Солнце и солнечная система

Краткие сведения о Солнце и о происхождении планет солнечной системы. Солнце – относительно небольшая звезда спектрального класса G, такие звезды называют желтыми карликами. Но по земным меркам – это огромный раскаленный плазменный шар, его радиус составляет примерно 7∙10⁸ м, что примерно в 109 раз больше земного радиуса. Несмотря на то, что на (98…99) % Солнце состоит из легких атомов водорода и гелия, его масса в 330 тыс. раз превышает массу Земли и составляет около 2∙10³⁰ кг при средней плотности 1,41 г/см³.

Спектр излучения Солнца (как и любого нагретого тела) является сплошным. Зная длину волны, соответствующую максимуму спектрального распределения теплового излучения, можно определить температуру излучающей поверхности (закон смещения Вина ). В случае Солнца говорить об излучающей поверхности сложно, т.к. в создании потока излучаемой энергии принимает участие не только т.н. фотосфера (толщина этого нижнего слоя солнечной «атмосферы»^** составляет 200 – 300 км), но и другие слои наружной области Солнца. Тем не менее, понятие «эффективная температура поверхности Солнца» широко используется, ее величина Т_эфф ≈ 6000 К. В центральной же области Солнца, там, где идут реакции ядерного синтеза, величину температуры оценивают цифрами 10…15 МК.

Температура Т поверхности любого излучающего тела определяет не только форму спектрального распределения, но и плотность мощности излучения, которая в соответствии с законом Стефана-Больцмана пропорциональна Т⁴. Согласно расчетам, полная мощность солнечного излучения составляет около 4∙10²⁶ Вт, а плотность мощности этого излучения у поверхности Земли (над атмосферой) составляет около 1,4 кВт/м².

Считается, что возраст Солнца близок к 5 млрд. лет, это означает, что наше светило является звездой 2-го (или еще более позднего) поколения. Считается также, что Солнце (как и другие звезды) образовалось из медленно вращающегося облака межзвездного газа и пыли, которое сжа­лось под воздействием собственной тяжести. Центральная область сжимающегося облака постепенно становилась все плотнее и горячее, образуя т.н. протозвезду, которая продолжа­ла сжиматься и разогреваться до тех пор, пока в ее ядре не началась реакция синтеза ядер гелия из протонов.

В настоящее время нет общепризнанных гипотез, объясняющих образование планет и планетных систем. Согласно наиболее распространенным представлениям, планетные системы формируются из материала тех же газово-пылевых туманностей, что и сами звезды. По мере сжатия протозвездного облака скорость его вращения вокруг собственной оси увеличивается (в соответствии с законом сохранения момента импульса), при этом возрастают радиальные центробежные силы, под действием которых происходит истечение вещества из экваториальной области и образование т.н. газовых дисков. Вместе с массой звезда теряет момент количества движения, что несколько ускоряет процесс сжатия ее центрального сгущения, а рассеянное в экваториальной плоскости вещество является источником протопланетного материала. Сначала по мере остывания путем конденсации газа образуются твердые частицы, из которых впоследствии образуются сгустки вещества – как протопланеты, так и некие «зародыши» других космических тел.

В пользу подобной гипотезы свидетельствует тот факт, что орбиты всех планет Солнечной системы лежат в плоскостях, близких к экваториальной плоскости Солнца, кроме того, все планеты движутся вокруг Солнца в одном направлении. Более тяжелые элементы, такие, как железо и кремний, сконденсировались ближе к Солнцу и сфор­мировали внутренние планеты, в то время как более легкие элементы, включая частички льда, ос­тались на внешней окраине диска и сформи­ровали внешние планеты. В конце ХХ в. было твердо установлено, что Солнце – далеко не единственная звезда, вокруг которой обращаются планеты. По разным оценкам процент звезд, имеющих планетные системы, составляет от 10 до 50.

Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце - не только источник света и тепла, но и первоначальный источник большинства других известных видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра и др.).

Строение солнечной системы. В солнечную систему, помимо Солнца и планет со своими спутниками, входят астероиды, кометы и метеорные тела. Кроме этого, в межпланетном пространстве содержатся очень мелкие частицы (пыль), отдельные атомы и молекулы, а также всевозможные элементарные частицы. Суммарная масса планет и всех других тел солнечной системы составляет около 0,14% массы Солнца, поэтому движение тел солнечной системы почти всегда определяется только силой притяжения к Солнцу.

