по текстам   по ключевым словам   в глоссарии   по сайтам   перевод   по каталогу

2.4 Планеты

Все планеты светят отраженным от Солнца светом. Планеты земной группы, расположенные к Солнцу ближе, чем планеты-гиганты, имеют твердую поверхность. У планет-гигантов - газожидкая природа, твердой поверхности у них нет.
В древности знали лишь планеты, видимые невооруженным глазом: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер, Сатурн. Земля не отождествлялась с "блуждающими светилами".
Г.Галилей наблюдал в телескоп Нептун еще в 1612 году, не зная, что этот объект - планета. Леверье открыл Нептун путем вычислений только 233 года спустя.
Из всех звездообразных объектов неба Венера - самое яркое светило. Ее блеск может доходить до -4^m.3.
Планета, орбита которой полностью находилась бы внутри орбиты Меркурия, не обнаружена. Однако малая планета Икар в перигелии оказывается к Солнцу ближе, чем Меркурий. В это время ее расстояние до Солнца всего 0,19 астрономических единиц.
Такие планеты есть. Это некоторые астероиды. 34 астероида при своем движении пересекают орбиту Марса, а следовательно, часть их орбит находится между орбитами Земли и Марса. 8 астероидов группы Аполлон в перигелии заходят внутрь орбиты Земли.
Самой удаленной планетой от Солнца является Плутон, если рассматривать среднее расстояние планет от Солнца. Однако из-за большой эллиптичности орбиты часть своего периода обращения (20 лет из 248) Плутон оказывается ближе к Солнцу, чем Нептун. С 28 января 1979 года по 15 марта 1999 года самой удаленной планетой оказывается Нептун.
Отношение средних орбитальных скоростей Плутона и Меркурия равно 0,099, средних расстояний - 101,3, сидерических периодов - 1035.
Полагая отношение средних расстояний (100) случайной величиной, из третьего закона Кеплера находим отношение сидерических периодов - 1000 и средних орбитальных скоростей - 0,1.
Крайние планеты Солнечной системы - Меркурий и Плутон имеют орбиты с наибольшими эксцентриситетами: 0,206 и 0,253. Ближе всего к окружности орбита у Венеры, эксцентриситет которой всего 0,007.
В современную эпоху столкновения больших планет невозможны, но вероятны столкновения астероидов с большими планетами. Происходят также столкновения астероидов между собой. Осколки, возникающие при таких соударениях, достигают Землю в виде метеоритов.
Причина этого - годичная аберрация света звезд, вызванная относительным движением светила и наблюдателя. Аберрация обусловлена конечностью скорости света.
Годичная аберрация света звезд пропорциональна орбитальной скорости движения планеты. На Меркурии большая полуось аберрационного эллипса наибольшая - 33", на Плутоне наименьшая - 6",6.
На Земле аберрационный эллипс для звезд, находящихся близ полюсов эклиптики, превращается в окружность с радиусом 20",5; для звезд на эклиптике эллипс вырождается в отрезок дуги длиной 41".
Годичный параллакс пропорционален радиусу орбиты планеты. Поэтому для одной и той же звезды на Плутоне параллактический эллипс будет наибольшим, на Меркурии - наименьшим.
На небе видимого полушария Луны Земля постоянно висит в определенном месте относительно горизонта, совершая при этом криволинейное движение, представляющее собой плавно переходящие друг в друга эллипсы. Причиной этого явления являются либрации Луны по широте и долготе. Либрация по широте вызвана наклонением осивращения Луны к плоскости ее орбиты. Либрация по долготе возникает как следствие неравномерного движения Луны по орбите.
Форма планеты Венера очень близка к сфере. К тому же ее поверхность имеет сглаженный рельеф. Почти 90% поверхности лежит в пределах +1 км от среднего уровня. Наибольшая асимметрия фигуры планеты наблюдается у Марса. У этой планеты северная полусфера сильнее сплюснута по сравнению с южной.
