Лекция 4. Теория возникновения и эволюция Солнечной системы, строение Солнечной системы. Планеты Земной группы, планеты-гиганты

Движение и строение Солнечной системы

Из предыдущих лекций нам уже известно, что Вселенная образовалась в результате Большого взрыва и сейчас мы находимся в процессе ее расширения, Вселенная движется.

Солнечная система сформировалась примерно 13 млрд. лет назад из грязепылевого облака. Центральное место в составе Солнечной системы принадлежит Солнцу – единственной звезде, вокруг него движутся остальные небесные объекты.

Кроме Солнца в состав Солнечной системы входят планеты. Это твердые космические объекты, которые самостоятельно не светятся, а только отражают свет небесного светила. 

Солнечная система не стационарна, она вращается вокруг ядра Галактики Млечный путь, в состав которой она и входит со скоростью вращения 250 км/с. Чтобы совершить один полный оборот требуется 1 галактический год, который равен 225 миллионам земных лет.

 Как мы уже говорили положение Солнечной системы не является постоянным: она находится в постоянном перемещении относительно ближних звезд, межзвездного газа, и наконец, вокруг центра Млечного пути. Впервые движение Солнечной системы в Галактике было замечено Уильямом Гершелем.

Движение относительно ближних звезд. Скорость передвижения Солнца к границе созвездий Геркулеса и Лиры 20 км/с. Вектор скорости направлен к так называемому апексу.

Движение относительно видимых звезд. Отдельно измеряется передвижение Солнца по отношению к ярким звездам, которые можно увидеть без телескопа. Это — показатель стандартного передвижения Солнца. Скорость такого передвижения составляет 15 км/с. Ниже на рисунке представлена схематично карта ближайших видимых звезд и движение Солнца относительно них. 

По отношению к межзвездному пространству Солнечная система двигается уже быстрее, скорость составляет 22-25 км/с. На рисунке 2 показана модель движения Солнечной системы относительно межзвездного пространства.  

Солнечная система также движется относительно центра нашей Галактики. Она перемещается по направлению к созвездию Лебедя. Скорость составляет около 200 км/с. Для полного оборота необходимо 220 млн. лет.

Наша Галактика также не стоит на месте, а сближается с галактикой Андромеды со скоростью 100-150 км/с. Группа галактик, в которую входит и Млечный путь, движется к большому скоплению Девы со скоростью 400 км/с. Сложно себе представить, а еще сложнее рассчитать, как далеко мы перемещаемся каждую секунду. Расстояния эти — огромны, а погрешности в таких расчетах пока еще достаточно велики.

На следующем видео вы подробнее сможете рассмотреть визуализацию движения Солнечной системы.

Солнечная система — звёздная система в галактике Млечный Путь, включающая Солнце и естественные космические объекты, обращающиеся вокруг него: планеты, их спутники, карликовые планеты, астероиды, метеороиды, кометы и космическую пыль. Планеты, входящие в состав Солнечной системы: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон.

Плутон до 2006 года считался полноценной 9 планетой Системы, а после уточненных параметров получил статус «карлика». В 2016 году ученые-астрономы заявили, что возможно в Солнечной системе есть еще одна планета, расположившаяся на окраине, примерно в 90 миллиардах км от Солнца. Для одного оборота вокруг небесного Светила ей требуется 10-20 тысяч лет. Однако данная теория еще не доказана.

На рисунке 3 показана очередность планет по удалению от Солнца. Интересно, что названия планет пришли к нам из римской культуры. Римляне дали имена этим планетам опираясь на их движение и внешний вид. И уже из римской культуры эти названия распространились и адаптировались в других культурах. Почему же Земля названа Землей? Древние римляне считали, что на небе живут боги, а здесь, на земле-люди. Поэтому такое "земное" название появилось у нашей планеты.