Термин «планета» происходит от греческого слова «planetes», что означает – «блуждающий»: еще в незапамятные времена люди заметили, что пять светлых точек на ночном небосклоне регулярно перемещаются (блуждают) на фоне практически неподвижного узора, образованного множеством других звезд. Современные названия пяти планет (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн), видимых с Земли невооруженным глазом, соответствуют именам главных божеств римской мифологии. Еще три планеты (Уран, Нептун и Плутон), открытые последовательно в 1781, 1846 и 1930 годах, получили свои названия также в соответствии с этой же мифологической традицией.

Первой планетой, открытой с помощью телескопа (через 170 лет после его изобретения) был Уран. В начале XIX в. было замечено, что форма орбиты этой планеты несколько отклоняется от расчетной. Причина этого несоответствия вскоре стала понятной, в рассчитанную точку был направлен телескоп, и в 1846 г. новая планета, которую назвали Нептун, была обнаружена, что стало подлинным триумфом небесной механики и теоретической астрономии. Плутон, открытый позднее других планет, лишь в течение 75 лет считался девятой планетой солнечной системы: в 2006 г. решением Международного астрономического союза он был исключен из числа планет.

Как уже отмечалось, орбиты всех планет солнечной системы расположены почти в одной плоскости – плоскости солнечного экватора, поэтому солнечную систему называют копланарной. Все планеты движутся вокруг Солнца в одну сторону (в направлении вращения самого Солнца). Орбита каждой планеты представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого расположено Солнце (две фокусные точки эллипса лежат на его большой оси, эти точки обладают тем свойством, что сумма расстояний от них до любой точки эллипса есть величина постоянная). Степень вытянутости эллипсоидальной орбиты (расстояние между фокусами) у разных планет разная. У большинства планет, в том числе у Земли, орбиты близки к окружностям. Ближайшую точку орбиты тел, вращающихся вокруг Солнца, называют перигелий, а наиболее удаленную точку – афелий. В частности, Земля в перигелии (где она находится в начале января) удалена от Солнца на 147,1 млн. км, а в афелии – на 152,1 млн. км. Для сравнения - у Меркурия орбита более вытянутая – в афелии эта планета примерно в 1,5 дальше от Солнца, чем в перигелии.

Прежде чем рассматривать свойства планет, охарактеризуем кратко другие тела солнечной системы, которые, как полагают, сложены из того же материала, из которого в свое время сформировались планеты. Самые крупные из этих тел – астероиды – имеют железо-каменный состав, их общее число по оценкам на начало 3-го тысячелетия превышает 10⁶. Астероидов с присвоенными номерами более 4000, наиболее крупные из них имеют имена, такие астероиды часто называют малыми планетами. В отличие от планет, астероиды представляют собой бесформенные тела. Размеры самого крупного из астероидов (планета Церера) составляют около 1000 км в поперечнике. Подавляющее большинство астероидов движется в широком промежутке между орбитами Марса Юпитера.

Метеорные тела, пересекая орбиту Земли, могут быть захвачены ее полем тяготения, при этом они либо полностью сгорают в атмосфере (метеоры), либо достигают ее поверхности (метеориты). При столкновении метеорита с поверхностью Земли образуется воронка в форме кратера. Метеориты бывают трех типов: железные,каменные и железо-каменные. Количество метеорных тел, которые могут двигаться как поодиночке, так и "роями" (метеоритный дождь), не поддается исчислению. Число падений метеоритов на Землю, которые удалось наблюдать, больше 700, некоторые из найденных метеоритов имеют достаточно внушительные размеры.

Кометы являются наиболее своеобразными небесными телами, они движутся по сильно вытянутым орбитам и могут удаляться от Солнца на расстояния до одного светового года. Даже самая близкая к Солнцу и самая известная комету Галлея, имеет период обращения около 75 лет, ее мало кому удается увидеть дважды (в марте 1986 г. эта комета находилась всего в 160 млн. км от Земли и была подробно исследована). В строении комет выделяют голову и протяженный хвост (шлейф). Голова содержит небольшое плотное ядро, имеющее размеры до нескольких километров и состоящее из каменных и металлических образований, это ядро заключено в оболочку из смеси льда и пыли. При прохождении вблизи Солнца вещество оболочки испаряется, образуя хвост, который всегда направлен от Солнца. Протяженность хвоста кометы может достигать десятков млн. км, чем ближе комета к Солнцу, тем длиннее и ярче ее хвост.

