Группа МЖКХ 2 Астрономия 21, 22.10. 20. Тема 1. Планеты Солнечной системы.
учебно-методический материал по астрономии

 Тема 1. Планеты Солнечной системы

Планеты земной группы — четыре планеты Солнечной системы: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Они расположены во внутренней области Солнечной системы, в отличие от планет-гигантов, расположенных во внешней области..

Наибольшая планета земной группы — Земля — более чем в 14 раз уступает по массе наименее массивной газовой планете — Урану, но при этом примерно в 400 раз массивнее наибольшего известного объекта пояса Койпера, [18].

Планеты земной группы состоят главным образом из кислорода, кремния, железа, магния, алюминия и других тяжёлых элементов.

Все планеты земной группы имеют следующее строение:

В центре  ядро из железа с примесью никеля.

Мантия состоит из силикатов.

Кора, образовавшаяся в результате частичного плавления мантии и состоящая также из силикатных пород, но обогащённая несовместимыми элементами. Из планет земной группы коры нет у Меркурия, что объясняют её разрушением в результате метеоритной бомбардировки. Земля отличается от других планет земной группы высокой степенью химической дифференциации вещества и широким распространением гранитов в коре.

Меркурий

Меркурий — ближайшая к Солнцу планета. На небосводе эту планету очень сложно увидеть: она появляется недалеко от Солнца либо перед его восходом, либо сразу после захода. Применив мощный бинокль или телескоп, можно различить блестящий серп, подобный Луны. Диаметр Меркурия равен 0,4 земного, а масса всего 0,06. Но плотность обеих планет практически равна.

Орбита Меркурия более вытянута, нежели орбиты остальных семи планет. И процесс вытягивания продолжается, правда, очень медленно. Ученые рассчитали, что через 4–5 млрд. лет гравитация Юпитера растянет орбиту до пересечения её с орбитой Венеры.

Маленькая планета облетает Солнце за 88 земных суток со скоростью 48 км/с. Вокруг своей оси она оборачивается за 59 суток. Получается, что один местный день длится две трети года. Среднее удаление от Солнца — 58 млн. км. Меркурий имеет прецессию 260000 лет.

Поверхность Меркурия схожа с Луной. Она усеяна многочисленными кратерами, но частота их не одинакова. Предполагают, что это связано с разным возрастом поверхностного грунта.

Крупнейший кратер — Рембрандт, имеет в поперечнике 716 км. Главное отличие поверхностей Меркурия и Луной в наличии на первом эскарпов. Это зубчатые откосы, растягивающиеся на сотни километров. Они могли появиться в результате сжатия планеты, происходившего по мере её остывания. Считается, что долгое время на планете сохранялась геологическая активность.

Интереснейшая деталь ландшафта планеты – Равнина Жары. Это образование получилось при столкновении с планетой объекта, имевшего в поперечнике около 100 метров. Получилась отметина размером 1300 км.

Температура в дневные периоды достигает 410°С, а в ночные опускается до -162°С. Полярные области более суровы, и мороз там может достигать -210°С.

Меркурий имеет очень разреженную атмосферу – экзосферу. Она существует только за счёт радиоизотопов, вырывающихся из коры, а солнечный ветер непрерывно сдувает их в космос.

Магнитное поле Меркурия в сто раз слабее земного. Направление его соответствует оси вращения планеты, и магнитные полюсы  расположены рядом с географическими полюсами. Возможно ядро планеты жидкое, и это состояние поддерживается приливным эффектом, вызываемым вытянутостью орбиты. Поле имеет достаточную мощность для изменения направления солнечного ветра.

Венера

Венера, вторая по счёту планета от Солнца удалена от неё на 108 миллионов километров. Она обращается вокруг светила за 225 суток при средней скорости 35 км/с, а на осевой оборот уходит 243 суток. Причём, обращается «утренняя звезда» в направлении, противном обращению большинства планет. Масса её составляет 0,82 от земной, а объём, радиус и плотность примерно одинаковы.

Плотность атмосферы планеты и толщина облачного покрова делают невозможным наблюдение её поверхности с помощью телескопов. Именно поэтому её изучение началось позже, чем, например, Марса.

Атмосферный состав не сложен: 96% углекислого газа и почти 4% азота, плюс минимальные следы аргона, воды и диоксида серы. Приповерхностное давление планеты гигантское – до 93 атмосфер. А температура в 467 °С — больше температуры Меркурия, который намного ближе к Солнцу. Причина такого нагрева кроется в парниковом эффекте, который создаётся за счёт плотной атмосферы.

