Планеты-гиганты

23 Янв 2014 | Автор: | Комментариев нет »

Содержание

Введение с.3-4

1. Общая характеристика планет-гигантов. с.5-7

2. Юпитер с.7-18

2.1. Строение планеты с.7

2.2. Атмосфера с.14

2.3. Спутники Юпитера с.16

3. Сатурн с.18-23

3.1. История открытия с.18

3.2. Строение планеты с.21

3.3. Спутники с.23

4. Уран с.24-29

4.1. История изучения с.24

4.2. Строение планеты с.25

4.3. Спутники с.28

5. Нептун с.29-32

5.1. Строение планеты с.29

5.2. Спутники с.32

Заключение с.35-36

Список литературы с.37

Приложения с.38

Введение

Мы не можем однозначно сказать, когда и где именно человек впервые с интересом взглянул на небо. Но можно смело утверждать, что произошло это на заре человечества, и в наш просвещенный век каждый может испытать чувства, схожие с чувствами своего далекого предка. Достаточно в ясную ночь выйти на открытое место и посмотреть вверх. Прошли тысячелетия эволюции, но магия неба не потеряла свою силу, продолжая вызывать бурю эмоций у каждого живущего на Земле.

В ясную безлунную ночь открывается полная звезд бездна - одно из самых удивительных и красивых зрелищ природы. На Земле шумят моря и океаны, на деревьях распускаются и опадают листья, проходят годы, но вид звездного неба заметно не изменяется. Люди рождаются, взрослеют, потом стареют и уходят навсегда. Казалось бы, что их жизнь по сравнению с вечным ходом небесных светил? Но человек - и зритель, и актер в этом великом театре природы. Возможно, даже единственный зритель в огромном пространстве, где рассеяны миллиарды звезд.

Около 15 млрд. лет назад в невообразимом взрыве родилась наша Вселенная, ее время и пространство. Спустя какое-то время возникли гигантские звездные острова - галактики, в том числе и наша Галактика. Звезды в ней рождались, жили, умирали, взрывались. Вещество рассеивалось в пространстве, а затем снова конденсировалось в туманности, в которых вновь возникали звезды. Одна из наиболее активных областей звездообразования в Галактике - это большая туманность в созвездии Ориона. Еще не понятые до конца процессы рождения здесь звезд, возможно, со своими планетными системами, скрыты гигантскими скоплениями пыли и газа. Из туманности исходит таинственное мазерное излучение.

В таком же процессе около 4,55 млрд. лет назад в одном из ничем не примечательных уголков нашей Галактики после конденсации крайне разреженной газопылевой туманности родились еще одна звезда - наше Солнце - и окружающие его планеты. История происхождения планетной системы у Солнца полна загадок и не нашедших ответа вопросов. И одной из важнейших и интереснейших загадок нашей Солнечной системы является появление и формирование планет-гигантов.

Данная проблема очень интересна не только тем, что планеты-гиганты являют собой действительные загадки, в них много еще неизученного и непознанного, но и тем, что в отечественной научной литературе не получила необходимого освещения. Важность и актуальность указанной проблемы позволили сформулировать тему данного реферата: «Планеты-гиганты».

В данной работе мы рассмотрим особенности формирования, структуру роль в Солнечной системе, а также некоторые иные характеристики планет-гигантов.

1. Общая характеристика планет-гигантов.

К классу планет-гигантов относятся Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Все эти планеты (и особенно Юпитер) имеют большие размеры и массы. Например, по объему Юпитер превосходит Землю почти в 1320 раз, а по массе - в 318 раз. Следует обратить внимание и на низкую среднюю плотность (наименьшая она у Сатурна - 0,7 • 103 кг/м3).

Планеты-гиганты очень быстро вращаются вокруг своих осей; менее 10 часов требуется огромному Юпитеру, чтобы совершить один оборот. Причем, как выяснилось в результате наземных оптических наблюдений, экваториальные зоны планет-гигантов вращаются быстрее, чем полярные, т. е. там, где максимальны линейные скорости точек в их движении вокруг оси, максимальны и угловые скорости. Результат быстрого вращения - большое сжатие планет-гигантов (заметное при визуальных наблюдениях). Разность экваториального и полярного радиусов Земли составляет 21 км, а у Юпитера она равна 4400 км (10, с. 76).

Планеты-гиганты находятся далеко от Солнца, и независимо от характера смены времен года на них всегда господствуют низкие температуры. На Юпитере вообще нет смены времен года, поскольку ось этой планеты почти перпендикулярна к плоскости ее орбиты. Своеобразно происходит смена времен года и на планете Уран, так как ось этой планеты наклонена к плоскости орбиты под углом 8°.

Планеты-гиганты отличаются большим числом спутников; у Юпитера их обнаружено к настоящему времени 16, Сатурна - 17, Урана - 16 и только у Нептуна - 8. Замечательная особенность планет-гигантов - кольца, которые открыты не только у Сатурна, но и у Юпитера, Урана и Heптуна. Из планет-гигантов лучше других исследованы Юпитер и Сатурн.

Важнейшая особенность строения планет-гигантов заключается в том, что эти планеты не имеют твердых поверхностей. Такое представление хорошо согласуется с малыми средними плотностями планет-гигантов, их химическим составом (они состоят в основном из легких элементов - водорода и гелия), быстрым зональным вращением и некоторыми другими данными. Следовательно, все, что удается рассмотреть на Юпитере и Сатурне (на более далеких планетах детали вообще не видны), происходит в протяженных атмосферах этих планет. На Юпитере даже в небольшие телескопы заметны полосы, вытянутые вдоль экватора. В верхних слоях водородно-гелиевой атмосферы Юпитера в виде примесей встречаются химические соединения (например, метан и аммиак), углеводороды (этан, ацетилен), а также различные соединения (в том числе содержащие фосфор и серу), окрашивающие детали атмосферы в красно-коричневые и желтые цвета. Таким образом, по своему химическому составу планеты-гиганты резко отличаются от планет земной группы. Это отличие связано с процессом образования планетной системы.

На фотографиях, переданных с борта американских АМС «Пионер» и «Вояджер», отчетливо видно, что газ в атмосфере Юпитера участвует в сложном движении, которое сопровождается образованием и распадом вихрей. Предполагается, что наблюдаемое на Юпитере около 300 лет Большое Красное Пятно (овал с полуосями 15 и 5 тыс. км) тоже представляет собой огромный и очень устойчивый вихрь (10, с. 78).

Потоки движущегося газа и устойчивые пятна видны и на снимках Сатурна, переданных автоматическими межпланетными станциями.