Краткаяхарактеристика планет солнечной системы. Восемь планет солнечной системы образуют две существенно отличающиеся друг от друга группы – по 4 планеты в каждой группе. Ближайшие к Солнцу планеты по своим свойствам (размеры, плотность и химический состав вещества, наличие твердой коры и др.) похожи на Землю и поэтому их называют планетами земной группы. Основные общие свойства этих планет – сравнительно малые размеры и высокая плотность вещества. Кроме того, эти планеты близки по химическому составу и особенностям рельефа поверхности. Рассмотрим некоторые особенности планет земной группы.

Меркурий. Период вращения Меркурия вокруг оси (звездные сутки) на треть короче его года. В связи с этим продолжительность меркурианских суток, составляющая 176 земных, вдвое больше года (88 земных суток), так что восход Солнца на Меркурии наблюдатель смог бы увидеть только один раз в два года. Наклон экватора к орбите планеты составляет всего 2 градуса, поэтому «климат» в обоих полушариях планеты одинаков. Поверхность Меркурия изрыта многочисленными кратерами, его ландшафт весьма похож ландшафт Луны. Из-за малой силы тяжести на Меркурии практически нет атмосферы. По этой причине (а также из-за близости Солнца) перепад температур на поверхности планеты очень велик – от +420 до -200 градусов по Цельсию. Высокая средняя плотность вещества Меркурия (5,43 г/см³) говорит о том, что эта планета имеет железное ядро.

Венера. Период орбитального движения Венеры составляет около 225 земных суток, а ее орбита почти не отличается от окружности (эксцентриситет составляет всего 0,007). По своим размерам и массе Венера, являющаяся ближайшей к нам планетой, также очень похожа не Землю. Но во многих других отношениях Венера существенно отличается и от Земли, и от других планет солнечной системы. Вокруг своей оси, которая, как и у Меркурия, почти перпендикулярна плоскости солнечного экватора, Венера вращается очень медленно и, в отличие большинства других планет, в обратном направлении. Другим существенным отличием Венеры является наличие очень плотной (давление на поверхности почти в 100 раз больше, чем на Земле) газовой оболочки, содержащей 96% углекислого газа и 4% азота.

Солнце освещает поверхность Венеры лишь вдвое сильнее, чем Землю, кроме того, существенная часть солнечной энергии отражается сплошным облачным покровом, состоящим из мелких капелек серной кислоты. Тем не менее, температура на поверхности Венеры в любой ее точке составляет около 480^оС (при такой температуре ночью грунт начинает светиться темно-оранжевым светом). Столь высокая величина температуры объясняется парниковым эффектом (поверхность планеты укрыта слоем СО₂, как грядки в парнике – полиэтиленовой пленкой), а отсутствие перепада температуры по поверхности связано как с высокой теплопроводностью плотной атмосферы, так и с конвекционными явлениями в атмосфере. В верхних слоях атмосферы скорость непрерывно дующего ветра столь велика, что облететь Венеру на воздушном шаре можно было бы меньше, чем за неделю.

Марс. На поверхности Марса, хорошо различимой сквозь разреженную атмосферу, в телескоп можно увидеть белые полярные шапки, светлые оранжевые пятна, очертаниями похожие на материки, темный экваториальный пояс и похожие на моря отдельные темные пятна. Марсианские сутки лишь на 40 минут продолжительнее земных, а угол между осью вращения и нормалью к плоскости орбиты, составляющий около 25°, почти такой же, как у Земли. Поэтому очень долгое время свои надежды обнаружить внеземную жизнь земляне связывали именно с Марсом.

Сила тяжести на Марсе точно такая же, как на Меркурии, но атмосфера во много раз более плотная, что связано с тем, что Марс, в отличие от Меркурия, очень холодная планета. В марсианской атмосфере, плотность которой соизмерима с плотностью земной стратосферы, содержится 95% углекислого газа, 2,5% азота, 1,6% аргона, в незначительном количестве присутствуют пары воды. Лишь вблизи экватора летом в околополуденное время температура на поверхности Марса достигает небольших плюсовых значений (5 – 10 градусов), после захода Солнца поверхность быстро остывает до – 50^о С, а зимой морозы достигают – 120^о С.

