Состав и строение Солнечной системы
Приход наш и уход загадочны, —
их цели все мудрецы Земли
осмыслить не сумели.
Где круга этого начало, где конец,
откуда мы пришли, куда уйдем
отселе?
Омар Хайям
Солнечная система представляет собой комплекс небесных тел, объединенных не только упорядоченностью движения, но и общностью физических свойств. В центре Солнечной системы находится наша дневная звезда — Солнце. Вокруг него вместе со своими спутниками обращаются 9 больших планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.
Их физические характеристики приведены в табл. 10.1 и 10.2.
Меркурий— ближайшая к Солнцу планета и наименьшая из планет земной группы. Ее диаметр составляет 0,383 диаметра Земли, а масса 0,056 земной массы. Период вращения Меркурия вокруг оси равен 58,65 земных суток. Это близко к 2/3 периода обращения планеты вокруг Солнца (88 земных суток). Значит, одни сутки на Меркурии длятся два меркурианских года. К Земле Меркурий обращен всегда одним и тем же полушарием. По внешнему виду Меркурий напоминает Луну с множеством ее кратеров, гор и морей. На Меркурии имеются следы сильно разреженной атмосферы, в состав которой входят водород, гелий, кислород, а также аргон и неон. Температура поверхности планеты колеблется от -180 °С до +430 °С. У планеты слабое магнитное поле. Спутников Меркурий не имеет.
Венера— вторая по расстоянию от Солнца и ближайшая к Земле планета Солнечной системы. Видна как "вечерняя звезда"
Таблица 10.1 Физические характеристики планет Солнечной системы
| Планета | Масса, кг | Средняя плотность, г/см3 | Температура поверхности, К | Сила тяжести на поверхности, (зем. = 1) | Экваториальный диаметр, км |
| Меркурий | 3.15 - 1023 | 5,44 | 0,38 | ||
| Венера | 4,89 - 1024 | 5.16 | 0,91 | 12 104 | |
| Земля | 5,98 - 1024 | 5,52 | 1,00 | 12 756 | |
| Марс | 6,42 - 1023 | 3,94 | 250-320 | 0,38 | |
| Юпитер | 1,89 - 1027 | 1,88 | 173 (макс) | 2,34 | 140 140 |
| Сатурн | 5.68 - 1026 | 0,71 | 0,93 | 115 600 | |
| Уран | 8,68 - 1025 | 1,47 | 90 (макс) | 0,85 | 49 400 |
| Нептун | 1,03 - 1025 | 1,70 | 72 (макс) | 1.14 | 49 008 |
| Плутон | 1,40 - 1024 | 1,30 | 63 (макс) | 0,04 |
Таблица 10.2 Динамические характеристики планет Солнечной системы
| Планета | Среднее расстояние от Солнца, млн км | Период обращения вокруг Солнца, годы (сут.) | Средняя скорость орбитального движения, км/с | Период вращения вокруг оси (сутки и часы) |
| Меркурий | 57,91 | 0,24 (88) | 47,87 | 58,6 сут. |
| Венера | 108,21 | 0,62 (224,7) | 35,00 | 243,16 сут. |
| Земля | 149,60 | 1,00 (365,24) | 29,79 | 23 ч. 56 мин. 4с |
| Марс | 227,94 | 1,88 (687,0) | 24,13 | 24 ч. 37 мин. 23 с |
| Юпитер | 777,80 | 11,86 | 13,05 | 9 ч. 50 мин. 30 с |
| Сатурн | 1427,00 | 29.46 | 9,65 | 10 ч. 14 мин. |
| Уран | 2869,00 | 84,02 | 6,80 | 10 ч. 48 мин. |
| Нептун | 4496,00 | 164,80 | 5.43 | 15 ч. 48 мин. |
| Плутон | 5947,00 | 247,70 | 4,74 | 6,39 сут. |
в западной стороне неба сразу после захода Солнца или как "утренняя звезда" — в восточной стороне неба незадолго до восхода Солнца. Венера — самое яркое светило на небе после Солнца и Луны. Венера вращается вокруг оси не с запада на восток, как
Земля, а в обратном направлении — с востока на запад. Венера окутана плотной атмосферой, почти целиком состоящая из углекислого газа (97%) с примесью азота, кислорода и водяных паров. Атмосферное давление — свыше 90 атм. Температура вблизи поверхности планеты достигает +470 °С. Поверхность планеты сухая и каменистая. На ней замечены обширные равнины, но есть и горы. Их наибольшая высота достигает 12 км. По-видимому, там много и вулканов. Естественных спутников у Венеры нет.