Ядро планеты (3000 км) состоит из расплавленных железа и никеля, а мантия (3000 – 3300 км) из кремниевых соединений. Кора же, толщиной от 16 до 50 километров, составлена из кремниевых пород, по плотности близких к земным. У Венеры очень слабое магнитное поле.

90% её скопилось до высоты 28 километров, и масса составляет одну треть от массы мирового океана нашей планеты. Азота в атмосфере очень мало, но абсолютное количество его в пять раз больше содержания в земной атмосфере. Плотность атмосферы у поверхности Венеры в 50 раз больше земной. Облачный двадцатикилометровый слой, нижняя кромка которого начинается на высоте 50 километров, состоит в основном из серной кислоты. Вряд ли дождь на этой планете может оказаться животворящим [20].

Только Венера и Меркурий не обзавелись спутниками. 

 Земля

Земля — третья планета Солнечной системы, расположилась между Венерой и Марсом. Главное отличие от планет этой группы – наличие жизни.
Планета находится в 150 млн. км от Солнца, обегая вокруг него за 365,25 суток со скоростью 29,76 км/с. Длина земного экватора около 40000 км, а средний радиус 6371 км. Величайшая высота 8848 м. (г. Джомолунгма), а максимальная глубина -11022 м. (Марианская впадина).

У Земли есть атмосфера, материки, вода и магнитное поле. Планета Земля имеет благоприятный температурный режим и умеренную смену сезонов. Магнитное поле надёжно защищает её от солнечного ветра. Да и само расположение относительно Солнца самое удобное и рациональное. Эти и многие другие факторы способствуют поддержанию жизни на планете. Венера тоже имеет атмосферу, но её параметры с жизнью несовместимы. На Марсе есть вода, но жизни тоже нет. Все условия оптимальны только на нашей планете.

Внутреннее строение Земли достаточно стандартно. Ядро, мантия, кора. Но есть и особенности. Ядро не монолитное, а состоящее из двух компонентов: внешнего, жидкого (2200 км), и внутреннего, твёрдого (1300 км). Внутреннее ядро спрессовано из железа и никеля под давлением в 3 млн. атм. Мантия, имеющая 67% всей планетарной массы, разделяется на нижнюю и верхнюю, твёрдую, которая вместе с корой называется литосферой. Она частично расплавлена и состоит в основном из кремния, железа, магния, алюминия, кислорода и их сочетаний. Толщина коры в разных районах планеты различна. В океанических областях она самая тонкая, а в горных районах наиболее массивная. Основные компоненты земной коры – оксиды алюминия, кремния, щелочных металлов.

Состоит из азота (78,08%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%) и углекислого газа (0,03%). Оставшуюся часть заполняют различные оксиды и твёрдые частицы. Атмосфера создаёт явление умеренного парникового эффекта, не позволяя теплу уходить в открытый космос.

Марс

Марс —  четвертая по счету планета от Солнца. Уверенно занимает первое место по надеждам, возлагаемым на него желающими отыскать жизнь в космосе. Планета красного цвета из-за окислов железа, которого очень много в песках. Масса планеты в 10 раз меньше Земли. На космическом корабле до Марса можно долететь за 7 месяцев.

Ещё в 19 веке астрономы догадались, что Марс обладает атмосферой. Это определилось в моменты противостояний планеты с Землёй, случающихся каждые 15–17 лет. Углекислый газ (96%), азот (2,7%), аргон (1,6%) и ничтожные количества кислорода и иных газов не стали благоприятными условиями для развития жизни на планете. Но, тем не менее, облака из углекислого газа и воды, всё же есть. По виду они похожи на земные, перистые, и формами повторяют рельефные контуры [22].

Имеет металлическое и жидкое ядро, масса которого составляет до одной десятой от массы планеты, а радиус – до половины радиуса планеты. Между ядром и корой (70 – 100 км) расположена мантия. Она силикатная и содержит много железа, красные окислы которого и определяют цвет марсианской поверхности. Марс – планета остывающая, поэтому её кора находится в неподвижном состоянии, марсотрясения и геологические разломы остались далеко в прошлом.

У Марса 2 спутника: Фобос и Деймос. С Земли видны только в очень мощный телескоп. Они представляются в виде двух точек, бледных на фоне яркого диска Марса. По форме и структуре это два огромных камня, состоящих из того же вещества, что и метеориты.

