18. Планетология

Теории происхождения солнечной системы (Койпер, Хойл, Шмидт).

Гипотеза Дж. П. Койпера (американский астроном): Солнце образовалось в очень плотном облаке и при этом осталась туманность в форме диска радиусом в несколько десятков астрономических единиц и с большой массой, которая вращалась вокруг Солнца и из которой в дальнейшем и сформировались планеты.

Гипотеза О. Ю. Шмидта (советский ученый): в 1944 г. предложил теорию происхождения Солнечной системы: Солнце, путешествуя по Галактике, проходило сквозь газопылевое облако и увлекло часть его за собой. Впоследствии твердые частицы облака подверглись слипанию и превратились в планеты, изначально холодные. Разогревание этих планет произошло позже в результате сжатия, а также поступления солнечной энергии. Разогрев Земли сопровождали массовые излияния лав на поверхность в результате вулканической деятельности. Благодаря этому излиянию сформировались первые покровы Земли.

Гипотеза Ф. Хойла (английский астрофизик): в 1944 г. предложил теорию, согласно которой у Солнца была звезда-близнец, которая взорвалась. Бо́льшая часть осколков унеслась в космическое пространство, ме́ньшая - осталась на орбите Солнца и образовала планеты. В 1960 г. предложил еще одну гипотезу о формировании планет из холодного межзвездного вещества.

Планеты земной группы и планеты-гиганты: физические характеристики, атмосферы, рельеф поверхности, строение недр, спутники.

Планеты земной группы - 4 планеты Солнечной системы: Меркурий, Венера, Земля и Марс; резко отличаются по элементному составу от Солнца и совершенно не соответствуют сред­ней космической распространенности элементов - очень мало водо­рода, инертных газов, включая гелий.

Меркурий

Физические характеристики:

- масса (m) – 0,055 m♁(6*10²⁴ кг);

- среднее расстояние от Солнца (R_ср.) – 0,39 а.е. (58 млн. км);

- орбитальная скорость (v_ср.) – 48 км/сек;

- длина года (t ) – 88 сут.;

- длина дня (t_осевое) – 58,6 сут.;

- радиус (r) – 2440 км.;

- плотность (ρ) – 5,4 г/см³;

- ускорение свободного падения (g) – 3,7 м/с².

Атмосфера: нет (только следы), t˚ поверхности от -180˚C (ночная сторона) до + 430˚C (дневная).

Рельеф поверхности: кратеры (более густо усеянные кратерами участки являются более древними, а менее густо - более молодыми), самый крупный – кратер Рембрандта (d=716 км).

Строение недр:

- кора: толщина 200 км;

- силикатная мантия: толщина 600 км;

- крупное железное ядро: радиус 1800 км.

Спутники: нет.

Венера

Физические характеристики:

- масса (m) – 0,08 m♁;

- среднее расстояние от Солнца (R_ср.) – 0,72 а.е. (108 млн. км);

- орбитальная скорость (v_ср.) – 35 км/сек;

- длина года (t ) – 225 сут.;

- длина дня (t_осевое) – 243 сут.;

- радиус (r) – 6050 км.;

- плотность (ρ) – 5,24 г/см³;

- ускорение свободного падения (g) – 8,9 м/с².

Атмосфера: 96% - CO₂, 4% - N₂; облака – капельки серной кислоты H₂SO₄; парниковый эффект (блокирование выхода тепла изнутри и притока прохладного снаружи) t˚ поверхности 500˚C.

Рельеф поверхности: кратеры, горы (возвышаются на 11 км над средней поверхностью), ≈1000 действующих вулканов, кора постоянно обновляется.

Строение недр:

- кора: толщина 16 км;

- силикатная мантия: до глубины ≈3300 км;

- железное ядро: радиус ≈2700 км.

Спутники: нет.

Земля

Физические характеристики:

- масса (m) – 1 m♁;

- среднее расстояние от Солнца (R_ср.) – 1 а.е. (150 млн. км);

- орбитальная скорость (v_ср.) – 30 км/сек;

- длина года (t ) – 365,25 сут.;

- длина дня (t_осевое) – 24 часа;

- радиус (r) – 6370 км.;

- плотность (ρ) – 5,5 г/см³;

- ускорение свободного падения (g) – 9,8 м/с².