«Вояджер-2» дал возможность рассмотреть и детали атмосферы Нептуна. Вещество, находящееся под облачным слоем планет-гигантов, недоступно непосредственному наблюдению. О его свойствах можно судить по некоторым дополнительным данным. Например, предполагают, что в недрах планет-гигантов вещество должно иметь высокую температуру. Как же такой вывод был сделан? Во-первых, зная расстояние Юпитера от Солнца, вычислили количество теплоты, которое Юпитер от него получает. Во-вторых, определили отражательную способность атмосферы, что позволило узнать, сколько солнечной энергии планета отражает в космическое пространство. Наконец, вычислили температуру, которую должна иметь планета, находящаяся на известном расстоянии от Солнца. Она оказалась близкой к -160° С. Но температуру планеты можно определить и непосредственно, исследуя ее инфракрасное излучение с помощью наземной аппаратуры или приборов, установленных на борту АМС. Такие измерения показали, что температура Юпитера близка к -130° С, т. е. выше расчетной. Следовательно, Юпитер излучает энергии почти в 2 раза больше, чем получает от Солнца. Это и позволило сделать вывод о том, что планета обладает собственным источником энергии.

Итак, подведем итоги. К классу планет-гигантов относятся Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Все эти планеты (и особенно Юпитер) имеют большие размеры и массы. Планеты-гиганты очень быстро вращаются вокруг своих осей; менее 10 часов требуется огромному Юпитеру, чтобы совершить один оборот. Планеты-гиганты находятся далеко от Солнца, и независимо от характера смены времен года на них всегда господствуют низкие температуры. Планеты-гиганты отличаются большим числом спутников; у Юпитера их обнаружено к настоящему времени 16, Сатурна - 17, Урана - 16 и только у Нептуна - 8.

Совокупность всех имеющихся сведений о планетах-гигантах дает возможность построить модели внутреннего строения этих небесных тел, т. е. рассчитать, каковы плотность, давление и температура в их недрах. Эти сведения будут изложены в следующих параграфах реферата.

2. Юпитер

2.1. Строение планеты. Юпитер устроен совсем иначе, чем планеты земной группы. Вообще вся группа характеризуется низкой средней плотностью, от 0,70 г/см3 у Сатурна до 1,64 г/см3 у Нептуна. Это значительно меньше средней плотности Земли (5,52 г/см) и других планет земной группы. Тем не менее, размеры гигантов так велики, что на их долю приходится 99,5 % всей массы планетной системы, или 446 масс Земли. Наиболее велика масса Юпитера: 318 масс Земли или 1/1047 массы Солнца. Практически вся кинетическая энергия вращения планет и весь вращательный момент Солнечной системы приходится на планеты-гиганты.

Юпитер - удобный объект астрономических наблюдений, несмотря на большую удаленность от Солнца, 778 млн. км. Это в 5,2 раза дальше, чем от Солнца удалена Земля (9, с. 11).

На далеком Солнце мы можем различать детали, в 4 раза более мелкие, чем на Юпитере. 43 минуты уходит на то, чтобы свет Солнца достиг планеты. Эксцентриситет орбиты составляет 0,048, что втрое больше, чем у Земли, но вдвое меньше, чем у Марса. Движение Юпитера по орбите довольно медленное, 13 км/с. Один оборот вокруг Солнца Юпитер завершает за 11,86 земного года. Противостояния повторяются каждые 399 суток. Наклон орбиты Юпитера к плоскости эклиптики мал, около 1°. Малый наклон плоскости экватора планеты к плоскости орбиты приводит практически к полному отсутствию смены времен года.

Размеры Юпитера очень велики: он в 11,2 раза больше Земли по диаметру, в 1320 раз - по объему и в 318 раз - по массе. Средняя плотность 1,33 г/см лишь немногим больше плотности воды и в 4 раза меньше средней плотности Земли. Сила тяжести на экваторе планеты в 2,36 раза больше, чем у Земли. У полюсов она больше на 16 %. Привычные для нас значения первой и второй космических скоростей (7,35 и 10,40 км/с для спутника Земли на высоте 1 тыс. км) на Юпитере благодаря огромной его массе возрастают до 41,9 и 52,2 км/с соответственно. Период обращения такого спутника на круговой орбите составит всего 3 часа несмотря на очень большую удаленность от центра планеты (72 400 км). Для Земли этот период составил бы 54 ч. (9, с. 18)

Эти особенности, вытекающие из огромной массы планеты, делают чрезвычайно сложной технической задачей создание спускаемого аппарата для Юпитера (из-за чудовищных динамических перегрузок). Тем не менее, такой аппарат, названный «Галилей», стартовал с Земли в 1989 г. в США и достиг Юпитера в 1995 г.

Юпитер заметно сплющен: его полярный диаметр на 7 % меньше экваториального. Это вызвано центробежными силами: при огромном экваториальном радиусе (71400км) Юпитер совершает один оборот вокруг своей оси всего за 9 ч 55,5 мин. Каждая точка экватора движется со скоростью 45 тыс. км/ч. Еще в XVII в. стало известно, что вращение Юпитера отличается от вращения твердого тела: если на 23° с.ш. сутки составляют 9 ч. 49 мин., то всего на 5° южнее, на 18° с.ш., их длительность достигает 9 ч. 56 мин. Вся видимая поверхность Юпитера и детали, по которым определены периоды вращения, - это довольно плотные облака. Они образуют многочисленные полосы желто-коричневых, белых, красных и голубоватых оттенков. Полосы, охватывающие планету, как параллели, образуют системы темных поясов и светлых зон, сравнительно симметрично расположенных к северу и к югу от экватора.

Хотя темные пояса и светлые зоны - постоянные образования на Юпитере, вид их довольно изменчив. Изменяется также общий оттенок Юпитера. Полосатая структура облачного покрова охватывает экваториальную часть планеты и доходит до широт ±40°. Севернее и южнее облака образуют поле с коричневыми и голубоватыми пятнами диаметром до 1 тыс. км.

На фотографиях Юпитера почти всегда можно видеть и самую известную деталь Юпитера - Большое Красное Пятно (БКП). Это овальное образование изменяющихся размеров, расположенное в южной тропической зоне. Его размеры сейчас около 25 тыс. км. в долготном направлении. В 1878 г. оно было почти в 2 раза больше. БКП привлекает внимание яркой окраской. Впрочем, не всегда. Впервые БКП как яркая деталь описано в 1878 г. Но оказалось, что наблюдатели рисовали его в своих журналах еще 300 лет назад.

Было высказано множество догадок о том, что такое БКП. Предположения были самые различные. В наши дни допустимые пределы возможного и невозможного на Юпитере значительно сузились. Стало ясно, что главные составляющие атмосферы планеты - это водород и гелий. Измерения показали, что температура внешних слоев атмосферы (облачного слоя) очень низка. Поэтому в одной из гипотез предполагалось, что БКП - гигантский остров из гелиевого льда, который плавает в плотной холодной атмосфере, то погружаясь в нее (когда БКП видно плохо), то снова всплывая. Однако, по расчетам, такая льдина не смогла бы сохранить свое положение на постоянной широте. Да и температура там намного выше тех значений, при которых можно было бы сказать, что это «гелиевый лед», которого, кажется, нет в природе.

Другие гипотезы связывали БКП с поверхностью планеты. Например, это постоянно извергающийся вулкан. Было показано также, что если на поверхности имеется какой-то большой кратер (скажем, метеоритный), ветры должны создавать над ним в атмосфере так называемую конвективную колонну, которая извне представляется пятном. Но и в этой гипотезе много изъянов. У Юпитера вообще нет поверхности в земном смысле. Кроме того, чтобы такая конвективная колонна прошла всю атмосферу, толща последней должна быть не очень большой. А по нынешним воззрениям, она составляет никак не менее 1000 км. К тому же БКП постоянно дрейфует на несколько градусов то в одну, то в другую сторону.

По современным представлениям, планеты и Солнце образовались из общего газопылевого облака. Среди планет Юпитер занимает особое положение: многие ученые считают его «несостоявшейся звездой». Его масса очень велика. На нее приходится 2/3 всего, что обращается вокруг Солнца. Но все же ее недостаточно для того минимума, который приводит к началу самоподдерживающейся термоядерной реакции, являющейся источником энергии Солнца. В процессе такой реакции водорода на Солнце становится все меньше, а гелия все больше. Атмосфера Юпитера, наоборот, должна иметь реликтовый (исходный) состав: его масса настолько велика, что убегание каких-либо газов, включая водород, невозможно. Поэтому соотношение между количествами водорода и гелия должно сохраниться таким же, как было на Солнце в пору его младенчества (конечно, при условии, что Солнце и планеты возникли из одного облака и получили водород и гелий в одинаковых соотношениях). На Солнце значительная часть водорода уже «выгорела» в термоядерных реакциях. С точки зрения космологии очень важно знать, каким было соотношение вначале. Это дает ответ на многие вопросы и, в частности, на вопрос о том, к какому поколению звезд относится Солнце (5).

Около 30 лет назад было установлено, что из недр Юпитера идет поток тепла, в 2,5 раза превышающий приток энергии от Солнца. В дальнейшем это значение немного исправили - в 1,9 раза. Что же представляет собой источник этой гигантской энергии?

Уже говорилось, что масса Юпитера недостаточно велика для начала термоядерных реакций на планете. Но есть и другие источники энергии, хотя и не такие мощные. Один из них - планетохимическая дифференциация. Это, в частности, погружение к центру планеты тяжелых веществ и всплывание легких. Выделяющаяся при этом энергия также могла бы объяснить наблюдаемые факты. Очень похоже, что в жизни Юпитера были бурные периоды, когда энергия из него выделялась очень интенсивно. Об этом кое-что говорят спутники Юпитера.

В 1973 - 1974 гг. с помощью «Пионеров» был обнаружен еще один, довольно экзотический источник энергии планеты. В отличие от тех, что описаны выше, он воздействует на верхние этажи атмосферы и вызывает их разогрев. Этот необычный источник энергии - потоки метеоритного вещества вблизи Юпитера. Они гораздо плотнее, чем у Земли. Энергия, которую они несут, в 170 раз превышает то, что получает на единицу площади от метеоритов наша Земля. Естественно, что сбор этой энергии планетой с поверхностью в 118 раз большей, чем Земля, очень велик (9, с. 24).

Структура Юпитера имеет вид оболочек все возрастающей плотности по направлению к центру планеты. У Юпитера на дне уплотняющейся в глубину атмосферы, толщина которой принята 1500 км, находится слой газожидкого водорода толщиной около 7000 км. На уровне 0,88 радиуса водород переходит в жидкомолекулярное состояние с увеличением плотности с 0,56 до 0,66 г/см. Здесь давление и температура составляют 0,69 Мбар и 6500 К. Ниже, на уровне 0,77 радиуса (3 Мбар, 10 000 К), водород переходит в жидкое металлическое состояние. Границы отделены переходными зонами a, b и с. Наряду с водородом и гелием в состав слоев входят небольшие количества тяжелых элементов.

На внутреннее ядро приходится примерно 5 масс Земли. Водорода в нем нет. По составу ядро металлосиликатное и, возможно, включает воду, аммиак и метан. Предполагается, что внутреннее ядро может быть окружено слоем гелия (или слоем растворов гелия). Диаметр внутреннего ядра примерно вдвое больше Земли. Температура в центре планеты близка к 23-103 К, а давление около 50 Мбар.

Подведем итог: металлическое жидкое ядро внутри толстой скорлупы из металлического водорода. На ней - странный океан глубиной в несколько тысяч километров. Примерно такая же глубина атмосферы. Во внешних ее частях плавают облака из водяного инея, сернисто-кислого аммония и аммиака. И все это распределено строго равномерно по своим уровням: никаких «материков» в океане, никаких масконов под поверхностью. Анализ движения аппаратов вблизи Юпитера показал, что гравитационное поле планеты соответствует математически точному и однородному на каждом уровне телу планеты без каких-либо отклонений, в том числе и в районе Большого Красного Пятна. Иными словами, анализ гармоник гравитационного поля дал результат, который соответствует жидкой поверхности планеты.

Общее количество водорода на Юпитере соответствует 225, гелия - 70 массам Земли. Еще 20 масс Земли приходится на тяжелые элементы в центре планеты и отчасти в оболочках.

2.2. Атмосфера. Юпитер состоит почти целиком из водорода и гелия: 89 и 11 % по объему соответственно. Таков же газовый состав его атмосферы. Отношение 89:11 по объему для водородно-гелиевой смеси - это то же, что 80:20 по массе, так как масса молекулы водорода 2, а атома гелия 4. (По измерениям с зонда «Галилей» гелия оказалось немного больше, 24 %.) (8, с. 43).

Водородно-гелиевая атмосфера Юпитера обладает огромной протяженностью. Облачный покров расположен на высоте не менее 1000 км над условной «поверхностью», которая представляет собой постепенный переход от газообразного к жидкому состоянию. Облачный слой и, по крайней мере, верхняя часть атмосферы охвачены интенсивными движениями, устойчивость которых и приводит к характерной картине темных поясов и светлых зон Юпитера.

В атмосфере Юпитера практически нет меридиональных течений. Зоны и пояса - это области восходящих и нисходящих потоков в атмосфере, которые в долготном направлении имеют глобальную протяженность. Эти атмосферные течения, параллельные экватору, имеют некоторое сходство с пассатами Земли. Движущие силы в этой «машине» - потоки тепла из глубины планеты, отчасти энергия, получаемая от Солнца, а также быстрое вращение планеты. Видимые поверхности зон и поясов в таком случае должны находиться на разных высотах. Это было убедительно подтверждено радиометрическими (тепловыми) измерениями на аппаратах «Пионер»: зоны оказались несколько холоднее поясов. Разница в температурах показывает, что видимая поверхность зон расположена примерно на 20 км выше. Большое Красное Пятно оказалось выше и на несколько градусов холоднее поясов. И, наоборот, голубые пятна оказались источниками тепловой радиации, восходящей из глубоких слоев атмосферы. Интересно, что не обнаружено существенной разности температур между полярными и экваториальными областями планеты. Косвенно это позволяет сделать такой вывод: внутреннее тепло планеты играет более важную роль в динамике ее атмосферы, чем энергия, получаемая от Солнца. Средняя температура на уровне видимых облаков близка к 130 К.