Слюснутость планеты Юпитер возникает из-за ее быстрого вращения (цериод вращения экваториальной зоны 9 час 50 мин). Солнце тоже сплюснуто, но вследствие сравнительно медленного вращения (период вращения экваториальной зоны 25,4 суток) эта сплюснутость очень мала - 73 км, и не поддается измерениям (0.1").
Вероятная причина этого - меньшая плотность Сатурна по сравнению с Юпитером.
Самое большое сжатие у Сатурна (1:10). Причина - быстрое вращение.
Быстрее всех планет вращается Юпитер. Он делает полный оборот вокруг оси за 9 часов 55 минут. Однако угловые скорости точек поверхности зависят от широты. Самое медленное вращение у Венеры. Период ее вращения 243,1 земных суток.
Земля оказывает большое влияние на движение своей соседки Венеры. Скорости движения Венеры вокруг Солнца и ее вращения таковы, что в моменты времени, когда Венера находится в нижнем соединении, она всегда обращена к Земле одной и той же стороной.
На Венере Солнце восходит на западе, а заходит на востоке. Причина этого явления - в обратном вращении планеты.
Такое явление происходит с Солнцем на небе Меркурия, когда планета проходит перигелий. В течение 8 суток Солнце движется в обратном направлении, после чего снова меняет курс на прямой. Такое видимое движение Солнца возникает из-за того, что при прохождении планетой перигелия ее угловая скорость по орбите на некоторое время превышает угловую скорость ее вращения.
Нет, так как планеты перемещаются на звездном небе вблизи эклиптики.
Для нижней планеты определяющим является максимальное угловое удаление от Солнца, то есть положение планеты в наибольших западной и восточной элонгациях.
Для верхней планеты основным условием является наименьшее расстояние до Земли, что бывает, когда планета в противостоянии.
Во время наибольшей элонгации нижняя планета движется по лучу зрения. В восточной элонгации планета приближается к Земле с максимальной скоростью, а в западной элонгации удаляется с максимальной скоростью.
В квадратурах, когда угловое удаление планеты от Солнца - 90^o, скорость приближения планеты к Земле или удаления от нее максимальна.
Наиболее благоприятные периоды видимости Меркурия: вечерняя видимость весной, так как в это время на западе эклиптика образует с горизонтом наибольший угол; утренняя видимость осенью, когда тоже, но уже на востоке, эклиптика образует с горизонтом наибольший угол.
Во время квадратур угол фазы планеты, то есть угол у планеты между направлениями на Солнце и Землю, достигает наибольшего значения.
Верхняя.
Земля в это время для наблюдателя на Марсе находится в нижнем соединении и, следовательно, недоступна для наблюдений, за исключением очень редкой возможности прохождения Земли по диску Солнца.
Период этих явлений равен синодическому периоду Марса (S=780^d).
Великие противостояния происходят тогда, когда верхняя планета, находясь в противостоянии, к тому же оказывается и в перигелии. Из верхних планет Марс имеет наиболее благоприятные условия видимости с Земли, а также обладает значительным эксцентриситетом - 0,093.
Под "парадом планет" понимается явление расположения планет в узком секторе гелиоцентрической долготы.
Наиболее ярко выраженный "парад планет" состоялся в 1128 году, когда указанный сектор составлял всего 45^o. В 1982 году состоялся "парад" планет-гигантов и Плутона, при этом угол сектора был равен 65^o.
Нижние планеты Меркурий и Венера при своем движении вокруг Солнца показывают фазы, аналогичные фазам Луны. В нижнем соединении планета имеет вид Луны в новолунии, верхнее соединение соответствует полнолунию, первая четверть - наибольшей восточной элонгации, последняя четверть - наибольшей западной элонгации.
Нижние планеты имеют такой вид в верхнем соединении, однако в это время планета теряется в лучах Солнца и поэтому не видна.
Верхняя планета в соединении не видна по той же причине. Полностью освещенный диск верхняя планета имеет только в противостояниях, интервал времени между которыми равен синодическому периоду.