Марс— четвертая от Солнца планета Солнечной системы. На звездном небе он выглядит как немерцающая точка красного цвета. Марс вдвое меньше Земли по диаметру и в девять раз — по массе. Период вращения планеты вокруг оси 24 ч. 37 мин. 23 с. Наклон оси вращения Марса к плоскости орбиты почти такой же, как и у Земли (около 25°), поэтому на Марсе есть смена времени года, похожая на земную, хотя продолжительность марсианского года близка к 687 земным суткам. Атмосфера Марса сильно разрежена и состоит в основном из углекислого газа с примесью азота, аргона, кислорода и водяных паров. Атмосферное давление у поверхности планеты в 160 раз меньше, чем на уровне моря на Земле. В атмосфере Марса часто возникают ветры и даже ураганы, вызывающие пылевые бури. Среднегодовая температура планеты -70 °С. При этих условиях жидкой воды на Марсе быть не может, и она существует только в виде пара, снега или льда. Марс обладает магнитным полем в 500 раз более слабым, чем магнитное поле Земли. На снимках, сделанных во время полетов автоматических межпланетных станций, поверхность планеты выглядит как красная, безводная, усеянная камнями пустыня с изрезанным рельефом. На Марсе есть кратеры, имеются горы, некоторые из них являются потухшими вулканами. Самая крупная во всей Солнечной системе вулканическая гора Олимп возвышается более чем на 20 км над поверхностью планеты. Марс имеет два естественных спутника — Фобос и Деймос.
Юпитер— самая крупная планета Солнечной системы и пятая по расстоянию от Солнца. Свое название она получила в честь римского бога неба, громовержца Юпитера. Масса планеты почти в 2,5 раза превышает суммарную массу остальных планет
и в 318 раз массу Земли. Диаметр Юпитера больше диаметра Земли в 11,2 раза. Юпитер отстоит от Солнца в 5,2 раза дальше, чем Земля, и затрачивает на один оборот по орбите почти 12 лет. Вокруг своей оси Юпитер вращается быстрее любой другой планеты Солнечной системы. В телескоп планета видна сжатой у полюсов с заметным рядом светлых и темных полос, которые каждый год располагаются по-разному. Юпитер окружен толстой водородно-гелиевой атмосферой, в верхних слоях которой температура около -160 °С. Особенность этой планеты в наличии знаменитого Большого Красного пятна — огромного газового образования овальной формы и розового цвета, по размерам превышающего размеры земного шара. Предположительно, оно представляет собой грандиозный вращающийся вихрь. Юпитер обладает мощным магнитным полем, а также является источником довольно сильного радиоизлучения. Вокруг Юпитера вращаются 16 спутников, четыре наиболее крупные из которых были открыты в 1610 г. Галилеем. Кроме спутников Юпитер окружен кольцом из мелких камней и пыли. Оно всегда обращено к Земле ребром, поэтому с Земли не видно.
Сатурн— вторая по величине планета Солнечной системы. Имея массу, равную примерно 95 земным массам, и объем более 758 земных объемов, обладает самой низкой средней плотностью по сравнению с другими планетами. В атмосфере Сатурна присутствуют водород, метан и другие газы. Вблизи верхней границы облаков температура около -170 °С. Планета обладает магнитным полем и является источником радиоизлучения. Сатурн имеет 17 спутников, самый крупный из них — Титан. Одно из хорошо известных и интересных небесных образований — кольца Сатурна.