Поднимающиеся из глубин атмосферы нагретые массы газов в зонах под действием значительных на Юпитере кориолисовых сил вытягиваются в долготном направлении, причем противоположные края зон движутся навстречу друг другу, вдоль параллелей. На границах поясов (районы нисходящих потоков) и зон видна сильная турбулентность; скорости движения здесь достигают наибольших значений, до 100 м/с, а в экваториальном районе даже 150 м/с. Севернее экватора потоки в зонах, направленные к северу, отклоняются кориолисовыми силами к востоку, а направленные к югу - к западу. В южном полушарии направление отклонений обратное. Именно такую структуру движений на Земле образуют пассаты. «Крыша» облаков в поясах и зонах находится на разных высотах. Различия в их окраске определяются температурой и давлением фазовых переходов малых газообразных составляющих. Светлые зоны - это восходящие колонны газа с повышенным содержанием аммиака, пояса - обедненные аммиаком нисходящие потоки. Яркая окраска поясов связана, вероятно, с аммонийными полисульфидами и некоторыми другими окрашивающими компонентами, например фосфином (5).

Глобальная структура поясов и зон в атмосфере Юпитера давно была классифицирована в наземных наблюдениях. Полосы называются экваториальными, северными и южными тропическими, умеренными и полярными поясами и зонами. Например, БКП относится к Южной тропической зоне. Эту зону, а также Южный экваториальный пояс, Экваториальную зону и Северный экваториальный пояс можно видеть на фрагменте подробной цилиндрической проекции видимой поверхности облачного слоя Юпитера, составленной по данным «Вояджера-1».

Экспериментальные данные свидетельствуют, что динамика облачного слоя Юпитера - лишь внешнее проявление могучих сил, действующих в подоблачной атмосфере планеты, своего рода «верхушка айсберга». Иногда удавалось наблюдать, как в облаках возникает мощное вихревое образование, местный ураган, диаметром в 1000 км и более. Такие образования живут довольно долго, по нескольку лет, а наиболее крупные из них - даже несколько сотен лет. Подобные вихри образуются, например, в результате движения больших масс поднимающегося нагретого газа в атмосфере.

2.3. Спутники Юпитера. Юпитер имеет несколько спутников. Из 16 спутников Юпитера по своей природе выделяются 4 галилеевых. Это Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Они отличаются большими размерами (от размера Луны до размеров Меркурия) и близостью к планете. Известны еще более близкие к Юпитеру спутники: это 3 совсем маленьких тела, открытых за последние годы, и Амальтея, имеющая неправильную форму (размеры примерно 135 х 85 х 75 км). Вместе с ними галилеевы спутники образуют так называемую правильную систему, которая отличается компланарностью (расположением орбит спутников в плоскости экватора планеты) и почти круговой формой орбит. Если сравнить их с положением нашей Луны, то Ио находится на 10 % дальше, а Каллисто в 4,9 раз дальше Луны. Но из-за огромной массы Юпитера на один оборот вокруг планеты они затрачивают всего 1,8 и 16,7 земных суток соответственно.

Еще один небольшой спутник, Теба, размером около 50 км, движется по орбите, лежащей между орбитами Ио и Амальтеи. Два ближайших к Юпитеру спутника, небольшие тела Метис и Адрастея, тоже имеют не правильную форму. Их орбиты проходят по внешнему краю удивительного образования - кольца Юпитера.

Кольцо было найдено при тщательных поисках его аппаратами «Вояджер». Его внешняя граница проходит на расстоянии 128 тыс. км от центра планеты, а толщина не более нескольких километров. Кольцо состоит из частиц микронных размеров, об этом говорит сильное рассеяние света вперед. Микропылинки, как предполагается, поставляют кольцу эти два небольших спутника. Метис и Адрастея, которые одновременно своим гравитационным воздействием формируют резкую внешнюю границу кольца. Лучше всего кольцо видно на снимках, сделанных, когда аппарат находился за Юпитером, а кольцо наблюдалось в контражуре. Плотность его так мала, что оно в тысячи раз прозрачнее хорошего стекла. Ширина наиболее плотной части кольца около 5200 км, но оценка эта условна, так как пылевая материя присутствует глубоко внутри кольца и доходит, по-видимому, до верхних этажей атмосферы Юпитера.

Итак, подведем определенные итоги. Юпитер устроен иначе, чем планеты земной группы. Масса Юпитера: 318 масс Земли или 1/1047 массы Солнца. Размеры Юпитера очень велики: он в 11,2 раза больше Земли по диаметру, в 1320 раз - по объему и в 318 раз - по массе. Средняя плотность 1,33 г/см лишь немногим больше плотности воды и в 4 раза меньше средней плотности Земли. Сила тяжести на экваторе планеты в 2,36 раза больше, чем у Земли. Юпитер заметно сплющен: его полярный диаметр на 7 % меньше экваториального. Структура Юпитера имеет вид оболочек все возрастающей плотности по направлению к центру планеты. Юпитер состоит почти целиком из водорода и гелия: 89 и 11 % по объему соответственно. Таков же газовый состав его атмосферы. Юпитер имеет несколько спутников. Из 16 спутников Юпитера по своей природе выделяются 4 галилеевых.

3. Сатурн

3.1. История открытия. Последняя из видимых невооруженным глазом планет Солнечной системы получила название Сатурн. Когда-то, до изобретения телескопа, ее орбита считалась границей Солнечной системы. Из-за этого, а также благодаря тусклому, свинцовому свету планеты она считалась символом несчастья и получила соответствующее название в честь римского божества подземного царства, пожиравшего собственных детей. Но на самом деле Сатурн оказался одной из самых замечательных планет, доступной нашему взору. Благодаря своим кольцам он стал наиболее популярным объектом для наблюдений. Первым человеком, обнаружившим кольца Сатурна, был опять-таки Галилео Галилей. В 1610 г. он поразился видом планеты, которая предстала перед ним тремя расплывчатыми пятнами. Увидев столь страшную картину, осторожный итальянец, как обычно, не спешил публиковать свои наблюдения, а зашифровал их в анаграмме. Расшифровка звучала так: «Высочайшую планету тройною наблюдал». Но позже Галилей решил, что это был опитческий обман из-за скверной оптики, он забросил наблюдения Сатурна и больше ими не занимался. Как оказалось позже, Галилея смутил момент, когда кольцо Сатурна стало ребром к земным наблюдателям и перестало быть видимым.

И только в 1657 г. молодой нидерландский ученый X. Гюйгенс, занявшись наблюдениями Сатурна, также опубликовал анаграмму, текст которой гласил: «Кольцом окружен тонким, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным». Что собой представляло кольцо, никто не знал. Вскоре выяснилось, что это не одно кольцо, а несколько, отделенных друг от друга промежутками (10, с. 65).

Изумительное зрелище представляет собой эта планета при наблюдении в хороший телескоп. Золотисто-желтый шар с заметными полосами медленно плывет, окруженный серебристым мерцанием кольца.

Плоскость колец имеет постоянный наклон к плоскости орбиты, равный примерно 27°, и почти совпадает с плоскостью экватора Сатурна. В соответствии с изменением положения планеты на орбите кольца видны то с одной, то с другой стороны. Полный цикл изменений их вида происходит за 29,5 земных лет - таков период обращения Сатурна вокруг Солнца.

