Реферат: Планеты Солнечной системы
Рельеф Марса весьма интересен. Здесь присутствуют темные и светлые области, как и на Луне, но в отличие от Луны, на Марсе смена цвета поверхности не связана со сменой высот: на одной высоте могут находиться как светлые, так и темные области. На Марсе присутствуют ареографические (аналог термина “географические” для Земли; от греческого имени бога войны Ареса, называемого в римской мифологии Марсом) объекты планетарного масштаба. Известен гигантский грабен — Каньон, его длина составляет 2500 км, ширина — 100-200 км, а глубина достигает 6 км. Высочайшая гора Марса — Олимп — возвышается над окружающим ландшафтом на… 24 км! Диаметр основания этого исполинского вулкана составляет 600 км.
Метеоритных кратеров на Марсе сравнительно немного, зато хорошо различимы следы эрозийной деятельности, скорее всего водной. То есть когда-то (предположительно около 10 млн лет назад) Марс обладал более мощной атмосферой, с давлением у поверхности, достаточным для сжижения воды, и на Марсе шли дожди, текли реки, и существовали моря и океаны. До сих пор ученым не известна природа катаклизма, вызвавшего глобальные изменения климата на Марсе, приведшие к современным условиям.
Одними из наиболее заметных и завораживающих умы астрономов деталей рельефа Красной планеты долгое время оставались полярные шапки Марса. Эти “ледники” сильно увеличиваются в размерах в середине осени и почти полностью исчезают к началу лета. Современные ученые установили, что среднегодовая температура шапок составляет -70°С, а состоят они из двух компонентов: сезонного — твердой углекислоты (“сухого льда”) и векового — обыкновенного водяного льда. Летом СО2 возгоняется, а зимой при понижении температуры до -130°С снова осаждается вблизи полюса.
Предположения о внутреннем строении Марса во многом схожи с представлениями в строении Земли: снаружи тонкая пленка литосферы, прикрывающая массивный пласт мантии, а в центре — металлическое ядро, по поводу которого ученые не пришли еще к единому заключению — жидкое оно или затвердело.
Вокруг Марса с большой скоростью летают два его естественных спутника — Фобос (22х30 км) и Деймос (15х12 км). Они обгоняют планету в ее вращении вокруг своей оси. Это мелкие небесные тела, по форме напоминающие картофелины, богато испещренные кратерами, не представляющие большого интереса для астрономов.
Малые планеты
Еще в середине XVIII века было замечено, что расстояния от Солнца до планет можно связать простой зависимостью:
r = 0,4 + 0.3 x 2n (а.е.)
Так, для Меркурия n =-¥, r =0,4 (на самом деле оно равно 0,387 а.е.); для Венеры n =0, r =0,7 (настоящее расстояние — 0,723); для Земли — n =1, r =1; для Марса при n =2 имеем r =1,6 (истинное значение — 1,523). Следующая планета — Юпитер. Но при n =3 находим r =2,8, тогда как Юпитеру соответствует n =4 и r =5,2 (должно бы быть 5,203), а Сатурну почти идеально подходит n =5 и r =10 (на самом деле — 9,546). Отсюда следовало, что на расстоянии примерно 2,8 а.е. от Солнца должна существовать какая-то планета!
В 1796 году даже было организовано общество астрономов, стремившихся обнаружить эту неизвестную планету. Но совершенно независимо от него в 1801 году сицилийский астроном Пиацци случайно обнаружил звездный объект, координаты которого менялись от ночи к ночи. Расчеты показали, что этот объект движется вокруг Солнца по эллиптической орбите с большой полуосью в r =2,77 а.е. Эта первая из малых планет была названа Церерой по имени греческой богини плодородия, считавшейся покровительницей Сицилии. Вскоре были открыты еще три астероида (“звездообразных”) — Паллада, Юнона и Веста.
На сегодняшний день закаталогизировано более 3500 астероидов. Размеры крупнейших составляют (диаметр): Цереры — около 1000 км, Паллады — 608, Весты — 538, Юноны — почти 250 км, подавляющее большинство остальных по размерам не превышают 5-10 км. Более 97% астероидов вращаются вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера, но есть и исключения: сильно вытянутая орбита Икара проходит к Солнцу ближе, чем Меркурий, а астероид Хирон, открытый с 1977 году, заходит далеко за орбиту Сатурна и подходит близко к орбите Урана. Он был обнаружен только благодаря своим относительно большим размерам — его диаметр около 200 км.
Некоторые астероиды в своем путешествии по межпланетному пространству подлетают довольно близко к Земле. В 1968 году вышеупомянутый Икар прошел на расстоянии 7 млн км от Земли. А в 1976 году был открыт новый астероид, названный Хатором, который незадолго до открытия прошел от Земли в 1,15 млн км, то есть всего в три раза дальше от нас, чем Луна!
Но все ученые сошлись во мнении, что вероятность столкновения Земли с астероидом ничтожно мала. Хотя кто осмелится утверждать это после знаменитого падения на Юпитер остатков кометы Шумейкера-Леви-9 в 1996 г.
Юпитер
Величайшую из планет Солнечной системы — Юпитер — долгое время считали то полузвездой, то угасшей звездой. И на самом деле — масса Юпитера, почти в 318 раз большая массы Земли, превышает массу всех остальных планет, вместе взятых, и составляет одну тысячную массы Солнца, а ведь существуют звезды-карлики с массами 0,006 — 0,008 масс Солнца, то есть всего в 6 - 8 раз тяжелее Юпитера. Если бы эта планета была хотя бы в десять раз тяжелее, давление и температура в ее недрах были бы достаточны для начала ядерных реакций, а следовательно и самосвечения, но этого не произошло, и Юпитер никогда не был звездой.
Юпитер, пятая по счету от Солнца планета, обращается вокруг него на расстоянии 5,2 а.е., совершая полный оборот за 11,86 земных лет. Даже небольшие любительские телескопы могут зафиксировать сжатие Юпитера (различие экваториального и полярного радиусов; в формуле — отношение их разности к самому экваториальному радиусу планеты), составляющее 1/16 (у Земли — 1/298). Основных причин такого сильного сжатия две. Во-первых, масса планеты более сильно сконцентрирована в глубинных районах, чем, скажем, у нашей планеты. А вторая причина — это большая скорость вращения Юпитера вокруг своей оси — он совершает полный оборот менее чем за десять часов! Этим обусловлена и “слоистость” Юпитера при его наблюдении — различные области массивной атмосферы этой планеты движутся с различными скоростями, и экваториальные “облака” обгоняют более отдаленные от экватора “воздушные” массы.
Наверняка самым привлекательным объектом на поверхности Юпитера при его наблюдении и изучении всегда было Большое Красное Пятно (БКП). Ученые считали его то огромным (размеры БКП составляют 40 000 км в длину и 13 000 км в ширину) островом гелиевого льда в водородном океане, то исполинским постоянно извергающимся вулканом. После неоднократных сближений с Юпитером американских АМС начиная в 1973 года было однозначно установлено, что БКП — гигантский циклон, вращающийся в атмосфере планеты против часовой стрелки уже по крайней мере 400 лет (с момента его открытия) и совершающий полный оборот за шесть земных суток. Расчеты показывают, что в условиях атмосферы Юпитера такие колоссальные вихри могут существовать по нескольку тысячелетий!
Интересной особенностью Юпитера по сравнению с уже рассмотренными планетами является его средняя плотность: она составляет всего около 1,33 г/см3 . Это позволяет сделать достаточно уверенный вывод о химическом составе планеты: подавляющее большинство ее составляют водород и гелий (как, между прочим, и у всех звезд). По модели внутреннего строения Юпитера, построенной группой советских ученых в конце 80-х годов, самый верхний слой Юпитера — газовый, состоящий из водорода и гелия с незначительными примесями аммиака NН3 и метана СН4 , толщиной 0,02 радиуса планеты. Глубже идет массивный и толстый-толстый слой жидкого молекулярного водорода, своеобразный водородный океан, толщина которого составляет 0,22 радиуса. На “дне” этого океана достигается давление, достаточное для перехода водорода в металлическую фазу, то есть протоны и электроны здесь существуют отдельно. В этой фазе у водорода очень велика электропроводность, вследствие чего в нем возникают мощные кольцевые токи, вызывающие чрезвычайно сильное магнитное поле Юпитера (в десятки тысяч раз сильнее земного). В центре планеты вероятно находится железо-силикатное ядро, в котором сконцентрирована большая часть массы, а температура достигает 25 000 К. По другим теориям толщина оболочек указывается другая, но суть построения не меняется.
Из 16 спутников Юпитера четыре крупнейших были открыты еще Галилеем в 1610 году. Это — Ио (радиус — 1820 км), Европа (1530 км), Ганимед (2610) и Каллисто (2450). Легко заметить, что Ганимед и Каллисто даже больше Меркурия. Интереснее других выглядит Ио. Это — самое сейсмически активное тело Солнечной системы. Во время пролетов мимо Ио космических кораблей начиная с конца 70-х годов было зафиксировано не одно извержение вулканов. Лава преимущественно состоит из серы. Ио окружена очень своеобразной атмосферой: большую часть ее составляет атомарный водород, но присутствуют также обширные облака из атомов натрия!
Все спутники Юпитера, кроме крупнейших пяти, скорее всего являются астероидами, захваченными мощным магнитным полем планеты. Обнаружено вокруг Юпитера и кольцо, но в 105 раз менее плотное, чем у Сатурна.
Мир Юпитера — удивительный, сказочный и вместе с тем реальный. Снаружи — быстроменяющаяся облачная оболочка, окраска деталей в которой создается небольшими примесями каких-то веществ, возможно фосфина РН3 . Она скрывает огромный океан жидкого водорода глубиной в много тысяч километров. Ниже идет еще более удивительная оболочка из металлического водорода, прикрывающая какое-то очень плотное, а возможно и твердое ядро. В нашем земном опыте ничего подобного не встречалось, хотя в 1975 году советскими учеными и был получен металлический водород. Вероятно, уже на глубине в 200 — 300 км наступает полная темнота, господствующая, конечно, и ниже. Юпитер, крупнейшая из планет Солнечной системы, по своей природе есть нечто среднее между карликовой звездой и планетами земного типа.
