Космос и Солнечная система. Общие сведения

С запуском в СССР 4 октября 1957 года первого искусственного спутника Земли человечество вступило в космическую эпоху. «Космос» по-гречески – украшение, порядок. Философы Древней Греции, начиная с Пифагора (6 век до н.э.), понимали под словом «космос» Вселенную, рассматриваемую как упорядоченную гармоничную систему, в которой все движения строго подчиняются извечным законам природы.

В древнегреческой философии космос противопоставлялся хаосу – беспорядку, слепому случаю. Для древних греков понятия порядка и красоты были тесно связаны. Античная космология была, прежде всего, красивой: небесные тела считались вделанными, как драгоценные камни, в хрустальные сферы, издававшие при своём вращении прекрасные музыкальные звуки. Законы природы, по их мнению, должны были удовлетворять, прежде всего, эстетическим требованиям. Такая точка зрения долго держалась в философии и науке. Недаром даже Коперник (1473-1543), создатель гелиоцентрической системы мира, считал, что орбиты планет должны быть круговыми лишь потому, что круг красивее эллипса.

В дальнейшем космосом стали называть всю Вселенную, включая не только мир небесных светил, но и Землю. В настоящее время под космосом понимают Вселенную, рассматриваемую как нечто единое, подчиняющееся общим законам. Отсюда происходит название космологии – науки о законах строения и развития Вселенной как целого.

Слово «космос» имеет ещё одно значение, связанное с осуществлением давнишней мечты человечества о космических полётах. В современном понимании космос (точнее космическое пространство) есть всё, что находится за пределами Земли и её атмосферы. Ближайшая и наиболее доступная исследованию область космического пространства – околоземное пространство.

Основными структурными единицами во Вселенной являются грандиозные звёздные системы – галактики. Одной из таких систем является наша Галактика – звёздная система, к которой принадлежит Солнце. Она содержит 100-200млрд. звёзд.

Расстояния до звёзд и других далёких объектов Вселенной настолько велики, что для их измерения применяют специальную единицу длины, своеобразный «космический метр», называемый световым годом.

Световой год – это расстояние, которое свет проходит за год со скоростью 300 000км/с. Он составляет около 10 тысяч млрд. км, т.е. 10¹²км. Свет от Солнца доходит до Земли за 8,5мин. Свет от ближайшей к нам звезды Альфа Центавра – за 4,3 световых года. Подавляющее большинство звёзд находятся от Земли и друг от друга на значительно больших расстояниях.

Солнце – рядовая звезда Вселенной. Скорость движения Солнца вокруг центра нашей Галактики составляет около 300км/сек. Его уникальность для земного наблюдателя состоит в том, что это ближайшая к нам звезда, единственная пока звезда, поверхность которой возможно подвергнуть детальному изучению. Солнце представляет собой плазменный шар радиусом, равным 6,96×10¹⁰см, что в 109 раз больше экваториального радиуса Земли, массой, равной 1,99×10³³г., что в 333 000 раз больше массы Земли. В Солнце сосредоточено 99,866% массы солнечной системы. Средняя плотность солнечного вещества равна 1,41г/см³, что составляет 0,256 средней плотности Земли. Ускорение свободного падения на уровне видимой поверхности Солнца g=2,74×10⁴см/с², т.е. в 28 раз больше, чем на поверхности Земли. Светимость Солнца » 3,86×10³³эрг/сек. Основным источником энергии Солнца являются термоядерные реакции. В центральной области Солнца температура достигает 14 млн. градусов.

Солнечная система состоит из планет с их спутниками, астероидов (малых планет), комет, мелких метеорных тел, космической пыли, межпланетного газа. Происхождение, эволюция, законы движения всех этих тел неразрывно связаны с центральным телом системы – Солнцем. Солнечная система занимает обширную область пространства, простирающуюся на расстояние, превышающее в 2×10⁵ раз расстояние от Солнца до Земли.

Для тел Солнечной системы характерны два признака. Во-первых, полная механическая энергия таких тел, складывающаяся из положительной кинетической и отрицательной потенциальной энергий, должна быть отрицательной. При этом условии тело за счёт своей кинетической энергии не может преодолеть сил солнечного притяжения и безвозвратно покинуть Солнечную систему. Во-вторых, тело, принадлежащее Солнечной системе, должно постоянно находиться в области преобладающего притяжения Солнца. В противном случае воздействие со стороны других звёзд может увеличить его полную механическую энергию до положительного значения, и тело покинет Солнечную систему.