Наименьшая планета, которая находится ближе всех к Солнцу. Меркурий - это римский быстроногий бог-покровитель торговли, прибыли, обогащения. Именно за то, что Меркурий быстрее других планет движется по небу, он получил имя этого древнеримского божества. Венера - самая яркая планета на небе получила название в честь римской богини любви и красоты, плодородия и процветания. И это единственная планета в Солнечной системе, которую назвали в честь женского божества. Марс назван в честь древнеримского бога войны. Однако изначально Марс был богом плодородия, и лишь позднее стал олицетворяться с греческим богом войны Аресом. Сатурн вторая по величине планета Солнечной системы получила свое название в честь очень почитаемого среди римлян бога земледелия. По легенде, этот бог научил людей строить дома, выращивать растения и обрабатывать землю. Самая большая планета Солнечной системы Юпитер  получила имя в честь верховного бога Юпитера, бога неба и света. Оставшиеся три планеты: Уран, Нептун и карликовая планета Плутон из-за удаленности от Земли, были обнаружены значительно позже, поэтому имена им дали уже не римляне.

Нв следующем видео вы подробнее можете рассмотреть положение Солнечной системы в галактике Млечный путь.

Планеты Солнечной системы разделяют на два типа: первый — земной группы (относительно небольшие и плотные, состоят из металлов и минералов), а второй — планеты-гиганты (во много раз больше других планет, они состоят из газов и льда). На рисунке 4 приведена данная классификация. 

Орбита Земли делит солнечную систему на две условные области. Во внутренней находятся ближайшие к Солнцу планеты — Меркурий и Венера. Во внешней области — более удалённые от Солнца, чем Земля: Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Пространство между орбитами Марса и Юпитера, а также за Нептуном (пояс Койпера) занимают малые небесные тела: малые планеты и астероиды. Также по пространству Солнечной системы курсируют кометы и потоки метеороидов. 

Все планеты Солнечной системы осуществляют движение по своей траектории в направлении вращения Солнца. Скорость движения планеты меняется в зависимости от того в какой точке она находится, чем ближе к Солнцу тем скорость больше, чем дальше от него тем соответственно медленнее движется планета. Поэтому продолжительность сидерического периода, напрямую зависит от расстояния, на котором располагается планета относительно Солнц. Чем дальше планета находится от звезды, тем меньше на ее оказывает влияние гравитация, скорость движения уменьшается и планетарный год становится длиннее. Орбиты абсолютно всех планет имеют форму вытянутого круга, и насколько велика эта вытянутость, определяется эксцентриситетом, если эксцентриситет очень маленький (почти ноль) форма наиболее приближена к кругу. Траектории движения с эксцентриситетом близким к единице имеют форму эллипса. К примеру, орбиты многочисленных спутников и экзопланет пояса Койпера имеют форму эллипса, а все орбиты планет Солнечной системы почти абсолютно круглые. Рассмотрите рисунок 5, на нем схематично приведены орбиты планет Солнечной системы. 

Обратите внимание, что орбита Плутона отличается от орбит других планет. Её центр сильно смещен и она сильно наклонена по отношению к плоскости вращения других планет, это приводит к тому, что Плутон временами оказывается ближе к Солнцу чем планета-гигант Нептун.

Давайте подробнее поговорим о планетах Солнечной системы и разберемся в чем заключается отличие планет земной группы от планет-гигантов. 

1. Размер и масса. Уже по слову «гиганты» становится понятно, что небесные объекты этой группы значительно больше. Самая маленькая планета-гигант – Нептун, но даже его радиус в четыре раза превосходит земной. Для сравнения, радиус Земного шара – 6371 км, Нептуна – 24622 км. Юпитер по праву считается самой большой планетой Системы. Его радиус 69,911 тыс. км, масса – 1,9*1027 кг. По массе он в 318 раз превосходит Землю.
2. Твердая оболочка. У больших планет в составе преобладают газы, именно поэтому их часто именуют «газовыми гигантами». Приближаясь к центру планеты, плотность атмосферы повышается, постепенно газы превращаются в жидкость. Тем не менее, четко выделенной границы между атмосферой и океаном у гигантов не существует. Считается, что под океаном сосредоточен металлический водород, а глубже – твердой ядро. 
3. Спутники – у земных планет они маленькие. У Марса 2 спутника, у Земли – 1, у остальных планет этой группы они вообще отсутствуют. У газовых гигантов насчитывается по несколько десятков крупных спутников. На первом месте по количеству спутников (82 шт.) – Сатурн. Размеры спутника Юпитера Ганимеда и Сатурна Титана превышают Меркурий.
4. Система колец есть только у гигантов. Кольца Сатурна открыли примерно в XVII веке. О существовании остальных систем колец узнали лишь во II половине ХХ века.
5. Плотность планет-гигантов значительно меньше. Это объясняется их газовым составом. Плотность Сатурна в 1,5 меньше чем у воды.

Меркурий

Самая близкая к Солнцу и самая маленькая планета солнечной системы — Меркурий (рисунок 6) лишь немного больше Луны. Меркурий получает в семь раз больше тепла и света, чем Земля, так как находится на расстоянии 58 млн. км от Солнца, поэтому температура его поверхности колеблется от +430°C днём до −190°C ночью. Это самый большой температурный перепад в солнечной системе. 

Несмотря на то что люди наблюдали Меркурий на небе с древнейших времён, известно о нём немного. Первый снимок его поверхности был получен только в 1974 году (рисунок 7). Она оказалась покрыта многочисленными кратерами и скалами. Атмосфера практически отсутствует — возможно, причиной тому солнечное излучение, а может быть, небесное тело такого размера просто не в состоянии удерживать плотную газовую оболочку. 

Поскольку для оборота вокруг Солнца Меркурию нужно пройти гораздо меньшее расстояние, чем Земле, год на нём значительно короче — всего 88 земных суток. За один меркурианский день успевает пройти более двух местных лет. Поскольку ось вращения планеты почти не наклонена, год на ней не делится на сезоны. 

У Меркурия есть металлическое ядро, которое составляет почти половину объема планеты. Это дает ему большую массу и сильную гравитацию, больше чем можно было ожидать. На Меркурии ваш вес составил бы 38% от веса на Земле.

Венера

Венера — вторая планета от Солнца и ближайшая к Земле. Венеру (рисунок 8) иногда называют «близнецом» нашей планеты: её размеры и масса очень близки к земным (радиус Венеры всего на 650 км меньше, чем радиус Земли, а масса  составляет 81,5% массы Земли.). Однако на этом сходство заканчивается.

Венера окутана очень плотным слоем облаков, за которыми невозможно разглядеть поверхность. Из-за парникового эффекта она нагревается до 480°C — абсолютный рекорд для солнечной системы (Венера самая "горячая" планета Солнечной системы). Облака проливаются кислотными дождями и пропускают только 40% солнечного света, поэтому на планете царит вечный сумрак.

Из-за сильнейшего атмосферного давления (как на глубине 900 метров в земных океанах) ни один исследовательский аппарат, отправленный на Венеру, не просуществовал дольше двух часов (рисунок 9). Тем не менее учёным удалось узнать, что атмосфера планеты на 94% состоит из углекислого газа, а состав грунта не отличается от других планет земной группы. На Венере много вулканов, но почти нет кратеров — все метеориты сгорают в плотной атмосфере.

День на Венере длится дольше, чем на любой другой планете — около 243 земных суток. Продолжительность года чуть уступает дню — 225 земных суток. Как и на Меркурии, сезонов на Венере нет. 

Облака Венеры хорошо отражают солнечный свет, поэтому на земном небе планета светится ярче других. Возможно, именно поэтому древние римляне связали её с богиней красоты и любви.  Интересно то, что Венера вращается в обратном направлении, по сравнению со всеми другими планетами в Солнечной системе. Все планеты вращаются в направлении против часовой стрелки, она же вращается по часовой стрелке.

Земля

Земля — третья планета от Солнца и крупнейшая в земной группе (рисунок 10). Уникальные условия Земли позволили развиться на планете жизни.