По современным данным, толщина колец составляет около 4 км, а радиус по наружному краю составляет около 900 тыс. км. Кольца делят на три концентрические зоны, разделенные между собой узкими щелями. Внутреннее кольцо С довольно прозрачно, внутренний край его не резкий. Среднее кольцо В - наиболее яркое, «светлое» и внешнее кольцо А. Однако деление кольца на три части достаточно условно, на самом деле каждая из этих частей также делится на несколько колец.

Вопросы о структуре пояса Сатурна постоянно будоражили умы исследователей. Первым, кто математически исследовал эту структуру, стал Джеймс Клерк Максвелл. В 1850 г. он представил на объявленный конкурс статью о Сатурне, в которой доказал, что его кольцо не может быть ни твердым, ни гладким, а должно состоять из мелких частиц. В дальнейшем эта гипотеза блестяще подтвердилась. Кольцо Сатурна оказалось состоящим из множества твердых частиц размерами от песчинок до многометровых глыб.

Французский астроном Рош детально исследовал вопрос о воздействии на спутники приливных деформаций. Он доказал, что можно определить границу, переход которой и сближение с планетой для спутника с конкретной массой окажется роковым, так как приливные силы разорвут его на более мелкие осколки. Такую опасную для спутников зону назвали «зоной Роша». Большая часть кольца Сатурна лежит внутри такой зоны.

За пределами зоны Роша вокруг Юпитера обращаются несколько крупных спутников. Их гравитационные силы воздействуют на частицы кольца и сгоняют с орбиты те из них, период обращения которых кратен периоду обращения данного спутника. Щель между внешним кольцом А и «светлым» кольцом В носит название «деление Кассини» по имени первооткрывателя. Оптические свойства системы колец главным образом обусловлены отражением света от мелкой светлой пыли, возможно, ледяного состава, так как инфракрасные спектры колец похожи на спектры водяного инея.

Наряду с другими исследователями, многое сделал для объяснения природы кольца русский астроном Аристарх Аполлонович Белопольский (1854 - 1934). Он родился в Москве, в 1877 г. закончил Московский университет.

С 1888 г. до конца жизни он работал на Пулковской обсерватории. Активно использовал и усовершенствовал методы спектрального анализа. Экспериментальным образом доказал возможность использования эффекта Доплера для измерения лучевых скоростей небесных тел. Суть метода заключается в том, что длина волны распространяющихся звуковых, световых или других колебаний воспринимается несколько измененной по сравнению с той, которая была излучена, если источник колебаний и наблюдатель движутся друг относительно друга. Следствием этого является смещение спектральных линий к фиолетовому концу, если объект движется навстречу, или к красному, если объект удаляется. Исследуя лучевые скорости разных частей кольца Сатурна, Белопольский в 1896 г. доказал, что кольца имеют не сплошную структуру, а состоят из множества мелких тел.

По поводу происхождения колец существует предположение, что это осколки одного из спутников, который либо начал образовываться в этой зоне при рождении Солнечной системы, но так и не смог образоваться, либо в результате гравитационных возмущений попал в зону Роша извне и был разорван на части приливными силами.

3.2. Строение планеты. Сам Сатурн по своему строению очень напоминает Юпитер, только чуть меньше размерами. Экваториальный радиус равен 60 тыс. км, масса примерно в 95 раз превышает массу Земли. Средняя плотность около 0,7 г/см3, т.е. в два с лишним раза меньше, чем у Солнца. Состав планеты - водород с примесью гелия. Один оборот вокруг своей оси Сатурн совершает за 10,25 часа. Так же, как и Юпитер, сплюснут у полюсов, полярный радиус примерно на 10% меньше экваториального.

Так как Сатурн расположен на расстоянии 9,58 а.е. от Солнца, поток солнечной энергии, приходящейся на единицу его площади, в 90 раз меньше, чем на Земле. Солнце может нагреть его до температуры 80° К, а на самом деле температура планеты составляет 90° К. Предположительно, излишек энергии образуется за счет медленного гравитационного сжатия так же, как и у Юпитера (10, с. 71).

Хотя Сатурн и удален от Земли в среднем в 9,54 раз дальше, чем Солнце, даже при наземных наблюдениях он представляет собой один из самых красивых небесных объектов. Подобно Юпитеру, Сатурн также имеет развитую систему поясов и зон. Однако они никогда не бывают видны так ясно, как полосы на Юпитере. Если добавить к этому вдвое большую удаленность Сатурна, трудности визуального (да и фотографического) исследования планеты становятся очевидными. И все же астрономам иногда удавалось проследить движение каких-то малоконтрастных пятен, что и позволило найти зональные периоды вращения этой красивой планеты. Но с борта космического аппарата Сатурн выглядит намного интереснее (фото 53). Два аппарата «Вояджер» прошли мимо Сатурна с интервалом в девять месяцев, что позволило проследить за изменчивостью деталей на диске планеты.

Поверхность облачного слоя, которая плохо различалась в 1980 г., в следующем году стала видна довольно ясно. Определяющую роль в этом могла сыграть смена сезонов на Сатурне, где началась весна в северном полушарии. Поскольку наклон экватора к плоскости орбиты Сатурна составляет 29°, смена времен года там должна приводить к большим изменениям инсоляции (приток солнечной радиации), чем на Земле. Уже на расстоянии шести недель пути на снимках «Вояджера-2» можно было различить циклонические образования в различных районах планеты. По последовательным телевизионным снимкам удалось подробно проследить их развитие и даже предсказать их положение на момент сближения аппарата с Сатурном.

По аналогии с Большим Красным Пятном Юпитера одно из вновь найденных гигантских овальных образований названо Большим Коричневым Пятном. Метеорология Сатурна и Юпитера сходна. Но есть и различия. В отличие от антициклонических деталей Юпитера, не поднимающихся выше широт 60°, пояса и зоны Сатурна доходят до очень высоких широт. Большое Коричневое Пятно лежит всего в 16° от северного полюса. В отличие от Юпитера, потоки, движение которых заметно на фоне облачного слоя и чаще всего направлено к востоку, наблюдаются на очень высоких широтах, вплоть до 78°. Скорость такого потока, имеющего вид извилистой линии, достигает 580 м/с. Как и на Юпитере, образование вихрей определяется источниками энергии, упрятанными глубоко в атмосфере.

В отличие от Юпитера температуры и скорости ветров слабо коррелированы с положением поясов и зон Сатурна. Интересно отметить, что по данным «Вояджера» широтное распределение ветров в южном полушарии зеркально повторяет такое же распределение в северном полушарии.

Протяженный облачный слой и быстро нарастающая в глубину атмосферы ее плотность значительно ослабляют солнечный свет. На глубине 350 км под поверхностью облаков может быть темно. Реальная освещенность зависит от того, насколько консервативно рассеяние света в атмосфере Сатурна.

3.3. Спутники. Долгое время считалось, что у Сатурна десять спутников. Наблюдения с межпланетных станций «Вояджер-1» и «Вояджер-2» в 1980 - 1981 г. подтвердили существование одиннадцатого и позволили обнаружить еще шесть.

Крупнейший спутник планеты - Титан, один из самых крупных в Солнечной системе, имеет диаметр около 5150 км. Он окружен атмосферой, состоящей из азота и метана с примесью аргона и молекулярного водорода. Давление у поверхности спутника примерно в полтора раза больше, чем у поверхности Земли (8, с. 89).