Атмосфера: 78% азот, 21% кислород, 1% - аргон и незначительные доли других газов (водород, углекислый газ, гелий, неон, озон и др.); наличие озонового слоя (O₃), который задерживает жесткое ультрафиолетовое излучение; есть сезоны (лето, осень, зима, весна).

Отличительной особенностью является наличие гидросферы.

Рельеф поверхности: самые крупные формы - материки (5) и океанические впадины; вулканы, горы (12 – высотой более 8 км: н-р, Эверест), равнины и др.

Строение недр:

- кора: океаническая 5-20 км, континентальная 35-70 км; SiO₂, Al₂O₃, FeO, CaO, MgO.

- мантия: (до 2900 км) ;

- ядро: радиус ≈3500 км, внешнее (окислы железа) и внутреннее (железо);

Спутники: Луна (в 81 раз меньше по массе, чем Земля), влияет на приливы и отливы.

Марс

Физические характеристики:

- масса (m) – 0,11 m♁;

- среднее расстояние от Солнца (R_ср.) – 1,52 а.е. (228 млн. км);

- орбитальная скорость (v_ср.) – 24 км/сек;

- длина года (t ) – 687 сут.;

- длина дня (t_осевое) – 24 часа 40 мин.;

- радиус (r) – 3390 км.;

- плотность (ρ) – 3,9 г/см³;

- ускорение свободного падения (g) – 3,7 м/с².

Атмосфера: 95% - CO₂, 3% - N₂, 1% - Ar, доли процента: O₂, H₂O (пар), CO, NO, Ne; есть сезоны (лето, зима…); ночью холодно (из-за слабой атмосферы).

Рельеф поверхности: 2/3 поверхности - светлые области («материки»), ≈1/3 темные участки («моря»); южное полушарие усеяно кратерами, а северное, в основном, равнинно; полярные шапки (вода и замерзшая углекислота); вода, видимо в подпочвенном слое.

Строение недр:

- кора: средняя толщина 50 км;

- силикатная мантия: толщина 1800 км;

- маленькое металлическое ядро: радиус 1480 км;

Спутники: Фобос и Деймос (наподобие астероидов).

Планеты-гиганты - четыре планеты Солнечной системы: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун; расположены за пределами планет земной группы; Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий в той же пропорции, что и Со­лнце; в недрах Урана и Нептуна, по-видимому, больше тяжелых элементов.

Юпитер

Физические характеристики:

- масса (m) – 318 m♁;

- среднее расстояние от Солнца (R_ср.) – 5,2 а.е.;

- орбитальная скорость (v_ср.) – 13,7 км/сек;

- длина года (t ) – 11,8 лет;

- длина дня (t_осевое) – 10 час.;

- радиус (r) – 70000 км.;

- плотность (ρ) – 1,33 г/см³;

- ускорение свободного падения (g) – 25,8 м/с².

Атмосфера (≈500 км): 90% - H₂, 10% - He, доли процента: D, H₂O, CH₄, NH₃, C₂H₆; непрозрачна; вихри (крупнейший – Большое красное пятно ≈300 лет), ветры, бури и молнии; выделяют пояса (более темные полосы) и зоны (светлые, более холодные); средняя t˚_атм.≈-200˚C.

Рельеф поверхности: вся поверхность под атмосферой – огромный океан сжиженного молекулярного H₂ (твердой поверхности нет).

Строение недр:

- слой сжиженного молекулярного H₂ (25 тыс. км);

- слой жидкого металлического H₂ (32 тыс. км): давление 3 млн. атмосфер;

- железно-силикатное ядро (12 тыс. км): давление 30-100 млн. атмосфер, t=30000˚C.

Спутники: 64; Галилеевы (легко различить даже в телескоп; чем дальше, тем < ρ и >H₂O) – Ио, Европа, Ганимед, Каллисто; и др. (Амальтея, Адрастея, Пасифе); у Юпитера есть кольца.

Сатурн

Физические характеристики:

- масса (m) – 95 m♁;

- среднее расстояние от Солнца (R_ср.) – 9,5 а.е.;

- орбитальная скорость (v_ср.) – 9,7 км/сек;

- длина года (t ) – 29,5 лет;

- длина дня (t_осевое) – 10 час. 13 мин.;

- радиус (r) – 60000 км.;

- плотность (ρ) – 0,7 г/см³;

- ускорение свободного падения (g) – 11,3 м/с².