Удаленные планеты имеют фазу, близкую к "полнолунию", при любой конфигурации. Пределы изменения фаз далеких планет:
Уран 1,0-0,993,
Нептун 1,0-0,997,
Плутон 1,0-0,999.
Из геометрических соображений очевидно, что угловое удаление этих объектов от Солнца при одной и той же фазе Ф=0,5 будет разным и поэтому они будут видны не по одному направлению.
Нижняя планета имела бы синодический период, равный одному году, если бы ее сидерический период составлял 0,5 года. Такой планеты не существует.
Синодический период, близкий к одному году, может иметь также и удаленная верхняя планета. Например, синодические периоды:
Юпитера - 399^d, Сатурна - 378^d, Урана - 370^d, Нептуна - 368^d, Плутона - 367^d.
Этому условию удовлетворяют и верхние, и нижние планеты.
Нижней планеты, у которой S=T, не может существовать. Для верхней планеты . Наиболее близка к такой ситуации планета Марс (T=687^d, S=780^d).
В обоих случаях синодический период увеличивается.
Синодический период равен бесконечности при равенстве периодов обращений вокруг Солнца некоей планеты и Земли для наблюдателя с Земли. Такой реальной планеты, как известно, нет. Но в Солнечной системе такая ситуация имеет место: это пылевые спутники Земли для наблюдателя с Луны; астероиды "греки" и "троянцы", находящиеся на орбите Юпитера, и сам Юпитер по отношению друг к другу; некоторые спутники планет-гигантов.
Исследованию оптическими методами доступны поверхности только трех больших планет: Меркурия, Марса, Плутона. Поверхность Венеры скрыта под толстым слоем облаков. Планеты-гиганты вообще не имеют твердой поверхности.
Марс - единственная планета в Солнечной системе, поверхность которой наиболее доступна для астрономических наблюдений как с Земли, так и из космоса в связи с очень разреженной атмосферой и благоприятными условиями видимости и освещенности Солнцем.
Альбедо (отражательная способность) Венеры составляет 61%, альбедо Меркурия - 6%. У Венеры свет Солнца отражается от облачного покрова, у Меркурия - от темных горных пород, похожих на лунные.
Большую часть поверхности Земли занимает Мировой океан, поэтому нашу планету логичней было бы назвать Океаном, а не Землей. Дж.Челлис, один из участников открытия Нептуна, предлагал назвать эту планету - Океан. Однако закрепилось название, предложенное Леверье.
Полярные шапки существуют на Земле, Марсе, Плутоне. На Плутоне полярные шапки состоят из замерзшего метана. Они достигают широт .
На одном из марсианских полюсов обнаружена область, покрытая в основном твердой углекислотой с небольшой примесью обычного льда. Вся полярная шапка преимущественно состоит из так называемого газгидрата (соединение CO₂ 6H₂). Края полярной шапки, вероятно, состоят из обычного льда.
Сетка узких темных линий, видимых на Марсе в телескоп, была названа итальянским астрономом Дж.Скиапарелли в 1877 году каналами (по итал. canali - проливы). Вскоре американский астроном П.Лоуэлл выдвинул гипотезу об их искусственном происхождении, то есть предположил, что эти образования действительно являются каналами. Исходя из природных условий, давно стало ясно, что на поверхности планеты не может быть воды в жидком виде. Фотографии Марса, сделанные с близкого расстояния при помощи космических аппаратов, показали, что каналы связаны с разломами коры. Им соответствуют крупные долины, уступы, расположенные в ряд возвышенности, скопления кратеров.
Открытых водных пространств на Марсе нет, но на крупномасштабных фотографиях отчетливо видны полярные шапки русла бывших рек, проявление вечной мерзлоты. Если лед растопить, то Марс будет покрыт слоем воды толщиной по крайней мере 10 метров.