Атмосфера Земли состоит из азота (78%), кислорода (21%), углекислого и других газов (1%). Кислород и азот — необходимые вещества для строительства ДНК. Озоновый слой атмосферы поглощает солнечную радиацию. Кислород на Земле синтезируют растения из углекислого газа. Не будь их, наша планета напоминала бы Венеру. С другой стороны, некоторое количество CO2 в атмосфере обеспечивает на Земле комфортную для жизни температуру. 

70% поверхности Земли покрыты водой. В отличие от Луны и Меркурия, на Земле очень мало кратеров. Учёные считают, что они исчезли под воздействием ветра и эрозии почвы. 

Из-за наклона Земной оси (23,45°) на Земле хорошо различимы сезоны года. Для оборота вокруг своей оси Земле требуется чуть менее 24 часов — это самый короткий день среди планет земной группы.

Земля имеет спутник — Луну. Её размер составляет ¼ земного диаметра, что довольно много для спутника. Притяжение Луны влияет на земную воду, вызывая приливы и отливы. Вращение Луны вокруг своей оси и вокруг Земли синхронно, поэтому Луна всегда обращена к Земле только одной стороной. 

Марс

Марс — четвертая планета от Солнца — меньше Земли почти в два раза. Долгое время считалось, что на красной планете существует жизнь. Люди наблюдали на его поверхности объекты, казавшиеся им постройками, дорогами и даже гигантскими скульптурами. Однако на поверку марсианская цивилизация оказалась обманом зрения. Многочисленные исследовательские миссии пока тоже не подтвердили наличие какой-либо жизни на поверхности планеты.

Атмосфера Марса по составу напоминает венерианскую — 95% углекислого газа. Но поскольку она очень тонкая и разреженная, парникового эффекта не возникает, поэтому максимальная температура поверхности планеты — около 0°C, а атмосферное давление в 160 раз меньше, чем на Земле. В составе марсианской атмосферы есть водяной пар, а на полюсах лежат шапки ледников, но жидкой воды на поверхности нет.

И всё же учёные считают Марс самой перспективной планетой для освоения, поскольку погодные условия на ней довольно приемлемы для человека. Если не считать низкое содержание кислорода в атмосфере, радиацию и пылевые бури, длящиеся по несколько месяцев. На Марсе находится самая высокая гора в солнечной системе — вулкан Олимп, высота которого 27 километров. Это в три раза выше Эвереста, высочайшей горы Земли. 

Из-за удалённости от Солнца год на Марсе почти в два раза длинней земного. Скорость вращения вокруг своей оси почти такая же, как на Земле, так что сутки длятся 24 часа 40 минут. Наклон оси Марса составляет 25,2°, а значит, на нём, как и на Земле, существуют сезоны. 

Марс имеет два спутника — Фобос и Деймос, представляющие собой бесформенные каменные глыбы сравнительно небольших размеров. Из-за красного цвета древние римляне назвали планету именем бога войны. 

Юпитер

Юпитер, самая большая из планет-гигантов, отделена от Марса поясом астероидов. Масса Юпитера в два раза больше, чем масса всех остальных планет, лун, комет и астероидов системы вместе взятых. Газовый гигант в 2,5 раза более массивный, чем все планеты вместе взятые или в 317 раз больше Земли. По яркости на земном небе он уступает только Венере. Люди наблюдали его с древнейших времён и связывали с сильнейшими богами своих пантеонов. Юпитер — имя римского царя богов. 

Юпитер является газовым гигантом. Коричневые и белые полосы — это облака соединений серы, которые движутся в атмосфере планеты с чудовищной скоростью. Большое красное пятно Юпитера — гигантский вихрь. С момента его обнаружения в 1664 году он стал заметно меньше, но и теперь в несколько раз превосходит Землю по размерам. 