Сатурн
По размерам Сатурн уступает только Юпитеру: его радиус в 9,2 раз больше земного (он составляет почти 60 000 км), а по массе эта планета больше Земли в 95 раз. Обращается Сатурн вокруг Солнца на расстоянии 9,58 а.е., совершая полный оборот за 29,5 земных лет, а вокруг своей оси он делает полный оборот всего за 10,5 часов (по другим данным — до 11 часов), что обуславливает еще большее, чем у Юпитера, полярное сжатие — 1/10.
В популярных книгах по астрономии иногда приводится забавный рисунок — в гигантском воображаемом бассейне с водой с легкостью пробки плавает Сатурн. Эта фантастическая ситуация отражает реальный факт: Сатурн — единственное тело Солнечной системы, которое легче воды. Его средняя плотность составляет всего 0,69 г/см3 , что в два раза меньше средней плотности Солнца. Это позволяет с большой долей уверенности говорить о том, что Сатурн состоит преимущественно из водорода (80% по расчетам ученых) и гелия (18%).
Предположения о внутреннем строении Сатурна во многом опирались на более достоверные заключения о Юпитере. В целом картина схожая: в верхних слоях атмосферы Сатурна, помимо водорода и гелия, обнаружены также незначительные количества метана. Ниже, как и у Юпитера, идет глобальный водородный океан, затем слой металлического водорода. В центре находится силикатно-металлическое ядро, предположительная масса которого составляет более 9 масс Земли, а температура в нем достигает 20 000 К.
Из небесных объектов, окружающих Сатурн, самым известным является, конечно же, знаменитое кольцо (а точнее кольца). Оно было обнаружено очень давно и со временем его структура все подробнее открывалась ученым и соответственно усложнялись представления о нем. Говорили об одном, затем о трех, о семи и, наконец, о «безумном мире колец». Состоит кольцо из мелких глыб льда или камня, покрытого льдом, диаметрами от нескольких сантиметров до метров. Общая толщина кольца не превышает 3 км, что при наибольшем радиусе в 900 000 км позволяет провести аналогию с воображаемым диском толщиной 1 мм и радиусом 250 м. Каждая из глыб по сути является самостоятельным спутником планеты. Природу возникновения колец и условия их существования ученым еще предстоит раскрыть.
Из других тел стоит рассказать о крупнейшем из 17 спутников планеты — Титане. Название отражает суть — Титан, один из самых больших спутников в Солнечной системе, имеет в диаметре 5150 км. Он замечателен еще и тем, что окружен атмосферой, которая в десять раз массивнее земной! Главной ее составляющей является, по-видимому, азот. Велико содержание здесь таких соединений, как метан, этан и ацетилен.
Интересны также еще четыре крупных спутника Сатурна — Япет, Рея, Диона и Тефия (диаметры порядка 1000 км). Дело в том, что одно их полушарие (для Япета — переднее по направлению вращения вокруг Сатурна, для остальных — наоборот) намного темнее другого. Ученые считают, что яркая сторона этих тел покрыта снегом, тогда как другая — какими-то горными породами.
Уран и Нептун
Эти две планеты часто называют гигантами-близнецами. И на самом деле они очень похожи: Уран немного больше (его радиус — 26 540 км, Нептуна — 24 300 км), но Нептун массивнее — его масса составляет 17,25 масс Земли, тогда как у Урана всего 14,6. Благодаря этим незначительным различиям средние плотности обеих планет почти равны: 1,71 г/см3 для Урана и 1,72 г/см3 для Нептуна.
Похожи эти планеты и по скорости вращения вокруг своей оси — у обеих она достаточно большая: на Уране солнечные сутки длятся около 10 часов, на Нептуне они несколько длиннее. Интересно, что при этом Уран заметно сжат (полярное сжатие — 1/17), чего нельзя сказать о Нептуне.
Самым главным различием Урана и Нептуна, безусловно, являются их периоды обращения вокруг Солнца. Уранианский год длится 84 земных года, а нептунианский — 164,8 лет. То есть с момента открытия Нептуна (1846 г.) на этой планете не прошел еще и один год!
Интересной особенностью Урана является то, что он обращается вокруг Солнца как бы лежа на боку: его ось вращения образует с плоскостью орбиты угол 98°.
Уран изучен намного лучше своего “собрата” в результате в большой степени случайного события. Запущенная в 1977 году АМС “Вояджер-2” с целью исследования Юпитера и Сатурна после выполнения своей миссии оказалась достаточно хорошо сохранившейся, чтобы подлететь довольно близко к Урану: через 8,5 лет после старта Вояджер-2 “наблюдал” Уран с расстояния всего в 80 тыс км, а один из его спутников — Миранду — всего с 28 тыс км, то есть в 11 раз ближе, чем мы наблюдаем Луну. В это время аппарат был удален от Земли на 2,7 млрд км, а радиосигнал от него шел два с половиной часа!