Уран— седьмая по порядку от Солнца планета Солнечной системы. Это первая из планет, открытая с помощью телескопа. Уран относится к числу планет-гигантов. По диаметру он почти в 4 раза, а по массе — приблизительно в 14,6 раза больше Земли. Расстояние от Урана до Солнца почти в 20 раз больше, чем от Земли до Солнца, и он совершает полный оборот вокруг нашего светила за 84 года. Уран, подобно Венере, вращается вокруг своей
оси в направлении с востока на запад (а не с запада на восток, как Земля и другие планеты). Уран сильно сжат у полюсов. Его атмосфера состоит наполовину из водорода. Кроме того, в ней присутствуют метан, аммиак и гелий. Температура на поверхности облачного слоя планеты — около -215 °С. Уран имеет девять узких непрозрачных газопылевых колец и 16 спутников.
Нептун— восьмая по расстоянию от Солнца большая планета Солнечной системы. Диаметр Нептуна равен 3,81 диаметра Земли, а масса — 17,2 земных масс. Планета сильно сжата и быстро вращается вокруг своей оси. Она состоит, по-видимому, из замороженной воды и других распространенных в космосе водородных соединений. 20% массы приходится на соединения кремния и металлов. Планета получает от Солнца в 900 раз меньше тепла, чем Земля. Температура на поверхности Нептуна -200-220 °С Планета окутана плотной водородно-гелиевой атмосферой с примесью метана и аммиака. Нептун имеет 8 спутников и кольца такой же природы, как и у Юпитера.
Плутон— наименьшая среди известных нам планет Солнечной системы и наиболее далекая от Солнца. Плутон был открыт сравнительно недавно. Плутон находится в 40 раз дальше от Солнца, чем Земля, и получает от него в 1600 раз меньше тепла и света, чем наша планета. Плутон — это холодный темный и безмолвный мир, поверхность которого покрыта метановым льдом. Температура планеты рекордно низка: -230 °С. Период вращения Плутона равен 6,4 сут., а период обращения — почти 248 лет. В 1978 г. американский астроном Дж. Кристи открыл у Плутона один спутник, названный Хароном. Он удален от планеты на расстояние в 17 000 км.
Солнечная система обладает рядом важных особенностей. Перечислим основные из них.
1. Подавляющая часть полной массы Солнечной системы принадлежит Солнцу, т. е. центральному телу. На долю Солнца приходится 99,87% массы Солнечной системы, так что сила его притяжения почти полностью управляет движением планет, которые обращаются вокруг него по орбитам, близким к эллип-
сам. Поэтому Солнце находится почти точно в центре планетных орбит.
2. Орбиты всех планет и большинства астероидов близки к окружностям и лежат приблизительно в плоскости эклиптики, т. е. в плоскости земной орбиты. Наибольшим наклоном к эклиптике (земной орбите) и наибольшей вытянутостью обладают орбиты Плутона (17°) и Меркурия (7°).
3. По размерам, массе и общему строению большие планеты делятся на две группы: на планеты типа Земля (или планеты земной группы), расположенные внутри пояса астероидов, и планеты-гиганты (вне его). Плутон занимает особое положение, отличаясь от планет обеих групп.
Планеты типа Земля значительно меньше гигантов по массе и размерам. Они обладают большей средней плотностью вещества и сравнительно медленным вращением.
Планеты-гиганты в десятки и сотни раз массивнее планет земной группы. Они окружены сравнительно плотными протяженными атмосферами. В основном планеты-гиганты состоят из водорода и гелия; доля всех других элементов в них значительно меньше, чем у планет земной группы.
4. Все планеты обращаются вокруг Солнца в одну сторону,
причем направление их осевого вращения, как правило, совпада
ет с направлением движения по орбите. Исключение составляют
лишь Венера и Уран, которые вращаются в противоположную
сторону, причем ось вращения Урана почти лежит в плоскости
орбиты.
Перечисленные особенности связаны с теми условиями, в которых происходило формирование планет миллиарды лет тому назад.