О структуре планеты учёные пока только догадываются. Предположительно она состоит из газов, плавно переходящих в металлическое состояние по мере приближения к ядру. Считается, что ядро Юпитера каменное. Сильнейшее в системе магнитное поле Юпитера воздействует на частицы в миллионах километрах вокруг и даже достигает орбиты Сатурна. Это одна из причин огромного числа спутников у планеты.

Около Юпитера побывало несколько космических зондов, которые изучали его с пролетной траектории. А космический аппарат Галилео, выйдя на его орбиту, изучал его в течение нескольких лет. Самым последним был зонд «Новые Горизонты». После пролета планеты, зонд получил дополнительное ускорение и направился к своей конечной цели — Плутону.

В 1610 году астроном Галилео Галилей обнаружил четыре крупнейших спутника Юпитера (рисунок 15). В наше время известно 79 объектов, вращающихся вокруг планеты. Некоторые из них напоминают Луну, другие выглядят как большие астероиды. Особый интерес представляет Ио — планета с мощнейшими в системе вулканами. Более мелкие частицы образуют вокруг Юпитера кольца, хотя они не так заметны, как у соседнего Сатурна.

У Юпитера есть кольца. Они не такие большие и красивые как у Сатурна, потому что тоньше и слабее. Несмотря на то, что планета Юпитер размер имеет поистине огромный, ему не хватило массы, чтобы стать полноценной звездой.

Атмосфера планеты огромна, ее химический состав это 90% водорода и 10% гелия. В отличие от Земли, Юпитер — газовый гигант и не имеет четкой границы между атмосферой и остальной частью планеты.Юпитер содержит небольшие количества таких соединений как метан, аммиак, сероводород, и вода. Эта смесь химических соединений и элементов, вносит свой вклад в формирование красочных облаков, которые мы можем наблюдать в телескопы. Однозначно сказать какого цвета Юпитер нельзя, но примерно он рыже-белый в полоску.

Сатурн

Шестая планета от Солнца. Как и спутники Юпитера, Сатурн был обнаружен Галилеем в начале XVII века. На сегодняшний день эта планета остаётся одной из наименее изученных. 

Атмосфера Сатурна состоит из водорода (96%) и гелия (4%) с незначительными вкраплениями других газов. Скорость ветра на Сатурне достигает 1 800 км/ч — это самые сильные ветра в системе. Облака в его атмосфере тоже образуют полосы и пятна гигантских вихрей, хоть и менее заметные, чем на Юпитере. 

О происходящем за атмосферным слоем планеты известно мало. Предположительно, в центре находится металлосиликатное ядро, окружённое спрессованными до состояния металла газами, плотность которых уменьшается по мере удаления от ядра.

Планета находится в 9,5 раз дальше от Солнца, чем Земля, и делает оборот вокруг звезды за 29,5 земных лет. Наклон оси Сатурна напоминает земной. По скорости вращения вокруг своей оси Сатурн уступает только Юпитеру. Как и у других газовых гигантов, скорость вращения на разных широтах у планеты разная. Это происходит потому, что поверхность Сатурна текучая, а не твёрдая. Плотность Сатурна так мала, что он мог бы плавать на поверхности воды. 

Главная особенность Сатурна — впечатляющая система из семи колец. Они состоят из миллиардов ледяных осколков, которые отлично отражают свет, а потому хорошо заметны. Радиус колец огромен — 73 000 километров, а толщина — всего 1 километр. Считается, что эти кольца — осколки спутника, разрушенного гравитацией планеты. 

Недавние исследования показали, что вокруг Сатурна вращаются 82 спутника — на данный момент это рекорд солнечной системы (до 2016 года лидером считался Юпитер). Все спутники покрыты льдом. Крупнейший, Титан, имеет плотную азотистую атмосферу и озёра жидкого метана на поверхности. На другом спутнике, Энцеладе, обнаружена жидкая вода, выталкиваемая на поверхность гейзерами. Это делает его крайне интересным объектом для изучения. 

Уран

Седьмая планета от Солнца. Уран был открыт сравнительно недавно — в 1781 году. В 1986 году его достиг единственный космический аппарат — «Вояджер-2». 