Существует технически обоснованный проект глобального озеленения Марса. На орбиту планеты предполагается вывести гигантские эластичные отражатели и с помощью их растопить часть полярных шапок. Пары воды и углекислого газа окутают планету и начнет работать парниковый эффект, температура поверхности и атмосферы повысится. Образовавшуюся среду надо заселить сначала микроорганизмами, а потом растениями. По оценкам специалистов, для того, чтобы Марс стал пригодным для жизни при помощи такого воздействия, потребуется от сотни лет до тысячелетий.
Высота горы определяется предельным механическим напряжением, при котором начинает разрушаться кристаллическая решетка. Механическое напряжение зависит от веса горы. Вес тел на Марсе меньше, чем на Земле, примерно в 2,5 раза. При одинаковых механических свойствах горных пород на Земле и Марсе и одинаковой горообразовательной деятельности, высота самых высоких гор на Марсе должна быть примерно в 2,5 раза больше высоты гор на Земле, что и подтверждается наблюдениями. Самые высокие горы на Марсе (Арсия, Акреус, Павонис, Снежный Олимп) имеют высоту 25-27 км.
Направление осевого и орбитального движений Меркурия совпадают, а у Венеры эти движения противоположны. У Земли, как и у Меркурия, направления упомянутых движений совпадают, поэтому солнечные сутки на Земле больше периода ее осевого вращения.
На Венере и Юпитере нет смены времен года, так как оси вращения этих планет почти перпендикулярны плоскостям орбит, а эксцентриситеты орбит малы.
Расположение тропиков и полярных кругов определяется наклонением оси вращения планеты к плоскости ее орбиты. Эти величины близки у трех планет: Земли - 66^o.45, Марса - 66^o.02, Сатурна - 63^o.27.
Смена времен года на любой планете происходит по трем причинам:
1) обращение планеты вокруг Солнца;
2) наклон оси вращения к плоскости орбиты;
3) сохранение направления оси вращения в пространстве.
Марс удовлетворяет этим требованиям, и, следовательно, на нем происходит смена времен года, что и зафиксировано астрономическими наблюдениями.
Так как ось вращения Меркурия перпендикулярна плоскости его орбиты, то на нем нет сезонных изменений по широте. Однако кратность солнечных суток и периода обращения вызывает сезонные изменения температуры по долготе.
Высота и дальность прыжков обратно пропорциональны ускорению свободного падения на поверхности планеты. Самое малое ускорение на поверхностях Меркурия и Марса (g=3.7м/с²). Высота и длина прыжков при одинаковой скорости отталкивания будут на этих планетах в 2,6 раза больше, чем на Земле. Аналогичные условия на Плутоне.
На Марсе и Меркурии значения ускорения свободного падения близки, а следовательно, и вес космонавтов будет одинаков, но меньше веса на Земле в 2,6 раза.
Масса, размер, средняя плотность, ускорение силы тяжести на поверхности, космические скорости Венеры близки к соответствующим параметрам Земли.
Двойной планетой может считаться система Земля- Луна. Относительная масса Луны велика. Луна притягивается Солнцем больше, чем Землей. Гелиоцентрическая орбита Луны представляет собой эллипс, возмущаемый Землей.
Еще более тесной двойной планетой может считаться система Плутон-Харон. Расстояние между центрами Плутона и Харона в 20 раз меньше расстояния между Землей и Луной. Диаметр Плутона всего в 2 раза превышает диаметр Харона.
Сатурн имеет среднюю плотность всего 700 кг/м³, что составляет 0,7 от плотности воды. Это свидетельствует о газообразной природе планеты.
Поверхность Меркурия очень похожа на поверхность Луны не только деталями, но и историей возникновения. На поверхности находится очень много кратеров. Верхний слой - темный реголит, похожий на лунный.
С другой стороны, средняя плотность Меркурия (5.43*10³кг/м³) лишь немногим меньше, чем у Земли (5.62*10³кг/м³). Это, возможно, свидетельствует о железном ядре.
Химический состав Юпитера аналогичен составу Солнца: на 1 атом гелия - 10 атомов водорода. По внутреннему строению Юпитер не похож ни на одну из планет земной группы. Юпитер, в основном, является жидким телом, в центре которого находится маленькое твердое ядро.
Газовые оболочки планет возникают вследствие процессов дегазации твердых пород и испарения вещества метеоритов и комет, сталкивающихся с данным небесным телом.
Равновесие планетных атмосфер происходит из-за того, что силы тяготения, стремящиеся прижать молекулы к поверхности, уравновешиваются силами газового давления. Чем выше температура атмосферы, тем больше протяженность атмосферы по высоте, и наоборот, чем ниже температура, тем больше концентрация молекул к поверхности планеты.
Число молекул со скоростями, большими скоростей убегания, непрерывно пополняется в результате межмолекулярных столкновений. Планета в конце концов должна потерять атмосферу. Однако время рассеяния, в течение которого это должно произойти, очень велико и сравнимо с возрастом планеты для Венеры, Земли, Юпитера и т.д. Для Меркурия, наоборот, время рассеяния очень мало из-за малой скорости убегания и высокой температуры поверхности. Поэтому Меркурием его атмосфера давно утеряна.
Плутон обладает очень разреженной и протяженной атмосферой, а также орбитой с большим эксцентриситетом. В середине зимы, когда Плутон находится в афелии, из-за низкой температуры большая часть газа оказывается вмороженной в его поверхность, а атмосферное давление падает в 250 раз по сравнению с серединой лета.
Оба утверждения справедливы. Первое утверждение правильно, если речь идет о средней плотности атмосфер или о плотности у поверхности и на низких высотах. Второе утверждение справедливо для больших высот над поверхностями планет. Этот парадоксальный факт объясняется тем, что на планетах с меньшей массой плотность атмосферы с высотой уменьшается медленнее, чем у планет с большой массой.
Решение следует из анализа уравнения Менделеева-Клапейрона:
,
где р - давление, - плотность газа, Т - температура, М -молярная масса, R - универсальная газовая постоянная.
Исходя из оценок температуры и молярной массы атмосфер Венеры и Земли, заключаем, что определяющим является высокая плотность атмосферного воздуха.
При гипотетическом перемещении Венеры на земную орбиту масса ее атмосферы не изменится, плотность и абсолютная температура изменятся мало. Поэтому давление в атмосфере останется по-прежнему высоким.
Атмосферы планет-гигантов преимущественно состоят из водорода (у Юпитера - 87% по объему). В атмосфере Венеры и Марса преобладает углекислый газ (95%), а атмосфера Земли большей частью состоит из азота (78%).
У планеты Меркурий существует чрезвычайно разреженная гелиевая атмосфера. Существование такой атмосферы поддерживается за счет распада радиоактивных изотопов в коре планеты и выделения при этом гелия из поверхности и путем захвата ядер гелия из солнечного ветра. Без постоянного действия этих факторов Меркурий потерял бы свою газовую оболочку буквально через сутки.
Красный цвет поверхности Марса определяется большим содержанием в его почве железа (12-14%). Красный цвет планеты в древности ассоциировался с цветом крови, и поэтому планета была названа в честь бога войны Марса (Арес - у греков). Цвет крови определяется наличием гемоглобина, в состав которого также входит железо.
Сильным парниковым эффектом обладает атмосфера планеты Венеры. Углекислый газ не пропускает тепловое излучение планеты, вследствие чего температура поверхности сильно повышается (470^oC).
На планете Марс во время пылевых бурь наблюдается сильный антипарниковый эффект. В это время в атмосферу поднимается громадное количество пыли, которая непрозрачна для приходящего излучения. Это приводит к остыванию поверхности планеты и разогреву атмосферы.
Грандиозный атмосферный вихрь наблюдается на планете Юпитер уже на протяжении более 300 лет. Он виден в виде розоватого овального пятна в южном полушарии, за что и получил название Большое Красное Пятно (БКП). Его размеры: длина большой оси - 20-25 тысяч километров, малой - 10-12 тысяч километров.
На Венере температура поверхности днем и ночью в течение всего года остается практически постоянной и очень высокой (почти 500^oC.
Температура Плутона почти одинакова на всей поверхности: 59 К на экваторе и 54 К на полюсах.
Причины две: Венера ближе к Солнцу, чем Земля, и она обладает мощной углекислой атмосферой, создающей парниковый эффект.
Инфракрасное (тепловое) излучение приходит с наружной поверхности облаков. В верхних слоях венерианской атмосферы, так же, как и в атмосфере Земли, температура низка и мало меняется в течение суток.
Это явление аналогично потемнению диска к краю у Солнца и свидетельствует об увеличении температуры с глубиной. На краю диска излучение приходит из более высоких и холодных слоев атмосферы.
Области планеты Меркурий, где Солнце проходит в зените, нагреваются от +340^oC (планета в афелии) до +430^oC (если планета в перигелии), а ночью поверхность охлаждается до -170^oC. Такой большой перепад температур объясняется близостью планеты к Солнцу и отсутствием у нее атмосферы.
Юпитер, Сатурн и Нептун излучают в космос значительно больше энергии, чем получают ее от Солнца.
Юпитер излучает тепла в 2,7 раза больше, чем получает, за счет медленного сжатия и, предположительно, за счет термоядерных реакций.
Сатурн излучает в 2,5 раза больше энергии, получаемой им от Солнца. Избыток энергии превышает тот, который может быть получен за счет сжатия и радиактивного распада. Интересно, что Уран, расположенный между Сатурном и Нептуном, излучает столько же энергии, сколько получает от Солнца.
Планета Плутон излучает всего 60% той энергии, которую она получает от Солнца. Остальные 40%, вероятно, расходуются на какие-то процессы в кристаллической "коре" планеты.
Юпитер является единственной планетой Солнечной системы, о которой еще до полетов космических аппаратов было известно, что она обладает магнитосферой. Анализ нетеплового излучения Юпитера, обнаруженного радиоастрономическим методом в 1955 году, показал, что оно является синхротронным излучением релятивистских электронов, движущихся по спиральным траекториям вдоль силовых линий.
Планеты Земля, Юпитер, Сатурн и Уран имеют заметные магнитные поля.
Магнитное поле связано с движением заряженных частиц. Причиной очень слабого магнитного поля Венеры (в 10⁵ раз меньше земного), по-видимому, является очень медленное ее вращение, в результате чего магнитное поле почти не генерируется в жидком ядре планеты.
У планеты Уран полярность поля магнитосферы меняется за половину оборота планеты, то есть за 8,62 часа. Причиной этого является наклонение оси дипольного магнитного поля Урана к его оси вращения на 60^o.
Самое мощное радиоизлучение у планеты Юпитер. Оно превышает радиоизлучения всех других небесных тел, за исключением Солнца. Радиоизлучение Юпитера возникает в протяженной магнитосфере, состоящей из заряженных элементарных частиц, удерживаемых магнитным полем планеты.
Третьим объектом в Солнечной системе, имеющим мощное радиоизлучение, является Земля. Радиоизлучение Земли возникает в результате работы многочисленных радио- и телепередающих станций.
Планета Уран имеет самую узкую систему колец, шириной всего 9,3 тысячи километров. Кольца расположены близко к планете.
Кольца Урана, открытые в 1977 году, оказались более темными, чем сажа. Темный цвет поверхности составляющих колец элементов (глыб, камней), возможно, объясняется постоянной бомбардировкой их заряженными частицами магнитосферы.
Спутники не обнаружены у самых близких к Солнцу планет - Меркурия и Венеры. Самое большое число спутников, по более чем полутора десятков, у Юпитера и Сатурна. Почти такое же количество спутников у Урана. Новые слабые спутники планет-гигантов открывают почти каждый год.
По оценкам, около 10% всех звезд Галактики обладают темными спутниками, в том числе и планетами. Но из-за их слабого излучения они при современном развитии астрономической техники не могут быть видимы с Земли. Обнаруживают темные спутники по периодическим изменениям положения звезды вокруг общего центра масс или периодическим смещениям в спектре звезды из-за эффекта Доплера.

Версия для печати