Восьмой спутник Сатурна, Япет, интересен тем, что одно его полушарие отражает до 35% солнечного света, а другое полушарие - только 7%. Поэтому блеск спутника при его орбитальном движении меняется в шесть раз. Скорее всего, это связано с тем, что одна его половина покрыта льдом, а вторая сильно загрязненным снегом или грунтом, наподобие лунного.

Внешний спутник, Феба, движется по орбите в направлении, противоположном всем остальным спутникам. Поверхность спутника Тефия имеет довольно светлый цвет и покрыта кратерами, самый большой из которых достигает 400 км в диаметре. Энцелад сравнивают с гигантской каплей воды, замороженной в космосе. Такая же неоднородность в яркости полушарий, как у Япета, свойственна трем другим спутникам - Фетиде, Дионе и Энцеладу. В связи с тем, что некоторые спутники Сатурна расположены довольно близко к пределу Роша, не исключено, что через некоторое время количество их может уменьшится, тогда как блистающая корона планеты пополнится новым материалом.

Итак, Сатурн по своему строению очень напоминает Юпитер, только чуть меньше размерами. Экваториальный радиус равен 60 тыс. км, масса примерно в 95 раз превышает массу Земли. Средняя плотность около 0,7 г/см3, т.е. в два с лишним раза меньше, чем у Солнца. Состав планеты - водород с примесью гелия. Один оборот вокруг своей оси Сатурн совершает за 10,25 часа. Так же, как и Юпитер, сплюснут у полюсов, полярный радиус примерно на 10% меньше экваториального.

Подобно Юпитеру, Сатурн также имеет развитую систему поясов и зон. Долгое время считалось, что у Сатурна десять спутников. Наблюдения с межпланетных станций «Вояджер-1» и «Вояджер-2» в 1980 - 1981 г. подтвердили существование одиннадцатого и позволили обнаружить еще шесть.

4. Уран

4.1. История изучения. Седьмая планета Солнечной системы. Уран, была открыта английским астрономом Вильямом Гершелем в 1781 году.

Восемьдесят четыре года требуется этой планете для того, чтобы облететь Солнце и завершить свой год. Его сутки продолжаются 17 часов. Уран тоже входит в число планет-гигантов, хотя не может тягаться с Сатурном и тем более с Юпитером. Его масса в семь раз меньше массы Сатурна.

Кольца Урана были открыты в 1977 г., с самолетной астрономической обсерватории при наблюдении покрытия Ураном звезды. Кольца находятся близко к планете, в пределах 25,5 тыс. км над облачным слоем. Они оказались очень непохожими на кольца Сатурна - широкие и разделенные узкими «щелями». В случае Урана все наоборот: очень узкие кольца и очень широкие интервалы между ними. Общей массы материала в кольцах хватило бы лишь на самый маленький спутник, диаметром 15 км (для колец Сатурна объем материала в 1000 раз больше). У планеты оказалось 9 чрезвычайно узких, сравнительно плотных колец и ряд диффузных образований той же природы. Кольца темнее, чем сажа; наблюдать их с Земли можно только при использовании специальной методики и весьма чувствительных новых физических приборов. Даже со спутников Урана их можно видеть только при благоприятных условиях. Вся группа занимает интервал высот всего в 9,3 тыс. км. Самое широкое - внешнее асимметричное кольцо шириной 32 км, со средним радиусом 51150 км, самое узкое - третье снаружи кольцо - шириной 600 м. В отличие от колец Сатурна и особенно Юпитера, кольца Урана почти не содержат пылевых частиц. Это глыбовые кольца с размерами отдельных элементов в несколько метров.

24 января 1986 г. «Вояджер-2» сблизился с седьмой планетой Солнечной системы - Ураном - и провел запланированную программу исследований планеты, ее спутников и колец. На пути к Урану дважды был использован гравитационный маневр, у Юпитера и Сатурна. Благодаря маневрам и удачному расположению планет путь занял только 8,5 лет, тогда как простой полет «в одном направлении» к Урану занял бы почти 30 лет.

4.2. Строение. Из-за сильного поглощения в красной части спектра планета имеет зелено-голубой цвет. Поглощение вызывают полосы метана, который в небольшом количестве присутствует в атмосфере. Различить на маленьком диске какие-либо детали очень сложно. История наблюдений неясных полос на нем полна противоречивых результатов. Иногда наблюдатели сообщали о слабых полосах, подобных слабым зонам и поясам Сатурна, но зачастую не находили никаких деталей. Имеются сообщения, что детали появлялись и исчезали в течение нескольких месяцев.

Были попытки связать видимость деталей с очень длительными сезонными изменениями на Уране. Плоскость экватора наклонена к плоскости орбиты планеты на 97°55'. Такое положение полярной оси приводит к многим особенностям планеты. Уран вращается, как говорят, «лежа на боку». Наклон приходится считать большим 90°, чтобы направление вращения было таким же, как у других планет (кроме Венеры), - против хода часовой стрелки. Но полюс, соответствующий такому направлению вращения, у Урана обращен в южную полусферу эклиптики и, в отличие от земного, считается южным. Сейчас он обращен к Солнцу (и Земле). Как следствие, в проекции на плоскость эклиптики планета имеет обратное вращение. Плоскость орбиты наклонена к эклиптике всего на 46 градусов.

Положение оси вращения приводит к практически максимально возможным сезонным изменениям освещенности. При орбитальном периоде 84 года полярные день и ночь длятся 14 лет на широте 30°, по 28 лет - на 60° и по 42 года на полюсах. Однако из сезонных эффектов (если они действительно сезонные) пока установлена только одна зависимость: радиояркостная температура планеты в целом за 20 лет, с 1965 по 1985 гг., возросла со 140 до примерно 290 К. За это время центр видимого с Земли диска Урана сместился от экватора к полюсу.

Магнитное поле Урана, его напряженность и структура относились к главным исследованиям «Вояджера-2». Но прежде чем это поле было обнаружено, ученым пришлось немало поволноваться. Еще некоторые наземные наблюдения можно было истолковать как косвенные указания на существование поля. Но «Вояджер» подходил все ближе к Урану, а никаких признаков поля не было. Лишь за 5 дней до сближения удалось принять характерные всплески радиоизлучения, которые можно было интерпретировать как взаимодействие магнитного поля с потоком заряженных частиц. (Кстати, по периодичности этих всплесков и был найден период вращения планеты.)

Магнитное поле обладает определенным давлением. Там, где оно уравновешивается газодинамическим давлением солнечного ветра, возникает возмущение электромагнитного поля, так называемая ударная волна. «Вояджер» безрезультатно прошел все предсказанные положения ударной волны и только за 10 ч до наибольшего сближения, 24 января 1986 г., пересек ее. Дальнейшие двое суток аппарат провел внутри магнитосферы Урана, которая оказалась необычайно сложной. Она простирается на 0,6 млн. км и заполнена плазмой, образующей радиационные пояса, похожие на земные. На уровне видимой облачной поверхности (где давление около 0,6 бар) напряженность дипольного поля близка к земной: 0,23 Гс. Ось магнитного диполя на 59° наклонена к оси вращения и на 8000 км смещена от оси вращения к ночному (северному) полюсу. Положение полюсов диполя обратно земному, как у Юпитера и Сатурна. Комбинация сильного наклона диполя к оси вращения и наклона последней к орбите приводит к тому, что магнитосферный хвост Урана вращается в пространстве, подобно штопору.