По сравнению с земной, атмосфера Марса разреженнее, давление её у поверхности в 160 раз меньше. Температура в среднем здесь -40 °С. Летом поверхность красной планеты может прогреваться до +20 °С, а зимними ночами падать до –125 °С.

Пылевые бури. Вследствие резких перепадов температур возникают сильные ветры. Поскольку сила тяжести на планете невелика, в воздух поднимаются миллионы тонн песка. Обширнейшие области оказываются в плену пылевых бурь. Наиболее часто эти бури возникают вблизи полярных шапок.

Пылевые вихри. Походят  на земные, но в десятки раз больше по размерам. Поднимают много пыли и песка в воздух. Такой вихрь очистил солнечные батареи марсохода в 2005 году.

Водяной пар. Воды на Марсе очень мало, но низкое давлении помогает ей собираться в облака. Конечно, они отличаются от земных своей невыразительностью. Над низинными местами вполне могут собираться туманы, и даже вероятно выпадение снега.

Времена года. Земля и Марс во многом схожи. Марсианские сутки всего на 40 минут больше земных. Обе планеты имеют практически одинаковый наклон оси вращения (Земля 23,5°, Марс 25,2°), вследствие чего на Марсе тоже происходит смена сезонов. Это выражается в изменении полярных марсианских шапок. Северная шапка уменьшается в летний период на треть, а южная теряет почти половину.

Олимп. Не случайно этот недействующий вулкан получил такое значимое имя. При диаметре основания в 600 километров он имеет высоту 27 километров. Это почти в три раза выше земного Эвереста. Считается самой большой горой в Солнечной системе.

Огромная площадь, которую занимает основание вулкана, не позволяет увидеть его полностью с поверхности планеты. Диаметр Марса меньше земного вдвое, и поэтому горизонт получается более низким.

Планеты-гиганты

Планеты-гиганты являются планетами газовыми и имеют большие размеры и массы, но более низкую среднюю плотность, в отличие от каменных планет. Также являются планетами с более мощными атмосферами и быстрым вращением. Помимо этих отличий имеют еще одно, такое как наличие колец и большого количества спутников.

Юпитер

Газовый гигант Юпитер — пятый по счету в Солнечной системе, является самой большой планетой. Он расположился между Марсом и Сатурном.

Размеры планеты уступают только солнечным. Радиус по экватору в 11 раз больше земного радиуса. Масса в два с лишним раза больше массы всех планет солнечной системы вместе взятых, и в 318 раз планета массивнее Земли. На один оборот вокруг Солнца у Юпитера уходит почти 12 лет при скорости около 13 км/с. Вокруг своей оси планета обращается гораздо быстрее, нежели Земля. Одни сутки тут длятся около 10 часов.

Юпитер — поистине украшение нашей солнечной системы. Тёмной ночью ярчайшая жемчужина восходит на востоке, придавая особенный шарм звёздному небу. По яркости планета немного уступает только Венере. Ещё в древности яркое око планеты восхищало и поражало людей. Не случайно и названа она была именем древнеримского верховного бога-громовержца.

Атмосфера Юпитера кардинально отличается от земной. Она большей частью состоит из водорода (около 89%) и гелия (около 11%). Но имеются малые примеси метана, аммиака, ацетилена и водных паров. Если взглянуть на планету сквозь линзы телескопа, то станет видно, что атмосфера её есть сочетание параллельных полос различного цвета – красного, белого, жёлтого, синего. Тёмные пояса и светлые зоны – это цветные облака в верхних атмосферных слоях [23].

Отличительная особенность Юпитера – наличие пятен. Установлено, что это гигантские вихри, которые могут длиться недели, месяцы и годы. Одно из таких пятен имеет размеры в поперечнике 15 000 километров. Самое знаменитое — Большое Красное Пятно. Оно было замечено ещё в 1664 году французским астрономом Кассини. За эти сотни лет оно практически не переместилось и почти не изменилось по форме и размерам.

Также как Сатурн и Уран, Юпитер обзавёлся кольцами. Но его система колец достаточно слабая. Они состоят в основном из пыли и газа. Система колец имеет четыре компонента. Толстый тор из мелких частиц. Яркое, очень тонкое «Главное кольцо» и два более широких, «паутинных кольца». Окрас колец в видимой части спектра красноватый, а у первого – синий.