Возраст Солнечной системы был определен на основании лабораторного изотопного анализа земных скальных пород, а также метеоритов и доставленных на Землю космическими аппаратами образцов лунного грунта. Оказалось, что наиболее старые из них имеют возраст около 4,5 млрд лет. Возраст Солнца, полученный на основе теории эволюции звезд, оценивается примерно в 5 млрд лет. Поэтому считается, что все планеты
сформировались приблизительно в одно время — 4,5-5 млрд лет тому назад.
Согласно существующим представлениям, вещество, из которого возникли планеты и их спутники, первоначально образовывало массивный диск из холодного газа и пыли, окружавший еще молодое Солнце. Планеты сформировались в результате роста сгущений, возникших под действием сил гравитации в этом вращавшемся диске. Поэтому и сейчас все они, сохраняя движение диска, обращаются вокруг Солнца в одну и ту же сторону. Плотность, температура и химический состав протопланетного вещества были весьма различными во внешних, далеких от Солнца, и внутренних, близких к нему, частях диска. Это привело к сильному различию двух групп планет — внутренних и внешних.
Две основные причины, определяющие важнейшие свойства каждой планеты, — это ее расстояние от Солнца и масса. Чем больше среднее расстояние планеты от Солнца, тем меньше энергии от него она получает. По этой причине температура планет быстро падает с увеличением расстояния от Солнца. Напомним, что, в отличие от далеких планет, планеты земной группы, расположенные ближе к Солнцу, содержат очень много тугоплавких элементов (кремний, железо и др.). По-видимому, это отражает особенности химического состава того протопланетного газопылевого диска, из вещества которого сформировались планеты: чем дальше от Солнца, тем больше легких газов содержалось в протопланетном диске. Причина этого в том, что на больших расстояниях от Солнца при более низких температурах молекулы легких газов могли намерзать на пылинки, в то время как вблизи Солнца легкие газы нагревались и покидали протопланетный диск.
Масса планеты определяет ее способность удерживать вокруг себя атмосферу. Газ всегда стремится к расширению, и газовые атмосферы удерживаются вокруг планет только благодаря гравитационному притяжению к ним. Но из атмосферы любой планеты непрерывно происходит утечка вещества в межпланетное пространство. Причина этого понятна: тепловое
движение молекул газа. Скорость каждой молекулы постоянно меняется из-за столкновений с другими молекулами. Если скорость случайно превысит вторую космическую, то такая молекула навсегда может покинуть разряженные внешние слои атмосферы планеты. Чем меньше масса планет, тем слабее ее гравитационное притяжение и тем быстрее она теряет свою атмосферу, поскольку наиболее "быстрым" молекулам легче покинуть ее. Из физики известно, что средняя скорость теплового движения молекул и атомов пропорциональна, 
, где Т — абсолютная температура газа, а m0 — масса его молекул (или атомов). Поэтому при любой температуре быстрее всего покидают атмосферу молекулы легких газов, имеющие более высокую среднюю скорость. Следовательно, со временем масса атмосферы и ее химический состав должны меняться. В атмосферах планет земной группы осталось очень мало легких газов (водорода и гелия). Меркурий из-за небольшой массы и высокой температуры, обусловленной близостью к Солнцу, практически вовсе лишен атмосферы. Атмосфера Марса из-за слабости его гравитационного поля сильно разряжена, а Луна и спутники планет вообще не смогли удержать вблизи себя газовую оболочку. Исключение составляет массивный и холодный спутник Сатурна — Титан, имеющий атмосферу, содержащую много достаточно тяжелого газа — азота, и небольшой спутник Юпитера—Ио. Последний теряет атмосферу непрерывно, но она постоянно пополняется за счет извержения вулканов, которые вместе с выбросом лавы выделяют много газов. По-видимому, и у планет земной группы (в том числе и у Земли) вулканические извержения и выделения газов из недр сыграли решающую роль в образовании атмосфер, когда планеты были еще молодыми.