Жидкой воды (морей, рек, озер и т.п.) на поверхности Марса нет и быть не может – слишком низки значения давления и температуры. Лед, а также твердая углекислота содержатся в полярных шапках и, возможно, в глубине марсианских песков. Однако изучение рельефа поверхности показало, что когда-то на Марсе существовали весьма полноводные и бурные реки, в сравнении с которыми даже Волга могла бы показаться заурядной речушкой.

В 1877 г. у Марса были обнаружены два спутника – Фобос и Деймос, их максимальные размер составляют соответственно 22 км и 13 км. Спутники получили имена сыновей греческого бога войны Ареса (у римлян – Марс), в переводе эти имена означают Страх и Ужас.

Планеты-гиганты. Газовые гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), составляющие вторую группу планет в солнечной системе, имеет существенно большие размеры, чем планеты земной группы, поэтому их чаще всего называют планетами-гигантами. По своему химическому составу, который, как полагают, соответствует составу межзвездной среды 5 млрд. лет назад, эти планеты гораздо ближе к Солнцу, чем к планетам земной группы. Средняя плотность вещества планет-гигантов лежит в пределах (0,7... 1,5) г/см³, что существенно меньше, чем у планет земной группы. Атмосфера любой из газовых планет является непрерывным продолжением ее «тела», эти планеты не имеют твердых оболочек, соответственно нет и резкой границы между атмосферой и телом планеты.

Еще одним существенным отличительным признаком планет-гигантов является большое количество спутников у каждой из них: у Юпитера – 16 спутников, у Сатурна – 30, у Урана – 20, у Нептуна – 8. Приведенное число спутников соответствует данным на начало 3-го тысячелетия, время от времени обнаруживаются (и еще будут обнаруживаться) новые, все более мелкие спутники. Некоторые из спутников планет-гигантов, такие как Каллисто и Ганимед у Юпитера, Титан у Сатурна, имеют весьма внушительные размеры, соизмеримые с размерами Марса. В отличие самих газовых планет их спутники имеют твердую поверхность, Чаще всего эта поверхность закована в ледяной панцирь многокилометровой толщины.

Планеты-гиганты – это очень холодные планеты, температура их облачных слоев оценивается величинами от -120^оС у Юпитера до -220^оС у Нептуна. По орбитам вокруг этих планет обращаются не только спутники, в экваториальной плоскости каждой из них движется неисчислимое множество малоразмерных тел, образующих своеобразные кольца. Наиболее известны кольца Сатурна – их можно увидеть в любительский телескоп. Кольцо Юпитера состоит из пылинок с размерами не более 100 мкм, это кольцо прозрачнее стекла и увидеть его удается лишь с очень близкого расстояния. Кольца Урана и Нептуна можно разглядеть с Земли, но подробно изучить их удалось лишь с помощью межпланетных зондов.

Юпитер – самая крупная из планет-гигантов, его масса примерно в 2,5 раза превышает суммарную массу всех других планет солнечной системы. Сильное гравитационное поле Юпитера (сила тяжести на «поверхности» Юпитера в 2,5 раза больше, чем на Земле) играет роль своеобразного щита для других планет, снижая интенсивность их бомбардировки астероидами и метеорными телами. Недра Юпитера находятся в жидком состоянии, за исключением, как полагают, небольшого ядра из металлического водорода.

Сатурн, являющийся второй по величине планетой солнечной системы, во многих отношениях похож на Юпитер. Однако, плотность вещества Сатурна почти вдвое меньше, чем у Юпитера, что говорит о более высоком содержании водорода. Сатурн знаменит главным образом своими кольцами. В настоящее время обнаружено, что колец у Сатурна огромное множество, и что их толщина весьма мала – порядка 1 км, в то время как диаметр внешних колец составляет около 140 000 км.

Уран был открыт английским астрономом-любителем У. Гершелем, (хотя он и принял обнаруженное пятнышко сначала за комету). Удивительно, но он же через 6 лет обнаружил и первые два спутника этой новой планеты. Уникальная особенность Урана заключается в том, что он «лежит на боку» - ось его вращения расположена почти в плоскости орбиты. Поэтому экватор делит почти всю поверхность Урана на две полярные области, даже на широте 30^о полярные день и ночь там длятся по 14 лет (одну шестую часть года на Уране.). Уран всего в 4 раза больше Земли, но его, как и схожий с ним по своим размерам Нептун, относят к планетам-гигантам, т.к. по своей структуре, по химическому составу и по плотности вещества эти планеты существенно ближе к Юпитеру и Сатурну, чем к планетам земной группы.