Поскольку Юпитер – газовая планета, то поверхности, как мы это понимаем, она не имеет. Вероятно, что в центре газового гиганта есть очень плотное ядро. Оно спрессовано под огромным давлением 30 – 100 миллионов атмосфер. И температура ядра тоже впечатляет – около 30 000 °С.

На стокилометровой глубине находится океан из этого жидкого водорода. А ниже 17 000 километров водород сжимается с такой силой, что приобретает свойства металла. Это состояние позволяет водороду проводить электричество, создавая вокруг планеты магнитное поле. Размеры магнитного поля огромны, оно растягивается на 650 миллионов километров и немного захватывает орбиту Сатурна. Поле имеет вытянутую форму, и в сторону Солнца оно в 40 раз меньше.

К 2009 году было выявлено 63 спутника Юпитера. Наиболее известны так называемые галилеевы спутники, впервые обнаруженные учёным в 1610 году. Это Ганимед, Каллисто, Европа и Ио. Ганимед по размерам превосходит Меркурий, а Каллисто, практически равный ему, имеет тёмную поверхность, испещрённую кратерами. Европа окована ледяным панцирем стокилометровой толщины. Из-за этого она отражает свет также ярко, как Венера. Самый живописный спутник – это Ио. Он имеет оттенки жёлтого, чёрного и красного цветов. Это связано с активной вулканической деятельностью, от действия которой фонтаны серы извергаются на высоту 200 километров над поверхностью.

Сатурн

Сатурн, если считать по удалённости от Солнца, является шестой планетой, а если по величине, то второй. Это газовый гигант, масса которого превосходит массу Земли в 95 раз. Он имеет самую низкую плотность из всех планет и даже меньшую, чем у воды. Планета Сатурн, является, пожалуй, одной из самых красивых и загадочных. Её вид поражает и манит. Сказочные кольца создают ощущение чего – то необычного, благодаря им, его невозможно спутать с другой планетой, он единственный в своём роде.

Название планеты  происходит от имени Бога Кроноса, который повелевал могучими титанами в греческой мифологии. Планета получила данное название, благодаря своим гигантским размерам и необычному виду.

В атмосфере Сатурна бушуют сильные ветра. Их скорость настолько велика, что составляет около 500 км/ч, а порой, достигает и 1500 км/ч. Согласитесь, довольно неприятное явление, но с Земли (если смотреть в телескоп) они выглядят очень красиво. На планете бушуют настоящие циклоны, самым большим из которых является Большой белый овал. Он получил это название за внешний вид, и представляет из себя мощнейший антициклон, систематически появляющийся на поверхности примерно один раз в тридцать лет. Размеры его просто гигантские, и составляют около 17 тысяч километров.

Атмосфера планеты стоит в основном из водорода и гелия, имеется совсем немного азота. В верхних слоях наблюдаются аммиачные облака.
Имеются и такие образования, как пятна. Правда они не так заметны, как, например, у Юпитера, но всё — таки, некоторые довольно большие и достигают около 11 тыс. км. То есть, довольно внушительны. Есть и светлые пятна, они намного меньше, всего около 3 тыс. км, а так же, коричневые, размеры которых составляют 10 тыс. км.

Имеются и полосы, которые, как предполагают учёные, появились от перепада температур. Их довольно много и именно в центре полос дуют самые мощнейшие ветра.

В верхних слоях атмосферы очень холодно. Температура колеблется от –180 °С до –150 °С.  Хоть это и страшный холод, но, если бы внутри планеты не было ядра, обогревающего и дающего тепло, то температура атмосферы была бы заметно ниже, ведь Солнце же далеко.

Внутреннее строение очень схоже с таковым у Юпитера. Ученые предполагают, что в центре планеты находится большое силикатно-металлическое ядро. Так, на глубине около 30 000 км. температура составляет 10000 °С, а давление около 3 млн. атмосфер. В самом ядре, давление ещё более высокое, так же как и температура. В нём и находится источник тепла, согревающий всю планету. Сатурн выделяет больше тепла, чем получает от Солнца.

Ядро окружено водородом, находящимся в металлическом состоянии, а над ним, уже ближе к поверхности, слой жидкого молекулярного водорода, переходящего в свою газовую фазу, примыкающую к атмосфере. Магнитное поле планеты имеет уникальную особенность, которая заключается в совпадении с осью вращения планеты. У магнитосферы Сатурна симметричный вид, но радиационные полюса правильной формы и имеют пустоты.

