навколо Сатурна в протилежному напрямку.

Навколо Сатурна обертаються Прометей, Пандора, Янус, Епітемій, Мімас, Тефія, Діона, Рея, Гіперіон та інші супутники.

Планета Уран

Уран відкритий англійським астрономом В. Гершелем у 1781 р. Уран у 4 рази більший за Землю, рухається навколо Сонця з періодом 84 земних роки на відстані 19,2а.о. Нахил осі обертання планети до площини орбіти становить 98°, тобто Уран рухається навколо Сонця, «лежачи на боці», та ще й обертається, як Венера, у зворотному напрямку.

Уран – блакитна планета. Причина цього – у складі його атмосфери та її температурі. При температурі (–218°С) у верхніх шарах воднево–гелієвої атмосфери сконденсувався метан, який добре поглинає червоні промені і відбиває блакитні та зелені. Тому Уран має такий аквамариновий колір.

Уран має таке ж сильне магнітне поле, як і Земля, тільки магнітний полюс відхиляється від географічного на 60°. Тому у верхніх шарах атмосфери спостерігаються «електросяйва», подібні до полярного сяйва на Землі.

Під газовою оболонкою завтовшки близько 8 тис. км розташований густий океан з води, аміаку та метану з температурою 2200°С. Атмосферний тиск на рівні океану 200 тис. атмосфер. На відміну від Сатурна і Юпітера, на Урані немає металічного водню, і аміачнометаново–воднева оболонка завтовшки 10 тис. км переходить у центральне залізо–кам'яне ядро. Температура в ядрі сягає 7000 °С, а тиск – 6млн атмосфер.

Всього в Урана 15 супутників. Уся супутникова система лежить в екваторіальній площині планети, тобто майже перпендикулярно до площини її орбіти. Супутники названі на честь героїв драматичних творів У. Шекспіра: Обертон, Титанія, Умбіель, Аріель, Міранда, Дездемона, Біанка, Афелія, Корделія, Джульєтта та ін. У 1977 р. відкрито 9 густих, вузьких і далеко розташованих один від одного кілець Урана. Вони являють собою повну протилежність світлим і широким сніжним кільцям Сатурна – в тисячу разів вужчі (1–10км), чорні і кам'янисті, складаються з дрібного темного пилового матеріалу.

Всі планети–гіганти Сонячної системи мають власну систему кілець. Але вони мають значно меншу яскравість, ніж кільця у Сатурна. Саме через це їх було відкрито тільки у XX ст. переважно за допомогою космічних апаратів. Таким чином було підтверджено передбачення київського астронома професора С. Всехсвятського. Він зробив висновок про наявність системи кілець у всіх планет–гігантів на підставі власних досліджень задовго до того, як з'явилася можливість вивчати системи планет–гігантів з міжпланетних станцій.

5. Планета Нептун – царство холоду

Відкриття Нептуна – тріумф небесної механіки: його наявність у Сонячній системі теоретично була розрахована французом Левер'є і англійцем Адамсом. 1846 року Уран був відкритий німецьким астрономом Галле поблизу того місця, на яке указав Левер'є.

Нептун у 4 рази більший за Землю, а маса у 17 разів більша за земну. Середня густина Нептуна 2300 кг/м3, найбільша серед усіх планет–велетнів. В атмосфері Нептуна, як і Урана, менше водню і гелію, ніж у Юпітера та Сатурна, а його синій колір пов'язаний з тим, що атмосферний метан ефективно поглинає червоні промені. На Нептуні помітні плями антициклонів, найбільший з них – Велика Темна Пляма.

За будовою і складом Нептун схожий на Уран. Магнітне поле Нептуна подібне за силою до земного. Магнітний полюс нахилений до географічного під кутом 47°.

Супутники Нептуна: Тритон (1846 p.), Нереїда (1949 p.), 6 супутників діаметром від 50 до 400км відкриті 1989 p. AMC «Вояжер–2» (США).