На твердой поверхности больших планет (особенно не обладающих атмосферой) и их спутников наблюдаются многочисленные кратеры — результат метеоритной бомбардировки. Она происходит и в наше время. Однако наиболее интенсивной она была миллиарды лет тому назад. Такие тела, как Луна, Меркурий, спутник Юпитера Каллисто и другие, где кратеров очень много и где они мало разрушались, сохранили большую часть
своей поверхности в том виде, какой она была миллиарды лет назад. На Венере, Марсе и на некоторых спутниках (частично и на Луне) происходил процесс постепенного исчезновения старых кратеров. Они могли заполняться лавой (на Луне), разрушаться под действием ветра (как, например, на Марсе) или воды (как на Земле). Поэтому изучение поверхностей различных планет и спутников дает возможность узнать о далекой их истории и путях эволюции.
Сильные магнитные поля обнаружены пока у трех планет: Земли, Юпитера и Сатурна. По-видимому, они связаны с существованием электрических токов в расплавленных недрах этих планет. Если планеты земной группы Меркурий, Венера, Земля и Марс имеют относительно большую плотность и состоят из тяжелых элементов, то планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун имеют плотность чуть больше, чем у воды и состоят из легких элементов водорода и гелия. Они имеют мощные протяженные атмосферы, переходящие в жидкий слой поверхности. Например, Юпитер состоит в основном из водорода, 18% по массе приходится на гелий, имеется примесь аммиака NH3 и метана СН4 (болотного газа). Хотя планеты-гиганты холодны и безжизненны, благодаря огромным расстояниям между ними и большим массам он обладает многочисленными семействами спутников. Система Сатурна имеет даже более разительное сходство с Солнечной системой в целом не только потому, что у этой планеты 17 спутников (больше, чем число известных планет), но и потому, что она обладает также большими кольцами — миниатюрным "поясом астероидов". Кольца состоят из мелких частиц, покрытых льдом и обращающихся вокруг Сатурна в диске, относительная толщина которого по сравнению с его шириной меньше, чем у листа бумаги. Уран и Юпитер также имеют кольца, хотя они много слабее и поэтому их трудно наблюдать. Возможно, они есть и у Нептуна.
Помимо больших планет и их спутников, в состав Солнечной системы входят тысячи малых планет — астероидов, находящихся в основном между орбитами Марса и Юпитера, где они образуют так называемый пояс астероидов. Кроме того,
в межпланетном пространстве по очень вытянутым орбитам движутся твердые ледяные тела, окруженные газовой оболочкой, — кометы и множество камней и частиц самых различных размеров: метеоры и метеориты (рис. 10.6).
Астероиды.Большая часть астероидов (более пяти тысяч тел размером от одного километра до тысячи километров) движется между орбитами Марса и Юпитера. Орбиты их, как правило, не слишком сильно отличаются от окружностей. Периодические изменения яркости, наблюдаемые у некоторых астероидов, указывают на то, что они обладают неправильной формой, неровной поверхностью и вращаются вокруг своих осей. Поверхности астероидов, как и спутников планет, должны нести следы ударов более мелких тел. Атмосфер у астероидов нет.
Кометы— эти странные небесные скитальцы вызывали у людей суеверный страх чаще, чем любые другие небесные
тела. Большинство комет движется по чрезвычайно вытянутым орбитам и при каждом обороте приближаются к Солнцу лишь на непродолжительное время. В перигелии, при максимальном сближении с Солнцем, их блеск очень сильно возрастает. В это время они столь активны, что теряют заметную долю своего вещества и вокруг их ядра образуется протяженная атмосфера (кома) из газа и мелких пылевых частиц. Под давлением солнечного излучения и выброшенных Солнцем частиц кометный газ и пыль покидают голову кометы, порождая протяженный хвост, а то и несколько хвостов всегда сложной структуры. Вероятно, кометы внесли свой вклад в обогащение вещества Солнечной системы такими легкими летучими составляющими, как углерод и вода, без которых была бы невозможна жизнь на Земле.