Поле Урана не строго дипольное. Наряду с дипольной сильны квадрупольная и октупольная составляющие. Они выражены здесь даже сильнее, чем на Юпитере. Предполагается, что высшие гармоники сильны из-за близости «составных частей» планетарного магнитного динамо к поверхности планеты. Скорее всего, это объясняется большим содержанием воды и аммиака, которые становятся проводящими при значительно меньших давлениях, чем водород и гелий на Юпитере. Чтобы представить дипольным приближением реальное магнитное поле Урана, понадобилось сместить ось диполя на названные 8000 км.

4.3. Спутники. В 1787 г. были открыты два спутника планеты - Титания и Оберон. Имена шекспировских героев им по праву первооткрывателя дал В. Гершель. Дж. Койпер в 1848 г. продолжил традицию, дав третьему спутнику название Миранда из шекспировской «Бури». А У. Лассель в 1851 г. открыл Ариэль и Умбриэль (9, с. 92).

Все пять спутников обращаются вокруг планеты в том же направлении, что и сам Уран, а так как плоскости их орбит близки к экваториальной, то движение спутников оказывается обратным. В течение «уранового» года спутники дважды видны в плане и дважды - с ребра.

В начале 1986 г. «Вояджер-2» приблизился к Урану, и количество известных нам спутников этой планеты возросло до пятнадцати.

Итак, Уран был открыта английским астрономом Вильямом Гершелем в 1781 году. У планеты оказалось 9 чрезвычайно узких, сравнительно плотных колец и ряд диффузных образований той же природы. Кольца находятся близко к планете, в пределах 25,5 тыс. км над облачным слоем. Из-за сильного поглощения в красной части спектра планета имеет зелено-голубой цвет. Поглощение вызывают полосы метана, который в небольшом количестве присутствует в атмосфере. В 1787 г. были открыты два спутника планеты - Титания и Оберон.

5. Нептун

5.1. Строение планеты. Восьмая планета солнечной системы - Нептун, открыта в 1846 г. Леверье. В настоящее время это последняя планета из известных нам, по основным признакам принадлежащая к группе планет-гигантов. Масса его в 17 раз превышает массу Земли, а средняя плотность чуть меньше 1/3 плотности Земли. Один оборот вокруг своей оси он совершает за 16 часов.

Поскольку это очень далекая планета, ее расстояние от Солнца составляет примерно 30 а.е., период обращения по орбите равен около 165 лет. Со времени своего открытия он не закончил и одного полного оборота вокруг Солнца.

Сравнительно высокая средняя плотность Нептуна указывает на большую долю тяжелых соединений и элементов в глубоких слоях планеты. Ускорение свободного падения на уровне видимой поверхности облаков на Нептуне на 16% больше земного (но в 2,3 раза меньше, чем на Юпитере). Особенность орбиты Нептуна - очень малый эксцентриситет (0,009), почти такой же, как у Венеры. Угол наклона экватора к плоскости орбиты составляет 29°. Орбита наклонена к эклиптике на 1,8°. Год Нептуна длится 164,8 земных года.

Характерная аквамариновая окраска Нептуна на снимках «Вояджера-2», еще более глубокого тона, чем у Урана, объясняется присутствием сильных метановых полос поглощения в красной части спектра. Метан в атмосфере Нептуна (как и у других планет-гигантов) составляет лишь небольшую примесь, около 1 %. Атмосфера состоит главным образом из водорода и гелия, причем доля гелия, согласно предварительным данным, составляет 15 % или чуть больше (но заведомо меньше 25 %). Почти все остальное - водород. В общем, гелия больше, чем в атмосфере Урана. Высота атмосферы может достигать 3 - 5 тыс. км, а давление на ее дне 200 кбар. Для перехода водорода в жидкомолекулярное состояние, как у Юпитера, этого недостаточно.

Рис.7. Схема дипольного замещения магнитного поля Нептуна

По-видимому, на дне нептунианской атмосферы находится океан из воды, насыщенной различными ионами. Интересно, что предложенная для Урана и, похоже, не подтвердившаяся для него гипотеза «о горячем перемешивающемся водяном океане» оказывается справедливой для Нептуна! Если предварительные выводы правильны, Нептун окажется самым большим океаном в Солнечной системе. Один их сильных аргументов в пользу океана - это поразительное магнитное поле Нептуна.

Около 25 % массы Нептуна приходится на расположенное внутри мантии ядро. Оно состоит из окислов кремния, магния, железа и его сульфидов. Сейчас специалисты считают, что ядро должно включать также много хондритных материалов, которые в обилии присутствовали в протопланетном облаке на стадии формирования планет.

С особенностями строения недр Нептуна связана загадка его теплового излучения. Поток солнечной радиации на его орбите в 2,46 раза меньше, чем на Уране, а отражательные свойства обеих планет близки. В видимой части спектра они отражают около 85 % падающего солнечного света. Так что энергетический бюджет Нептуна очень невелик (полпроцента земного). Уран имеет весьма «спокойную» метеорологию. Можно было ожидать, что на Нептуне атмосферные течения будут еще слабее. Как ни странно, нет. Уже наземные измерения позволяли предположить, что Нептун выделяет и излучает значительный поток энергии. «Вояджер-2» показал, что этот поток намного (в 2,7 раза) больше того, что планета получает от Солнца. Температура теплового излучения Нептуна составляет 59,3 К, что даже выше, чем у Урана (56 К).

Гипотезы, которые успешно объясняют большое тепловыделение у Юпитера и Сатурна, здесь не годятся. Поэтому предполагается, что значительный избыток тепла порождают именно хондритные материалы, выделяющие заметные количества энергии в радиоактивном распаде.

Снимки Нептуна указывают на значительную метеорологическую активность планеты, в отличие от Урана, причем характер атмосферной циркуляции несомненно доказывает, что энергия приходит «снизу», из недр планеты, как и на Юпитере, на Сатурне. С другой стороны, сколь ни мал приток солнечной радиации, для Урана это практически единственный источник энергии (его собственное тепло в суммарном тепловом потоке не более 13 %). Согласно расчетам, этой энергии слишком мало, чтобы возникли такие мощные явления, как циклоны. И действительно, скорости ветра на Уране невелики. На Нептуне ветры несравнимо сильнее. Одно из возможных объяснений состоит в том, что Уран уже отдал все запасенное тепло, а Нептун еще нет. Словом, эти близнецы не слишком похожи. Давно известно, что Нептун обнаруживает какую-то активность: например, быстрые изменения яркости в узких полосах инфракрасного диапазона на целых 3 звездные величины (в 16 раз).