Тритон має діаметр 2700км, обертається дуже близько до Нептуна (на відстані 355 тис, км) в напрямку, протилежному обертанню самої планети, в ньому зосереджена вся маса супутникової системи Нептуна. Тритон є єдиним відомим внутрішнім зворотним супутником. Зворотні супутники інших планет (4 зовнішні супутники Юпітера і найвіддаленіший зовнішній супутник Сатурна – Феба) мають невеликі
діаметри (30–220км), невелику масу і віддалені на 13–25 млн км. Тритон – другий супутник у сонячній системі (перший – супутник Сатурна Титан), що має значну атмосферу (азот із домішками метану). Температура на Тритоні –235°С.

Плутон

Плутон – колись дев'ята, найдальша і найменша за розміром, планета Сонячної системи. Вона була відкрита 1930 року американським астрономом Клайдом Томбо, а її існування розраховано за збуренням в русі планет Урана і Нептуна.

Плутон вирішили вважати карликовою планетою (dwaft planet) після того, як астрономи виявили в Сонячній системі ще приблизно 50 планет, співрозмірних Плутону.

Плутон має найбільший період обертання навколо Сонця – 247,7 земних років, а його еліптична орбіта витягнута настільки, що він іноді опиняється навіть ближче до Сонця, ніж Нептун (цей період можна вважати «літом» для Плутона). Площина його орбіти нахилена до площини екліптики під значним кутом 17°, так, що рухаючись небесною сферою, Плутон виходить за межі зодіакальних сузір'їв. Плутон обертається навколо осі (як і Уран чи Венера) у зворотному напрямку, а кут нахилу осі обертання до площини орбіти становить 32°.

Плутон виглядає як зірка 15–ої зоряної величини, світла і тепла він отримує в 1600 раз менше, ніж Земля. Маса Плутона становить 1/500 маси Землі і 1/6 маси Місяця. Поверхня Плутона вкрита метановим льодом і тому має сірий відтінок. При проходженні перигелію температура планети становить 45–67 К (від –228 °С до –206 °С). В останній раз Плутон пройшов свій перигелій 9 вересня 1989 р. Через 124 роки, коли він буде в афелії, приплив сонячного тепла зменшиться втричі і температура знизиться до 32–50К.

Атмосфера Плутона складається з метану, атмосферний тиск у поверхні планети в 7 тис. разів менший від земного. Супутник Плутона – Харон. Плутон (Аїд) – бог підземного царства, де панує вічна темрява. Харон – перевізник, що переправляв душі померлих через річку підземного царства. Діаметр Харона 1186 км. Відношення мас Плутон – Харон 7:1 (Земля – Місяць 81:1), тому мова йде про подвійну планету – систему Плутон – Харон.

В тих областях Сонячної системи, де рухаються Плутон і Харон, справді панує вічна темрява. І все ж таки освітленість від Сонця там у 300 разів більша, ніж від Місяця на Землі під час повні.

Характеристики планет–гігантів та карликової планети Плутон

Запитання для самоконтролю

1. Поясніть, чим саме несхожі між собою планети–гіганти й планети земної групи?

2. Яка природа Великої Червоної Плями в атмосфері Юпітера?

3. Що вам відомо про природу кілець Сатурна?

4. Чи є кільця Сатурна особливістю лише цієї планети?

5. До якої групи належить Плутон?

ЛЕКЦІЯ №8

План лекції.

1.Астероїди – малі планети Сонячної системи.

2.Комети.

3.Фізична природа комет.

4.Розпад комет. Метеорити та метеоритні потоки. Боліди.

5.Метеорити, кратери, астроблеми.

6.Формування нашої планетної системи.

7.Етапи формування протопланетного диска.

8.Акумуляція планет.

9.Утворення астероїдів і комет.

Література. Л4 (ст.77–83); Л5 (ст.96–105)

1. Астероїди – малі планети Сонячної системи.

Якщо накреслити план орбіт планет Сонячної системи, то виявиться, що відстані планет від Сонця зростають орієнтовно в геометричній прогресії. Ця закономірність отримала назву правила Тиціуса – Боде (1766 р.) за іменами німецьких учених, які його виявили:

де п = –∞ для Меркурія, п = 0 для Венери, п = 1 для Землі, п = 2 для Марса і т. д.