Атмосфера: 96% - H₂, 3% - He, доли процента: CH₄, NH₃, PH₃, C₂H₆, NH₄SH, H₂O и др.; средняя t˚_атм.≈-180˚C, v_{движения газа}=500 м/с

Рельеф поверхности: вся поверхность под атмосферой – слой сжиженного молекулярного H₂ (твердой поверхности нет).

Строение недр (имеется магнитосфера):

- слой сжиженного молекулярного H₂ (≈30 тыс. км);

- слой жидкого металлического H₂ (16 тыс. км): давление 3 млн. атмосфер;

- ядро (12,5 тыс. км): железо, камень; давление 3 млн. атмосфер, t=12000˚C; излучаемая в космос энергия в 2,5 раза больше получаемой от Солнца.

Спутники: 62 (например, Титан: половина водяного льда, половина – скальные породы); есть кольца (из льда и камней): d=250 тыс. км, толщина = 1 км.

Уран

Физические характеристики:

- масса (m) – 15 m♁;

- среднее расстояние от Солнца (R_ср.) – 19 а.е.;

- орбитальная скорость (v_ср.) – 6,8 км/сек;

- длина года (t ) – 84 года;

- длина дня (t_осевое) – 10 час. 50 мин.;

- радиус (r) – 25000 км.;

- плотность (ρ) – 1,3 г/см³;

- ускорение свободного падения (g) – 9,0 м/с².

Атмосфера (5 тыс. км): синий оттенок; 83% - H₂, 15% - He, 2% - CH₄, доли процента: C₂H₆, CH₃C₂H, NH₄SH, H₂O и др.; штормы (крупный – Большое темное пятно), скорость ветров до 600 м/с.

Рельеф поверхности: поверхность под атмосферой – «океан водного аммиака» (твердой поверхности нет).

Строение недр (имеется магнитосфера):

- «океан водного аммиака» (15 тыс. км): смесь воды, аммиака и метана (иногда называют «ледяной оболочкой»); жидкость, обладающая высокой электропроводностью;

- каменное ядро (5 тыс. км): ρ=9 г/см³.

Спутники: 27 (Ариэль, Умбриэль, Титания, Оберон - d≈1200 км), несущественная кольцевая система.

Нептун

Физические характеристики:

- масса (m) – 17 m♁;

- среднее расстояние от Солнца (R_ср.) – 30 а.е.;

- орбитальная скорость (v_ср.) – 5,4 км/сек;

- длина года (t ) – 165 лет;

- длина дня (t_осевое) – 15 час. 50 мин.;

- радиус (r) – 24000 км.;

- плотность (ρ) – 1,6 г/см³;

- ускорение свободного падения (g) – 11,6 м/с².

Атмосфера (2,5 тыс км): голубой цвет; 80% - H₂, 18% - He, 1% - CH₄, доли процента: C₂H₆, D, NH₃, NH₄SH, H₂O и др.; самая холодная планета Солнечной системы, скорость ветров до 230 м/с.

Рельеф поверхности: поверхность под атмосферой – «океан водного аммиака» (твердой поверхности нет).

Строение недр (имеется магнитосфера):

- горячая жидкая мантия (15 тыс. км): смесь воды, аммиака и метана; жидкость («ледяная оболочка»), обладающая высокой электропроводностью;

- ядро (5 тыс. км): железо, никель, силикаты; t=5500˚C.

Спутники: 13 (Нереида, Тритон, Галатея, Протей).

Астероиды и кометы.

Астероиды и кометы являются, вероятно, остатками материала, из которого сформировались планеты.

Астероиды - это твердые каменистые тела, которые подобно планетам движутся по околосолнечным эллиптическим орбитам. Первый астероид - Церера - был открыт итальянским астрономом Пиацци в 1801 г.

Орбиты астероидов более вытянуты, чем у планет, и пересекаются; они не имеют правильных форм; наблюдаются как точечные источники света; яркость большинства из них меняется за короткое время вследствие их вращения и неправильной формы. Диаметр Цереры -770 км, Паллады - 490, Весты - 380, Юноны - 170 км, а большинства других не превышает 10 км. Известно более 20000 астероидов.

Комета - небольшое небесное тело, имеющее туманный вид, обращающееся вокруг Солнца обычно по вытянутым орбитам; при приближении к Солнцу комета образует газовое облако неправильной формы (кому) и иногда пылевой и газовый хвост; вдали от Солнца у комет нет никаких атмосфер и они ничем не отличаются от обычных астероидов. Практически вся масса вещества кометы заключена в ее ядре (но она примерно в миллиард раз меньше массы Земли). В телескоп наблюдается как туманное пятнышко.