5.2. Спутники. До фотографирования с «Вояджера-2» было известно два спутника планеты. Самый крупный был открыт в том же 1846 г. астрономом Ласселем и получил имя сына морского бога Посейдона Тритона. Это единственный крупный спутник в Солнечной системе, движущийся вокруг своей планеты в обратную сторону. Его сильно торопит гравитационное воздействие планеты, и вполне возможно, что через 10 млн. лет подойдет к пределу Роша, после чего может быть разорван приливными силами.

В 1949 г. астроном Койпер открыл второй спутник Нептуна, названный в честь дочери самого любимого бога древних греков Нерея, олицетворявшего спокойствие морских глубин и обеспечивавшего морякам удачное плавание. Нереида — очень небольшой спутник, обладающий сильно вытянутой орбитой. Его расстояние от планет меняется в пределах 1,5 - 9,6 млн. км. Существует гипотеза, что некогда массивный Тритон перешел с более далекой орбиты на существующую, при этом промчавшись мимо маленькой Нереиды и заставив ее изменить свою орбиту. В настоящее время, благодаря данным «Вояджера-2», количество известных спутников Нептуна возросло до восьми.

Формирование Нептуна, согласно существующим представлениям, происходило наиболее медленно, в спокойной, по сравнению с другими планетами, обстановке. Орбитальная скорость на орбите Нептуна в 5 раз меньше земной. «Заготовки планет» (планетезимали) и более мелкие тела имели здесь малые относительные скорости, меньше сталкивались и разрушались. Поэтому естественно было ожидать, что Нептун окружен немыслимым количеством уцелевших малых тел. И в том, что их нет, ученые склонны усматривать «вину» Тритона, которого называют «спутником-мародером».

Многие особенности спутниковой системы Нептуна можно понять как результат захвата Нептуном массивного внешнего тела с независимой орбиты и его катастрофического соударения с некогда существовавшим большим спутником. Еще в 1936 г. сторонникам этой идеи удалось доказать теоретически, что воздействие такого тела, сблизившегося с Нептуном, могло даже перевести один из спутников на орбиту, не связанную с планетой. А оставшиеся частично разрушенные спутники могли иметь такие необычные орбиты, как Тритон с его 157-градусным наклонением или Нереида с эксцентриситетом орбиты 0,75 (что больше годится для кометы).

Идея о соударении захваченного тела с доисторическим спутником Нептуна хорошо объясняет не только орбитальные особенности Тритона, но и малочисленность спутникового хозяйства планеты. Наклоненная орбита Тритона вначале должна была иметь большой эксцентриситет. Но за сотни и тысячи миллионов лет торможение Тритона в разреженной газовой среде туманности и приливное рассеяние орбитальной энергии постепенно превратили его эллиптическую орбиту в круговую. На пути этой эволюции из-за большого наклона орбиты Тритон поглотил одно за другим множество меньших тел, расчистив от них окрестности Нептуна. У этого процесса была и другая сторона: в столкновениях выделялось так много энергии, что по «энерговооруженности» Тритон обогнал много других тел Солнечной системы. Результаты этого процесса хорошо видны на снимках поверхности Тритона.

Итак, восьмая планета солнечной системы - Нептун, открыта в 1846 г. Леверье. В настоящее время это последняя планета из известных нам, по основным признакам принадлежащая к группе планет-гигантов. Масса его в 17 раз превышает массу Земли, а средняя плотность чуть меньше 1/3 плотности Земли. Около 25 % массы Нептуна приходится на расположенное внутри мантии ядро. Оно состоит из окислов кремния, магния, железа и его сульфидов.

Заключение

Итак, подведем некоторые итоги.

Вся история исследований планет-гигантов пока основана на полетах аппаратов «Пионер», «Вояджер» и «Галилей». В 1972 и 1973 гг. к Юпитеру были направлены первые аппараты США, «Пионер-10 и -11». Второй из них впоследствии был переименован в «Пионер-Сатурн».

Основные результаты получены с помощью весьма совершенных космических аппаратов, «Вояджер-1 и -2». Аппараты были запущены в США осенью 1977 г.

Юпитер возглавляет семейство планет-гигантов, включающее половину планет всей Солнечной системы: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

Низкая средняя плотность гигантов указывает на малую молекулярную массу основных составляющих, которыми могут быть только легкие газы, прежде всего водород и гелий. Именно таковы основные составляющие атмосфер Юпитера и Сатурна. Недра Урана и Нептуна наряду с водородом и гелием значительно обогащены более тяжелыми элементами.

Планеты-гиганты находятся в десятки раз дальше от Солнца, чем Земля, и на единицу площади получают ничтожное количество солнечной энергии. Например, Сатурн на весь свой огромный диск получает в 2,7 раз меньше энергии, чем маленькая Земля (с учетом отражательных свойств обеих планет). А плотность солнечного света на расстоянии орбиты Юпитер в 27 раз меньше, чем на Земле.

Из этих чисел следует, что энергия, получаемая Ураном и Нептуном, составляет всего 0,5 - 0,8 % по сравнению с Землей. Только Юпитер поглощает больше солнечной энергии, чем Земля. Это выделяет его по сравнению с другими планетами-гигантами. Но такие характеристики Юпитера как состав, строение, низкая средняя плотность и быстрое вращение типичны и для других гигантов. Благодаря быстрому вращению Юпитер и Сатурн сильно сплющены центробежными силами. Еще одна особенность Юпитера - очень малое наклонение экватора к орбите, всего 3°. Таким малым наклонением, кроме Юпитера, обладают только Венера и Меркурий. У всех остальных планет наклонения лежат в пределах 23 - 29°, а у Урана оно составляет 98°.

Большой объем новой информации о Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне дополняется в последние годы интересными результатами, полученными с помощью новой наземной астрономической техники.

Список литературы

1. Астрономия / Сост. Цофин М.Я. – Мн.: Харвест, 1998.

2. Астрономия: энциклопедия. – М.: Аванта +, 1997.

3. Кауфман У. Планеты и луны. – М.: МИР, 1982.

4. Ксанфомалити Л.В. Парада планет. – М.: Наука, 1997.

5. Левитан Е.П. Астрономия. – М.: Просвещение, 2001.

6. Левитан Е.П. Планеты-гиганты и их спутники // Наука и жизнь. – 1993. - №1. – С. 82 – 85.

7. Миттон С. Астрономия. – М.: РОССМЭН, 1998.

8. Сергеев В.П. Астрономия. – М.: Наука, 1987.

9. Сергеев В.П. Планеты солнечной системы. – М.: Наука, 1991.

10. Якимович А.М. Астрономия. – М.: Знание, 1991.

© Размещение материала на других электронных ресурсах только в сопровождении активной ссылки

Контрольная работа по КСЕ (Естествознание)

Вы можете заказать оригинальную авторскую работу на эту и любую другую тему.

(197.8 KiB, 52 downloads)

 

Здесь вы можете написать комментарий

* Обязательные для заполнения поля
Все отзывы проходят модерацию.
Навигация
Связаться с нами
Наши контакты

vadimmax1976@mail.ru

8-908-07-32-118

8-902-89-18-220

О сайте

Magref.ru - один из немногих образовательных сайтов рунета, поставивший перед собой цель не только продавать, но делиться информацией. Мы готовы к активному сотрудничеству!