Ця формула досить правильно дає значення середніх відстаней планет від Сонця в а.о.

Цікавим є той факт, що між Марсом і Юпітером існує проміжок; планети, що відповідає 5–му члену ряду, немає. З 1796 р. розпочались пошуки небесного тіла на відстані 2.8 а.о. від Сонця. Але реальність порушувала математичну гармонію.

Першу малу планету було відкрито 1 січня 1801 p.; її назвали іменем античної богині плодючості — Церера (діаметр 1000 км). Незабаром було знайдено ще три малі планети: Паллада (діаметр 600 км), Веста (540 км) і Юнона (245 км). На небесній сфері малі планети схожі на зорі, тому їх і назвали астероїдами, що старогрецькою означає «зореподібні». Вони відрізняються від зір тільки характерним для планет петлеподібним переміщенням на тлі зоряного неба.

З кінця XIX ст. астероїди стали відшукувати фотографічним методом. Згодом між орбітами Марса і Юпітера на відстані від 2.2 а. о. до 3.2 а. о. було виявлено і надійно встановлено понад 9000 астероїдів, які утворюють так званий головний пояс астероїдів. Астероїдам присвоюють номери (в порядку відкриття) і назви. Спочатку їх називали іменами богинь грецької і римської міфології (1 Церера, 2 Паллада, 3 Веста, 52 Європа, 64 Кібела, 16 Психея). Згодом астрономи звернулися до міфів інших народів, стали використовувати жіночі імена (224 Оксана, 265 Анна, 558 Кармен, 1180 Рита, 2202 Пеле), імена видатних учених, географічні назви та ін. (1822 Копернік, 2001 Ейнштейн, 1709 Україна, 876 Геометрія, 1154 Астрономія, 2171 Київ, 2427 Кобзар).

Можливо, астероїди виникли тому, що з якоїсь причини речовина не змогла зібратися в одне велике тіло — планету; можливо також, що колись тут була планета, яка чомусь розпалася, і астероїди—її осколки. Деякі астероїди мають не кулясту, а неправильну форму. Сумарна маса астероїдів = 0.1 маси Землі. Астероїдів з діаметром понад 200 км. близько 50, від 80 до 200 км. близько 260, діаметром понад 1 км — більше мільйона.

Рухаються астероїди навколо Сонця в той же бік, що й планети, і мають витягнуті еліптичні орбіти переважно з невеликими ексцентриситетами. Орбіти деяких астероїдів мають великі ексцентриситети, внаслідок чого в перигелії вони підходять до Сонця ближче, ніж Марс і Земля. Ікар підходить до Сонця ближче, ніж Меркурій (перигелій 28 км), і періодично наближається до Землі (в 1987 р. відстань від Землі до Ікара становила кілька мільйонів км). Наступні наближення Ікара будуть у 2006 та 2015 pp., коли відстань до Землі становитиме 45 та 8 млн. км, відповідно.

Виділяють три родини астероїдів, що дуже близько наближаються до Землі. Родина Амура (1221) – астероїди, орбіти яких в перигелії майже торкаються орбіти Землі, астероїди з родини Аполлона (1862) перетинають земну орбіту із зовнішньої сторони (їх перигелій на відстані менше 1 а.о.), з родини Атона (2962) перетинають земну орбіту з внутрішньої сторони. Близькі проходження астероїдів відбуваються досить часто.

1992 р. відкрито новий пояс астероїдів – пояс Койпера або планетоїди, який починається за орбітою Нептуна і розташований на відстані 40–50 а.о. До 2000 р. було відомо близько 120 планетоїдів, розміри яких орієнтовно такі ж, як і в основному поясі астероїдів,тобто значна кількість має діаметр понад 100 км. Загальну кількість тіл з діаметром понад 1 км зараз оцінюють у кілька мільйонів. Більшість тіл відкрито за допомогою двохметрового телескопа Гавайського університету. Вважають, що пояс Койпера містить велику кількість кометних дер.

Комети

Комети (з гр. «довговолоса») — світила туманного вигляду з довгим блідим хвостом – вважалися в минулому провісницями всіляких бід і воєн. Комету, яку описував Л. Толстой у романі «Війна і мир», вважали пророцтвом Вітчизняної війни 1812 р.

