Солнечная система

Солнечная система включает в себя Солнце, 9 планет, поле астероидов и кометы. Остановимся на закономерностях движения планет. Кинематика движения описывается законами Кеплера (1609), причина движения - всемирное тяготение.

1 ). Все планеты обращаются по слабо вытянутым эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце. Орбиты лежат в одной плоскости - плоскости эклиптики. Вращение Солнца и планет вокруг своих осей, а также обращение планет вокруг Солнца происходит в одном направлении.

Такое положение планет и Солнца определяет гравитационную устойчивость системы. Незначительные отклонения от общей закономерности вызваны взаимными гравитационными возмущениями планет, а также диссипационными процессами (превращениями механической энергии в другие виды, например, при приливных явлениях). Так, наиболее отличается от эллиптической орбита Марса, вблизи которого вращается самая тяжёлая планета Солнечной системы - Юпитер. Радиус эклиптики (радиус орбиты последней планеты) равен 40 а.е. Астрономическая единица (а.е.) равна среднему удалению Земли от Солнца и составляет 149,6 ^. 10⁶ км.

Вращение планет и Солнца происходит в таком направлении, что со стороны Северной Полярной звезды видится как вращение против часовой стрелки. В таком же направлении вращается Солнечная система вокруг центра масс Млечного пути, а Млечный путь - вокруг центра Вселенной. Это одинаковое вращение, а также подобие распределения масс на разных уровнях организации материи (планета со спутниками, звезда с планетной системой, ядро галактики с плоскостью концентрации звёзд) определённо говорят в пользу единства образования мира. «Природа проста и не роскошествует излишними причинами вещей» (И. Ньютон).

На рис. 1.2 в схематическом виде приведена часть орбиты Земли. Большая полуось эллипса орбиты (а) составляет одну астрономическую единицу. Эксцентриситет (сжатие) орбиты: с/а = 0,017. Период изменения эксцентриситета составляет приближённо 200 тысяч лет. Средняя скорость движения Земли по орбите - 29,8 км/с. Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты под углом 66 градусов 33 минуты; отклонение оси от 90⁰ вызывает смену времён года на Земле, так что в перигелии (3 января) в северном полушарии зима, а в афелии (5 июля) - лето. С периодом в 26 000 лет земная ось совершает вращение по конической поверхности относительно перпендикуляра к плоскости орбиты (прецессия). 13 000 лет назад северной полярной звездой была Вега.

Размеры орбит планет Солнечной системы не случайны, возрастают в геометрической прогрессии, квантованы и подчиняются закону Тициуса-Боде:

а_n 0,4 + 0,3^.2ⁿ, (1.3)

где a_n - большая полуось орбиты в а.е.; n - целые числа в последовательности - , 0, 1 и т.д. Подставляя n в формулу 1.3, получаем оценочные размеры орбит в а.е.:

n	an	планета
-	0,4	Меркурий
	0,7	Венера
		Земля
	1,6	Марс
	2,8	поле астероидов
	5,2	Юпитер и т.д.

Закон Тициуса-Боде помог открыть между Марсом и Юпитером поле малых планет - астероидов.

Согласно А.М. Молчанову, закон Тициуса-Боде отражает резонансность Солнечной системы, которая заключается не только в соразмерности планетных орбит, но и в согласованности периодов обращения по орбите и периодов вращения вокруг оси. Например, соединение Земли и Меркурия происходит каждые 116 суток, при этом Меркурий делает ровно 2 оборота вокруг оси и всегда повёрнут к Земле одной и той же стороной. Аналогичным образом ведёт себя другой «сосед» Земли - Венера.

Одинаковое положение относительно Земли занимают самые большие планеты Юпитер и Сатурн через каждые 60 лет, за которые Юпитер делает 5 оборотов, а Сатурн - 2 (вспомним 12-летний и 60-летний циклы в китайском гороскопе). По Молчанову, резонансность Солнечной системы является следствием и признаком её зрелости.

2). В каждый интервал времени произведение скорости планеты на расстояние до Солнца остаётся постоянным.

Поскольку расстояние до Солнца изменяется, то изменяется и скорость движения Земли по орбите: максимальная скорость - в перигелии (30,27 км/с), минимальная - в афелии (29,27 км/с). Иными словами, Земля по орбите движется с ускорением со всеми вытекающими из этого следствиями, поскольку Земля не является абсолютно твёрдой и имеет в своём составе слои расплавленных и частично расплавленных масс.

3). Массы планет, периоды их обращения по орбитам и размеры орбит взаимосвязаны.

Соотношение между названными параметрами определяется третьим законом Кеплера, уточнённым после открытий Ньютона:

, (1.4)

где М_с - масса Солнца, m₁ и m₂ - массы планет, а и Т - размеры орбит и периоды обращения планет по орбитам.

Выражение 1.4 используется для вычисления масс планет, которые непосредственно из астрономических наблюдений определить невозможно.