Характеристики планет Солнечной системы

Прежде всего, определим понятие «планета». В последние годы под словом планета понимают тело, движущееся вокруг Солнца. К ним относятся и многие космические аппараты, сделанные руками человека и запущенные вокруг Солнца.

Крупные космические камни, движущиеся по замкнутым траекториям вокруг Солнца, называют малыми планетами или астероидами. Большая часть их находится между орбитами Марса и Юпитера. Диаметры крупных астероидов достигают нескольких сотен километров (Церера – 768км, Паллада – 489км, Юнона – 193км, Веста – 385км), мелких – нескольких километров.

Кометы – это тела Солнечной системы, движущиеся вокруг Солнца по сильно вытянутым эллиптическим орбитам. Они состоят из небольшого ядра (несколько километров в диаметре) и очень длинного хвоста, простирающегося на тысячи и миллионы километров, За длинный хвост кометы и получили своё название (в переводе с греческого языка комета означает «длинноволосый»).

Таблица 1

Характеристика	Меркурий	Венера	Земля	Марс	Юпитер	Сатурн	Уран	Нептун	Плутон
Большая полуось орбиты в астрономических единицах длины	0,387	0,723	1,000	1,524	5,203	9,539	19,18	30,06	39,75
Сидерический период обращения в тропических годах	0,241	0,615	1,000	1,881	11,862	29,458	84,015	164,79	250,6
Эксцентриситет орбиты	0,2066	0,0067	0,0167	0,0934	0,0484	0,0557	0,0471	0,0087	0,253
Наклонение плоскости орбиты к эклиптике	7° 00,2¢	3°23,6¢	-	1°51,0¢	1°18,5¢	2°29,5¢	0°46,3¢	1°46,8¢	17°08,7¢
Экваториальный радиус, линейный: -в километрах -в радиусах Земли	0,38	0,97	1,00	0,53	11,20	9,41	3,75	3,50	0,34
Масса (без спутников), в массах Земли	0,056	0,815	1,000	0,108	317,82	95,11	14,52	17,23	0,11
Плотность, г/см3	5,59	5,22	5,52	3,97	1,30	0,71	1,47	2,27	10,4
Ускорение силы тяжести на экваторе, см/с2
Параболическая скорость, км/сек	4,3	10,3	11,2	5,0	57,5
Сидерический экваториальный период вращения, d-сутки, h-часы, m-минуты	59d	243d	23h56m 04,1s	24h37m 22,6s	9h50,5m	10h14m	10h49m	15h40m	6,4d
Число спутников	-	-							?
Интенсивность излучения Солнца (на Земле=1)	6,7	1,9	1,0	0,43	0,037	0,011	0,0027	0,0011	0,00064
Наличие атмосферы	Следы	Очень плот-ная	Плот- ная	Очень редкая	Очень плотная	Очень плот- Ная	Очень плот- Ная	Очень плотная	?

В классическом понимании планета – это космическое шарообразное тело с массой 10¹⁷-10²⁶ тонн. Тела меньшей массы остаются твёрдыми и сохраняют свою форму как угодно долго. Тела с массой больше 10¹⁷ кг обладают свойством пластичности и с течением времени принимают форму с наименьшей площадью поверхности, то есть шаровидную. Если масса планеты будет больше 10²⁶ тонн, то начнётся термоядерная реакция и планета превратится в маленькую звезду.

Все планеты Солнечной системы (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон) по своим размерам делятся на две группы. Четыре ближайшие к Солнцу сравнительно маленькие планеты образуют так называемую группу Земли; следующие четыре гигантских планет составляют группу Юпитера; последняя планета Плутон по некоторым своим свойствам не принадлежит ни к одной из указанных групп. Существует много гипотез, пытающихся объяснить необычные свойства Плутона (оторвавшийся спутник Нептуна, пришелец из межзвёздного пространства и т. п.), но пока ещё эта планета остаётся для нас загадкой. Положение Плутона рассчитал американский астроном П. Ловелл (1855-1916) в 1914г., а открыт Плутон был только в 1930г. В табл.1 приведены характеристики планет Солнечной системы.

Сравнительные размеры Солнца и планет приведены на рис.1.1.

Рис.1.1. Сравнительные размеры Солнца и планет

Строение Солнечной системы обладает рядом закономерностей, указывающих на совместное образование всех планет в едином процессе. Эти закономерности следующие:

· движение всех планет в одном направлении по почти круговым орбитам, лежащим почти в одной плоскости;

· вращение Солнца в том же направлении вокруг оси, почти перпендикулярной центральной плоскости планетной системы;

· вращение в том же направлении большинства планет, за исключением Венеры, которая медленно вращается в обратном направлении, и Урана, который вращается как бы лёжа на боку;

· обращение в том же направлении большинства спутников планет;

· закономерное возрастание расстояний планет от Солнца;

· деление планет на две группы, отличающиеся по массе, химическому составу и количеству спутников.