Довгий час, за Аристотелем, дотримувалися думки, нібито комети — це згущення газів у земній атмосфері. Лише данський астроном Тіхо Браге довів космічне походження комет. Дотепер зареєстровано близько 1100 комет.

Рух комет. На відміну від астероїдів, що мають орбіти з малим ексцентриситетом, орбіти комет — це дуже витягнуті еліпси. Частіше за все еліпси витягнуті настільки, що ділянки орбіт, які пролягають середині сонячної системи, мають вигляд параболи чи гіперболи. Від ступеня витягнутості еліпса залежить і період обертання комети навколо Сонця. Найкоротшим шляхом рухається комета Енке — від орбіти Меркурія до Юпітера і назад з періодом 3,31 роки. Найвідоміша серед комет — комета Галлея — повертається до Сонця кожні 75,54 років. Вона названа на честь Е. Галлея, який визначив період її обертання. Галлей встановив, що комети, які спостерігалися у 1531, 1607 і 1682 роках, — це одне й те саме світило, яке періодично повертається до Сонця. Він передбачив появу комети в 1758 p., і через 16 років після його смерті вона справді з'явилася. Комета Галлея з'являлась уже двічі у XX столітті (1910р. і 1986p.).

Комета, відкрита 1788 р. Кароліною Гершель, повернулася через 154 роки з відстані 57 а.о. 1914 р. спостерігалася найдальша комета Делавана, вона віддалиться на 170 000 а.о. і повернеться через 24 млн років. Комети, відомі за їхніми попередніми появами, називають періодичними (їх близько 330).

Походження комет. За гіпотезою нідерландського астронома Я.Оорта (1950 р.) ядра комет утворюють величезну хмару, яка сягає далеко за межі орбіти Плутона (на відстані 100—150 тис. а.о. від Сонця) і знаходиться на межі Сонячної системи. Хмара Оорта — це залишки матеріалів, які не пішли на утворення планет Сонячної системи і відкинуті на велику відстань за межі відомих планетних орбіт. Також джерелом утворення комет є пояс Койпера.

Закони, що управляють рухом планет і комет, однакові, але є суттєві відмінності:

1. Орбіти планет — еліпси, близькі до кола. Орбіти комет, як правило, — витягнуті еліпси, близькі до параболи в межах Сонячної системи.

2. Планети рухаються в площині тонкого диску (площині екліптики), майже всі в одному напрямку. Шляхи комет орієнтовані у просторі хаотично.

3. Рух планет стійкий, вони не змінюють помітно своїх орбіт. Комети, перетинаючи шляхи великих планет, змінюють орбіти. Особливо сильно впливає Юпітер, він захоплює комети своїм гравітаційним полем, і переводить комети на короткі періодичні орбіти — від Сонця до Юпітера і назад.

3. Фізична природа комет

Ядро комети діаметром кілька кілометрів — єдина тверда частина комети, в якій зосереджена практично вся її маса. Маса комет мала і не впливає на рух планет. Ядро комети складається із суміші пилинок, твердих силікатних частинок (5—10%), водяного льоду і замерзлих газів — вуглекислого газу, метану, аміаку. Поки до Сонця далеко, комета «спить», температура її близько –260 °С, вона не має ні голови, ні хвоста. Наближаючись до Сонця (починаючи з відстані 6а.о.), кометний лід починає випаровуватися. Гази і пил утворюють навколо ядра газову оболонку — кому, або голову комети.

Під дією тиску сонячного світла і сонячного вітру (потоків заряджених частинок з боку Сонця) речовина голови комети відкидається у напрямку, протилежному від Сонця, утворюючи протяжний хвіст комети. Форму хвоста визначає сила, що має головний вплив на комету, — сила відштовхування за рахунок сонячного вітру і тиску сонячного світла або сила притягання з боку Сонця.

Розрізняють чотири типи хвостів.

І тип — прямий і тонкий хвіст, складається з іонів, які мають велике прискорення в полі сонячного випромінювання.