Масса Земли составляет 6^.10²⁴кг, её средний радиус - 6,4^.10³км, плотность вещества Земли (отношение массы к объёму) равна 5,52 г/см³ (более чем в пять раз плотнее воды). Соответствующие параметры для Солнца: М_с = 2^.10³⁰кг, R = 7^.10⁷км, s = 1,4 г/см³.

Плотности вещества и массы планет Солнечной системы приведены на рис. 1.3. По этим параметрам все планеты делятся на две группы: планеты земной группы, характеризующиеся малыми массами и высокими плотностями, и внешние планеты с большими массами и низкими плотностями. Соответственно изменяется и состав планет: в планетах земной группы преобладают тяжёлые элементы (больше всего железа); состав внешних лёгких планет преимущественно гелиево-водородный.

Наблюдаемое распределение состава и плотности планет обусловлено гравитационной дифференциацией вещества в поле притяжения Солнца, а также вытеснением лёгких газов солнечным давлением. При этом вблизи Солнца не могут находиться планеты большой массы, если они и были, то упали на Солнце (согласно выражению 1.2). В силу этой же причины среди планет земной группы наименьшие массы имеют крайние планеты - Меркурий и Марс, расположенные близко соответственно от Солнца и самой большой планеты Юпитер. Среди планет этой группы Земля находится на оптимальном расстоянии от Солнца и Юпитера, что позволяет ей иметь максимальную массу.

По причине всемирного тяготения материя не может быть распределена с постоянной плотностью в сколь угодно большом объёме (принцип гравитационной неустойчивости Джинса). Наблюдаемое распределение масс в Солнечной системе соответствует образованию её из вращающегося космического (газопылевого) облака в результате гравитационного уплотнения и центробежных сил. На этих положениях основаны гипотезы происхождения Земли и Солнечной системы. Основное различие гипотез - в одновременности либо разновременности образования Солнца и планет.

В соответствии с гипотезой Канта-Лапласа Солнце и планеты образовались одновременно из протосолнечной туманности. Гипотеза не объясняет различия в моментах количества движения Солнца (2%) и планетной системы (98%), а также преимущественно твёрдого состояния Земли (за 4,5 млрд. лет Земля могла остыть лишь на глубину 400 км). Современные физические данные указывают на «холодное» происхождение Земли. Согласно гипотезе О.Ю. Шмидта Солнце захватило рой протопланетных частиц, которые вращались в неизменной плоскости и имели различные моменты движения. Гипотеза не объясняет совпадения плоскости экватора Солнца с плоскостью планетных орбит. Гипотеза типично катастрофическая и вступает в противоречие с обнаруженными фактами существования планет у других звёзд. По У.Х. Мак-Крею, рождение планетной системы обязано образованию звезды. Галактики, звёздные скопления, звёзды, планеты - это единая грандиозная последовательность процесса. Лишь случайное распределение масс определяет, рождается звезда или планета.

4) Эволюция космических тел определяется массой, которую они приобрели при образовании.

Сравним среднюю плотность Земли (5,52 г/см³) со средней плотностью горных пород вблизи её поверхности (2,7 г/см³). Сравним также средний состав Земли (Fe-32%, O-30%, Si-15%, Mg-14%) со средним составом земной коры (O-46,6%, Si-25,8%, Al-7,7%, Fe-6,6%). Такое сравнение должно привести к заключению, что Земля в настоящее время неоднородна (расслоена) и в центре Земли должно быть тяжёлое (преимущественно железное) ядро. Иначе не объяснить большие плотность и содержание тяжёлых элементов в Земле в целом, по сравнению с тем, что наблюдается в верхней её части. Химико-плотностная расслоенность космических тел является результатом их глобальной эволюции.

О расслоенности космических тел можно судить по измеряемому моменту инерции. Момент инерции является мерой инертности тела во вращательном движении и зависит от распределения в нём масс относительно оси вращения.

Для сферы, коей можно апроксимировать космические тела, момент инерции J равен:

J = i^.m^.R², (1.5)

где m - масса тела радиуса R; i - безразмерный момент инерции, определяющий распределение масс в сфере.

Если i > 0,4, то массы сконцентрированы к периферии. Такое распределение масс крайне неустойчиво. Если i = 0,4, то массы распределены по сфере равномерно. При i < 0,4 массы сконцентрированы к центру, и тем больше, чем меньше значение i.

Земля имеет i равный 0,33, что говорит о её расслоенности, о концентрации массы к центру (в ядре). Более это характерно для Солнца (i = 0,058), в центре которого плотность равна 160 г/см³, при средней плотности 1,409 г/см³.

Слабо расслоенной является Луна (i=0,39). Причина расслоения - собственное гравитационное поле космического тела, что подтверждают данные, приведённые на рисунке 1.4:

чем больше масса космического тела, тем больше у неё возможности к эволюции (гравитационной расслоенности). Схематично это может быть представлено: