Планеты — гиганты

Содержание

• 1. Общая характеристика планет
• 2. Юпитер
• 3. Сатурн
• 4. Уран
• 5. Нептун
• Литература
• Приложения

1. Общая характеристика планет

Планетами называются большие небесные тела, которые движутся вокруг Солнца и светятся отраженным солнечным светом. Массой и размерами планеты на много порядков меньше, чем Солнце.

В древние времена выделяли семь небесных светил, которые изменяли свое положение среди звезд («блуждающих»): Солнце, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн. Считалось, что все эти светила, названные планетами, обращаются вокруг Земли. Лишь в начале XVI в. создатель гелиоцентрической системы мира Н. Коперник показал, что только Луна движется вокруг Земли, а остальные планеты, как и Земля, движутся вокруг Солнца, которое является центральным телом системы планет — Солнечной системы. Само Солнце не причисляется к планетам, оно является звездой, поскольку светится собственным, а не отраженным светом. Из числа планет древности была изъята и Луна — спутник Земли. Открытие еще трех планет Солнечной системы — Урана (1781 год, В. Гершель), Нептуна (1846 год, Дж. Адамс, У. Леверъе, И. Галле), Плутона (1930 год, П. Ловелл, К. Томбо) — стало сенсацией. На сегодняшний день известны девять больших планет. Кроме них были открыты несколько тысяч малых планет (астероидов), размерами они колеблются от нескольких сотен до 1 км и меньше. Движение астероидов происходит главным образом между орбитами Марса и Юпитера в так называемом «кольце астероидов».

Уже в древности планеты по характеру их движения среди звезд делились на нижние и верхние. К нижним планетам относятся Меркурий и Венера, движущиеся вокруг Солнца ближе, чем Земля; к верхним принадлежат все остальные планеты, орбиты которых расположены за пределами земной орбиты. Более глубокое научное значение имеет деление планет на внутренние и внешние. К внутренним относят планеты, движущиеся по орбитам внутри пояса малых планет. Это — Меркурий, Венера, Земля, Марс; они называются также планетами земной группы. Внешние планеты находятся за пределами кольца малых планет. Это — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Все они (кроме Плутона) из-за своих зачительных размеров называются также планетами-гигантами.

Между планетами и Солнцем действует взаимное притяжение, описываемое законом тяготения Ньютона. Движение планет вокруг Солнца происходит по эллиптическим орбитам в основном в соответствии со сравнительно простыми законами Кеплера.

Видимый блеск всех планет, известных с древности, не уступает блеску самых ярких звёзд, а блеск Венеры, Марса и Юпитера превосходит их. Из планет, открытых в новое время, только Уран доступен невооруженному глазу. Для нормального человеческого зрения все планеты представляются, как и звезды, светящимися точками, но уже с помощью небольшого телескопа можно увидеть диск у всех планет (кроме далекого Плутона), что впервые обнаружил в 1609 году Г. Галилей.

Радиолокация планет дает возможность установить расстояние до поверхности планет, небесно-механические же расчеты, основанные на анализе радиолокационных измерений за несколько лет, позволяют вычислить расстояния до центра планет. Разность тех и других расстояний равна радиусу планеты. Измерения видимого диаметра планеты в разных направлениях позволяют определить ее фигуру или, по крайней мере, сжатие у полюсов.

Изучение закономерностей движения спутников планет на основе закона всемирного тяготения позволяет уверенно определить их массу. Знание массы планеты и ее размеров позволяет вычислить среднюю плотность, значение ускорения силы тяжести на поверхности и скорость убегания, т. е. ту критическую скорость (космическую скорость), развив которую, тело покидает планету навсегда (скорость убегания рассчитывается для поверхности планет).

Наличие газовой оболочки вокруг планет может быть легко замечено при наблюдениях с Земли — по потемнению диска планеты к краям, по постепенному (а не мгновенному) угасанию звезды в случае, когда планета проходит перед звездой, по наличию облачных образований. Фотометрические измерения планет позволяют вывести значение отражательной способности либо планеты в целом, либо ее частей, что выражают через величину альбедо. Многие планеты имеют большое альбедо, что указывает на присутствие мощной атмосферы. Величина альбедо и характер изменения блеска планеты с изменением ее фазы позволяют с помощью теории рассеяния света определить количественные характеристики атмосферы, в первую очередь ее оптическую толщину и протяженность. О мощности атмосферы судят по упругости газов у ее основания, т. е. по величине, которую показал бы барометр-анероид на поверхности планеты, выражают ее в миллибарах (мбар). Очень мощные атмосферы имеют планеты — гиганты. Химический состав атмосферы определяется из спектральных наблюдений по интенсивности молекулярных полос поглощения, возникающих в спектре солнечного излучения, после того как оно дважды прошло через атмосферу планеты — до и после отражения от ее поверхности.

Прямые измерения интегрального теплового потока или излучения планеты в отдельных областях ее инфракрасного спектра, осуществляемые, например, с помощью болометров, позволяют определить общую температуру планеты или температуру отдельных ее частей. Та же задача может быть решена путем измерения тепловых потоков планеты радиометодами в сантиметровом, дециметровом и метровом диапазонах. Сравнение теоретической равновесной температуры (т. е. той, которую должна была бы иметь планета, если бы ее единственным источником тепла было солнечное облучение) с измеренной темп-рой дает возможность судить о том, что планета обладает собственными источниками тепла, которое просачивается наружу. Этот процесс очень существенно зависит от теплопроводности коры и атмосферы. Атмосфера может обусловливать сильный парниковый эффект, сущность которого заключается в том, что она пропускает приходящее от Солнца оптическое излучение, но в значительной мере задерживает уходящее наружу длинноволновое (тепловое) излучение самой планеты. Поэтому планета, лишенная атмосферы, холоднее и отличается большей суточной амплитудой температуры, чем планета с атмосферой.

Наблюдения изменений орбиты спутника планеты, в частности поворота плоскости орбиты, вращения орбиты в этой плоскости позволяют математическим путем определить форму планеты, ее сжатие. Зная среднюю плотность планеты, оценивая возможные значения давления внутри нее, и принимая в расчет ее химический состав, можно составить обоснованные суждения о природе вещества в глубоких недрах планеты и его агрегатном состоянии. Главная отличительная черта планет — гигантов — это очень низкая средняя плотность и специфический химический состав их атмосфер. Это еще одно свидетельство того, что они состоят из вещества, подобного солнечному — главным образом из водорода и гелия. Значит, тепловой поток, исходящий из Юпитера, указывает на высокую температуру в его недрах — до 20 тыс. градусов. Такой поток тепла свидетельствует о существовании в недрах Юпитера и Сатурна конвективного перемешивания тепла. В недрах господствует колоссальное давление, намного превышающее 2,5 млн. бар, при котором молекулярный водород испытывает переход к металлической фазе и вполне подобен щелочным металлам. Сходную с Юпитером структуру имеет Сатурн. Более плотные Уран и Нептун содержат, по-видимому, значительно больше гелия. У этих планет температура ниже, так что около их центра возможно имеются ядра, состоящие из смеси льда и соединений, содержащих водород, кислород, углерод, азот, серу и др.

Для полноты характеристики планет Солнечной системы необходимо еще добавить, что у планет земной группы мало спутников (у Земли — 1, Марса — 2), тогда как у планет — гигантов их много.

2. Юпитер

Самой крупной из планет-гигантов является Юпитер — это пятая планета от Солнца. Он был известен еще с древности. Средний радиус его орбиты оставляет 5,203 а.е. (778 млн. км), ее эксцентриситет — 0,048, наклон ее плоскости к плоскости эклиптики — 1,30. за 11,862 года Юпитер совершает полный оборот вокруг солнца, двигаясь со средней скоростью в 13,06 км/сек. Средний синодический период обращения равен 399 суток. Все небо вдоль эклипитики Юпитер проходит за 12 лет и виднеется в противостоянии как желтоватая звезда — 2,6 звездной величины. В блеске уступает только Марсу и Венере во время великого противостояния. Видимый диск Юпитера принимает форму эллипса, его оси в среднем противостоянии наблюдаются под углом 46,5// и 43,7//. Но когда Юпитер соединяется с Солнцем его угловые размеры становятся на 1/3 меньше, блеск становится слабее на 0,84 звездной величины, чем в противостояниях. Визуальное альбедо = 0,67.

Экваториальный и полярный диаметры Юпитера равны соответственно 142 600 км и 134 140 км. Быстрое осевое вращение обуславливает сжатие планеты (1: 15,9). В средних широтах период вращения сотавляет 9 ч 55 мин 40 сек (РII), близ экватора — 9 ч 50 мин 30 сек (РI). Масса Юпитера превосходит массу Земли в 318 раз, а объем в 1315 раз. По отношению к Солнцу масса Юпитера составляет 1: 1047,39. Средняя плотность планеты равна 1,33 г/см3, что незначительно отличается от средней плотности Солнца. На экваторе ускорение силы притяжения составляет 25,90 м/сек2, а на полюсе оно равно 27,90 м/сек2. Центробежное ускорение на экваторе = 2,25 м/сек2. Параболическая скорость, она же скорость убегания, на поверхности равна 61 км/сек.

Наблюдаемая поверхность Юпитера состоит из облаков и иных атмосферных образований, пересеченных множеством темных полос, разделяющихся светлыми зонами. Светлые зоны параллельны экватору, который наклонен всего лишь на 3004/ к плоскости орбиты Юпитера. Сложная окраска и структура полос постоянно изменяется. Большую изменчивость имеет вид Южной и Северной экваториальных полос, исчезающих временами, а потом восстанавливающихся с цикличностью примерно 4 года. Также нередко становится невидимой довольно узкая экваториальная полоса. Сравнительно устойчивыми являются околополярные области.