В 1755г. немецкий философ И. Кант (1724-1804) в своём труде «Всеобщая естественная история и теория неба» пытался объяснить единообразный характер движения планет формированием их из рассеянного вещества, простиравшегося до границ современной планетной системы и вращавшегося вокруг Солнца. Свойства, приписывавшиеся Кантом частицам этой среды, показывают, что он имел в виду пылевое облако.

В 1796г. французский астроном, математик и физик П. Лаплас (1749-1827) выдвинул космогоническую гипотезу об образовании Солнца и всей Солнечной системы из сжимающейся газовой туманности. Согласно Лапласу, часть газового вещества отделилась от центрального сгустка под действием центробежной силы (в результате

Рис.1.2. Планеты Солнечной системы

ускорения вращения в ходе сжатия) и послужила материалом для образования планет. И Кант, и Лаплас предполагали образование планет из рассеянного вещества и потому часто говорят о единой гипотезе Канта-Лапласа. Гипотеза Лапласа долгое время владела умами учёных, но трудности, с которыми она встретилась, в частности с объяснением медленности современного вращения Солнца, заставила астрономов обратиться к другим гипотезам.

В 20-30гг. 20в. широкой известностью пользовалась космогоническая гипотеза английского астронома Д. Джинса (1877-1946), считавшего, что планеты образовались из вещества, вырванного из Солнца притяжением пролетевшей поблизости звезды. Однако в конце 30-х гг. выяснилось, что гипотеза Джинса не способна объяснить огромные размеры планетной системы. Чтобы вырвать вещество из Солнца, звезда должна была пролететь очень близко от него, а в таком случае это вещество и возникшие из него планеты должны были бы кружиться в непосредственном соседстве с Солнцем. Кроме того, вырванное вещество было бы столь горячим, что рассеялось бы в пространстве, а не собралось в планеты. После крушения гипотезы Джинса планетная космогония вернулась к классическим идеям Канта и Лапласа об образовании планет из рассеянного вещества.

В 1943г. российский учёный О.Ю. Шмидт (1891-1956) выдвинул идею об аккумуляции планет из холодных твёрдых тел. Первоначально Шмидт предполагал, что эти тела были захвачены Солнцем из межзвёздной среды. Но потом было выяснено, что различия в массе и химическом составе между группой близких к Солнцу планет и более далёких планет-гигантов указывают на образование их в окрестностях Солнца из двух частей единого газово-пылевого облака: более близкой к Солнцу части, прогретой его лучами, и более далёкой холодной части. В отличие от прежних представлений об образовании планет из раскалённых газовых сгустков, Шмидт утверждал, что Земля вначале была сравнительно холодной.

В 50-х гг. произошёл поворот от «горячих» гипотез планетной космогонии к «холодным». В настоящее время является общепризнанным, что планетная система образовалась из огромного газово-пылевого облака, некогда окружавшего Солнце. Земля и родственные ей планеты аккумулировались из твёрдых тел и частиц, а в аккумуляции планет-гигантов (по крайней мере, Юпитера и Сатурна, содержащих много водорода) участвовал, наряду с твёрдыми телами, также и газ. Аккумуляция Земли длилась 10⁷-10⁸ лет, а аккумуляция далёких от Солнца Урана и Нептуна, вероятно, длилась ещё больше.

Самой быстрой планетой Солнечной системы является Меркурий. Он обращается вокруг Солнца со средней скоростью 172248 км/ч, что в два раза больше скорости вращения Земли. Такая скорость и тот факт, что Меркурий расположен ближе к Солнцу, чем Земля, означает, что один год на Меркурии (время его полного оборота вокруг Солнца) составляет всего 87,99 дней, или примерно 3 месяца.

Земля обращается вокруг Солнца по очень слабо вытянутому эллипсу со скоростью 29,5 км/сек. Большая полуось земной орбиты, принятая за астрономическую единицу длины, равна 149 597 870 ±1,6км. Таково среднее расстояние от Земли до Солнца (в перигелии оно на 5 000 000км меньше, чем в афелии). Сила притяжения Солнца, удерживающая Землю на орбите, составляет ~3,6×10²¹кг. Она могла бы разорвать трос диаметром в 3 000км.

Астрономия (от латинского слова «Astrum»), рассматривает Землю глобально и целостно как одну из планет во Вселенной.