Комета Галлея - яркая короткопериодическая комета, возвращающаяся к Солнцу каждые 75-76 лет. Является первой кометой, для которой определили эллиптическую орбиту и установили периодичность возвращений. С кометой связаны метеорные потоки; это единственная короткопериодическая комета, хорошо видимая невооружённым глазом.

Пояс Койпера и кольцо Оорта.

Пояс Койпера – это огромное скопление астероидов в Солнечной системе за Нептуном, образующее кольцо вокруг Солнца. Пояс Койпера состоит из миллионов каменных и металлических глыб, которые в 200 раз массивнее среднего объекта из пояса астероидов между Марсом и Юпитером. Плутон - крупнейший известный объект пояса Койпера. Первоначально он считался планетой, но, так как он принадлежит поясу Койпера, то был классифицирован как карликовая планета. Объекты пояса Койпера состоят главным образом из горных пород и летучих веществ (называемых льдами), таких как метан, аммиак и вода. Пояс Койпера в тысячу раз меньше облака Оорта.

Пояс Койпера - малоисследованный участок Солнечной системы: ученые ожидают прибытия зонда NASA «Новые горизонты» на Плутон лишь к началу 2015 г.

Облако Оорта - участок Солнечной системы, который, согласно теориям, является местом образования комет с долгим периодом обращения. Ученые предполагают, что облако расположено на расстоянии от 50 тыс. до 100 тыс. а. е. от нашего Солнца. Его внешние границы лежат на границе Солнечной системы, и миллиарды тел из облака Оорта гравитационно привязаны к светилу.

Облако Оорта, как предполагают, включает две отдельные области: сферическое внешнее облако Оорта и внутреннее облако Оорта в форме диска. Объекты в облаке в значительной степени состоят из водяных, аммиачных и метановых льдов. Астрономы полагают, что объекты, составляющие облако Оорта, сформировались около Солнца и были рассеяны далеко в космос гравитационными эффектами планет-гигантов на раннем этапе развития Солнечной системы. В 2008 г. астрономы привели доказательства происхождения объекта из внутреннего облака Оорта, что явилось первым подтвержденным фактом его существования.

Программы исследования Солнечной системы автоматическими зондами.

Автоматическая межпланетная станция (АМС), или автоматический зонд - беспилотный космический аппарат, предназначенный для полёта в межпланетном космическом пространстве (вне орбиты Земли) с выполнением различных поставленных задач.

АМС обычно предназначается для выполнения комплекса задач научно-исследовательской направленности. Типичными объектами для исследовательских задач являются другие планеты, их естественные спутники, кометы и другие объекты Солнечной системы. При этом обычно производится фотографирование, сканирование рельефа; измеряются текущие параметры магнитного поля, радиации, температуры; химический состав атмосферы другой планеты, грунта и космического пространства вблизи планеты; проверяются сейсмические характеристики планеты. Накопленные измерения периодически передаются на Землю с помощью радиосвязи. Большинство АМС имеют двунаправленную радиосвязь с Землёй, что даёт возможность использовать их как дистанционно управляемые приборы.

Сложные технологии межпланетных станций освоили всего несколько стран - СССР/Россия, США, Евросоюз, Япония, Китай, Индия. При этом к Марсу, Венере и кометам отправляли АМС только первые четыре, к астероидам - только США, Европа и Япония, к Меркурию и внешним планетам — только США. Ввиду значительной стоимости и высокой сложности межпланетных перелетов большие перспективы имеют международные проекты в этой области. К примеру, зонд нового поколения для исследования системы Юпитера планируется при совместном участии США, Евросоюза, России и Японии.

Первой автоматической межпланетной станцией была «Луна-1», пролетевшая вблизи Луны. Наиболее известными АМС являются аппараты серии «Вояджер», «Венера», «Луна», «Маринер», «Пионер», «Викинг», «Галилео», «Вега», «Кассини», «Новые горизонты». Рекорд по длительности работы показал Пионер-6, запущенный в 1965 г., последний сеанс связи с ним был проведён в 2000 г. Новым этапом в развитии АМС является применение ионных и плазменных электроракетных двигателей. Пример тому - миссия Dawn, исследующая пояс астероидов.