II тип — широкий і трохи викривлений, складається з нейтральних молекул кометної атмосфери і дрібних пилових частинок.

ІІІ тип — широкий і сильно викривлений, складається з більших пилових частинок.

Значно рідше спостерігається аномальний хвіст IV типу, який направлений до Сонця і складається з великих за розмірами пилових частинок.

Кванти сонячного світла іонізують кометний газ, який світиться подібно до розрідженого газу в газорозрядних трубках.

Хвіст комети росте з наближенням її до Сонця і завжди напрямлений від нього, збільшується й голова комети. Хвіст іноді сягає 150 млн. км, а голова комети — розмірів Сонця. З віддаленням від Сонця вигляд і яскравість комети змінюються в зворотному порядку, комета знову «засинає» до нової зустрічі із Сонцем.

Густина речовини в голові (крім ядра) та хвості комети дуже мала. 1910р. Земля пройшла крізь хвіст комети Галлея, але газ у хвості комети настільки розріджений, що це ніяк не вплинуло на біосферу Землі. Тільки при зіткненні Землі з ядром комети може статись катастрофа. За однією з гіпотез, Тунгуська катастрофа 1908 р. була спричинена падінням на Землю невеликої комети, що мала ядро діаметром близько 130 м. В липні 1994 р. астрономи спостерігали унікальне явище падіння на Юпітер комети Шумейкера—Леві, яка перед тим розділилася на понад 20 фрагментів.

4. Розпад комет. Метеорити та метеоритні потоки. Боліди.

За рахунок випаровування речовина комети безперервно розсіюється у просторі і її маса зменшується. Ядра періодичних комет поступово виснажуються, з кожним обертом вони світяться дедалі слабше. Інколи спостерігається поділ кометних ядер на дві частини чи більше. Комета Галлея на кожному витку зменшується метрів на двісті.

Метеорні тіла — залишки комет, які видно лише в момент їх випаровування, називають метеорами.

Пилові частинки, що виділяються із хвоста та голови комети, розсіюються вздовж її орбіти і утворюють метеорний рій. Коли Земля зближується з орбітою комети і перетинає такий рій пилових (або метеорних) частинок, вони влітають в атмосферу Землі з величезними швидкостями (від 11 до 72 км/с). При таких швидкостях метеорна частинка інтенсивно руйнується (переважно на висотах ПО—70 км над поверхнею Землі), нагрівається до 2—3 тис. градусів від зіткнення з молекулами атмосфери і спалахує, створюючи явище метеор (в народі називають «падаюча зоря»). Якщо блиск метеора більший від блиску Венери, то таке явище називається болідом. При перетині Землею метеорного рою метеори, що згорають в земній атмосфері, утворюють метеорний потік, а іноді — метеорний дощ, якщо щохвилини в атмосфері спалахують десятки або і сотні метеорів. Здається, що всі метеори вилітають майже з однієї точки небесної сфери. Ця точка називається радіантом метеорного потоку. Радіант потоку метеорів виникає внаслідок того, що в метеорному рої частинки рухаються паралельними траєкторіями. При спостережені з поверхні Землі виявляється явище перспективи (паралельні рейки залізниці на горизонті сходяться в одну точку). Назва метеорного потоку пов'язана із сузір'ям, в якому знаходиться радіант.

18—19 листопада спостерігається метеорний потік Леоніди з радіантом у сузір'ї Лева, пов'язаний з періодичною кометою Темпеля—Туттля, відкритою 1865р. Щороку з 12 по 14 серпня спостерігається метеорний потік Персеїди з радіантом у сузір'ї Персея, пов'язаний з періодичною кометою Свіфта—Туттля, яка спостерігалась востаннє в 1992 p. Метеорний потік Оріоніди, породжений кометою Галлея, спостерігається з 16 по 26 жовтня з радіантом в сузір'ї Оріон.

Метеори бувають поточні та спорадичні. Останні породжуються метеороїдами (метеорними тілами), які мають будь–які індивідуальні орбіти в Сонячній системі. За походженням вони пов'язані, як з кометами, так і з астероїдами, які при руйнівних зіткненнях утворюють дрібні частинки.