У Сатурна всего 61 спутник. Они имеют различную форму, но в большинстве своём они малых размеров. В основном представляют из себя ледяное образование и только некоторые имеют примеси горных пород. Названия многих спутников произошли от имён титанов, и их потомков, так как само название планеты происходит от Кроноса, который повелевал ими.

Уран

Уран — седьмая по счету планета Солнечной системы. Находясь на удалении в 2,8 млрд. км от светила, эта планета является газовым гигантом. Имея радиус экватора 26,6 тыс. км, а массу в 14,6 раза больше земной, Уран мчится по почти круговой орбите, развивая скорость 6,8 км/с. Плотность планеты в 4,4 раза меньше плотности Земли. Оборот вокруг оси Уран совершает за 17 часов. Но удалённые от экватора области оборачиваются за 14 часов. Получается, что газовая структура поверхности не является единым целым. Она следует своим законам, представляя собой неуправляемую массу.

Мельчайшие кристаллы метана в верхних слоях атмосферы придают планете зеленоватый оттенок. Нижние состоят из жидких водорода (83%) и гелия (15%). Под атмосферой жидкая, очень плотная аммиачно-водная мантия.

Точно неизвестно, есть ли у Урана твердое ядро, Большинство ученых полагает, что ядро все-таки имеется, и состоит оно из кремния и металлов.
Колец у Урана 13. Их не сравнить с великолепными кольцами Сатурна, и имеют они тёмные цвета, поэтому практически невидимы. Открытие их произошло в 1977 году по косвенным признакам – они перекрывали свечение наблюдаемых звёзд.

Кольца не все одинаковы. Средние 11 имеют почти чёрный цвет, а крайние выгодно отличаются от них. Внешнее колечко окрашено в синий колер, а внутреннее в красный. Состоят кольца из каменистых частичек, мельчайших и размерами в несколько метров. Ширина колец от 1 до 10 км, и лишь самое широкое, внешнее, распухло до 96 километров.

Всего спутников 27, основными считаются 5. Их состав: лёд (состоящий из аммиака, углекислого газа и метана), перемешанный с горными породами. А обращаются спутники вокруг своего хозяина, повернувшись к нему одной стороной, подобно нашей Луне.

Нептун

Нептун — восьмая планета Солнечной системы. Он занимает третье место по массе, но четвёртое по размерам. Земля легче его в 17 раз, а диаметр нашей планеты меньше в четыре раза.

Газовая сфера, сжатая у полюсов, в диаметре почти 50000 км. Пробегая по орбите со скоростью 5,43 км/с, Нептун завершает облёт Солнца за 164,8 года.

А вот сутки тут составляют 6 часов и 6 минут. Планета имеет осевой наклон 28°32', а от Солнца удалена почти на 30 а. е.

В центре покоится ядро, окружённое мантией. А та упакована в плотный атмосферный кокон.

Ядро твёрдое, массой сопоставимо с Землёй. Оно железно-никелевое с добавками горных пород. Сжато ядро с силой в 7 млн. атмосфер при температуре 5200°C.

Мантия. Жидкая смесь аммиака, метана и воды. Её сжатие около 100 тыс. атмосфер, а нагрев от 1700°C до 4700°C.

Атмосфера. Состоит из 82% водорода и 17% гелия. Остальное – метан, который и создаёт сочный синий цвет планеты. Чем выше от поверхности, тем меньше давление и ниже температура. В тропопаузе давление падает до 0,1 бар, а температура до – 220°C. Поистине, планета Нептун – синее царство холода.

Выше, в стратосфере, температура растёт, достигая 475°C. Верхние слои атмосферы в непрерывном движении. В экваториальных районах метановые облака развивают скорость больше 2000 км/ч. С приближением к полюсам скорость падает. Облачная масса движется против направления вращения Нептуна.

Ураганы. Вопреки ожиданиям малоподвижности атмосферы, планета предстала царством ураганов. Огромные атмосферные вихри достигают 5000 км в поперечнике. Они выделяются на светло-синем фоне овалами тонов, более тёмных. Ураганы тут длятся месяцами и даже годами.

Большое тёмное пятно. Это самый известный из наблюдаемых ураганов. Его размеры 13000х6600 км. Громадный вихрь продвигался к западу, имея скорость 300 м/с, и наблюдался пять лет. Потом он либо оказался закрытым облачной массой, либо закончился.