Атмосфера планеты окрашена в однородный сине-зелёный цвет. Учёные предполагают, что такой её делает метан. Ядра Урана и Нептуна предположительно состоят изо льдов, поэтому их называют «ледяными гигантами». Уран — самая холодная планета в системе: средняя температура его поверхности составляет −224°C. Скорость ветра на Уране достигает 900 км/ч. Солнечный свет летит до Урана чуть менее трёх часов, а год на планете равен 84 земным. 

Как и Сатурн, Уран окружён кольцами. Они не столь яркие и расположены под углом около 90° к орбите, в то время как сама планета вращается «на боку» (угол отклонения оси — 99°). В результате половину уранианского года на южном полушарии длится день, а на южном — ночь. А следующие полгода — наоборот. 

Подобно Венере, Уран вращается вокруг своей оси по часовой стрелке. На настоящий момент известно 23 спутника Урана, все покрыты льдом. 

Нептун

Нептун находится так далеко, что его нельзя увидеть с Земли невооружённым глазом. Он был открыт в 1846 году, когда астрономы искали планету, вызывающую орбитальные отклонения Урана. 

Достоверные данные о Нептуне получены «Вояджером-2» в 1989 году. Верхние слои его атмосферы состоят из водорода (80%), гелия (19%) и метана (1%). Именно обилием метана объясняется сине-голубое свечение планеты. 

Раз в несколько лет в атмосфере планеты появляются и исчезают тёмные пятна штормов. Предположительно в центре Нептуна — ледяное ядро, а мантия состоит из жидкой смеси воды и аммиака. Средняя температура поверхности — −214°С. 

Солнечный свет достигает Нептуна почти за 5 часов, а нептунианский год равен 165 земным. Полный оборот вокруг своей оси планета делает довольно быстро — сутки длятся всего 17 часов. Наклон оси Нептуна близок к земному — 28°. 

На настоящий момент учёные знают о 14 спутниках Нептуна, лишь один из которых (Тритон) обладает сферической формой. Это единственный в системе крупный спутник с обратным вращением. У Нептуна есть три кольца, хотя выражены они слабо. 

В следующем видео представлены масштабы Солнечной системы.

А сейчас, для успешного выполнения теста необходимо выполнить два задания!

Задание № 1

Перейдя по ссылке вы попадете на интерактивную карту Солнечной системы "Сравнение размеров космических объектов". Благодаря ей вы сможете визуально сравнить размеры космических объектов Солнечной системы. С помощью этой карты вам необходимо найти отношение (деление в математике) диаметра Юпитера (самая большая планета Солнечной системы) к диаметру Меркурия (самая маленькая планета Солнечной системы).Полученный ответ округлите до целого значения. $\frac{D_{Юп}}{D_{Мер}}=$...

ССЫЛКА НА ЗАДАНИЕ ЗДЕСЬ.

Задание № 2 

С помощью мыши (перетаскиванием) выполните задание. После выполнения нажмите кнопку "Check", это позволит вам проверить себя.

Помимо планет и их спутников, в солнечную систему входит множество малых небесных тел — карликовых планет, астероидов, комет и метеороидов. Но это уже следующая лекция! 

Список использованных источников:

1. Астрономия. 10-11 классы : учеб. для общеобразоват. организаций : базовый уровень / В.М. Чаругин. – М. : Просвещение, 2018. – 144 с. : ил. – (Сферы 1-11) – ISBN 978-5-09-053903-6
2. Мякишев Г.Я. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. организаций с прил. на электрон. носителе: базовый и профил. уровни/ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин; под ред. Н. А. Парфентьевой. – 23-е изд. М.: Просвещение, 2014. – 399 с., [4] л. ил. – (Классический курс). – ISBN 9798-5-09-032373-4.
3. https://dzen.ru/a/XpHt4lFx0zluug2P 
4. https://spacegid.com/chto-v-tsentre-nashey-galaktiki.html 
5. https://100urokov.ru/predmety/solnechnaya-sistema