АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІ. Елементи астрофізики

Тема 2.1. Фізика тіл Сонячної системи

§ 11. Будова Сонячної системи

Вступ

Сонячну систему, яка складається з різних небесних тіл, в астрономії розглядають також як цілісне утворення з цілком певними характеристиками й особливостіми будови. Ці параметри тривалий час були «унікальними», бо їх не було з чим порівняти. Але після відкриття планет біля інших зір, вони набувають ознакового значення, що характеризують нашу планетну систему серед інших схожих систем у Всесвіті.

Цілі вивчення § 11

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти: поняття планета; загальну будову Сонячної системи; планети Сонячної системи та порядок їх розміщення відносно Сонця; поділ планет Сонячної системи на дві групи; загальні особливості планет земної групи і планет-гігантів, їх відмінності між собою; коротку історію вивчення будови Сонячної системи;

• уміти формулювати поняття планета;

• оцінювати особливості планет Сонячної системи та історію вивчення її будови. Актуалізація раніше набутих знань / компетентностей

З поняттям Сонячна система ви мали справу, вивчаючи шкільні предмети «Природознавство» та «Географія». Бажано згадати інформацію про це поняття.

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Зверніть увагу на те, що різні космічні тіла, які силою тяжіння біля себе утримує Сонце, називають планетною системою. І окремі, доволі не схожі фізичними характеристиками небесні тіла, утворюють систему, що має цілком певні параметри як сукупний небесний об’єкт. Цікаво, що саме поняття система, яке широко застосовують у наукових дослідженнях, виникло з огляду на існування Сонячної системи. Хоча до складу «сім’ї» Сонця належать різні тіла, головними серед них є планети. Бажано мати уявлення як про фізичні характеристики окремих планет, так і засвоїти поняття планета. Воно є відносно новим в астрономії і з огляду на відкриття екзопланет (планет біля інших зір) і так званих «блукаючих» планет, що мають існувати в Галактиці самі, а не поблизу материнської зорі, воно з часом може набути додаткового змісту.

Пояснювальний текст

Мало хто із землян сприймає Сонячну систему, як свою, нехай і велику, домівку. Ми дуже сильно «прив’язані» до рідної планети, до її фізичних умов. Проте пам’ятаймо, без Сонця, головного тіла планетної системи, наше існування неможливе. А без Місяця, супутника Землі, воно, імовірно, було б іншим, не таким, яким ми його бачимо і знаємо. Крім того, порівнюючи відстані від Землі до планет Сонячної системи і до найближчих зір, ми бачимо, що наша планетна система — це маленький острівець у міжзоряній «пустелі».

1. Загальна будова Сонячної системи. Нашу планетну систему схематично можна уявити так: у її центрі міститься Сонце (небесне тіло, що належить до сімейства зір), навколо якого обертаються вісім великих планет (Меркурій, Венера, Земля, Марс, Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун). Окрім них, є карликові планети (найвідоміша з них — Плутон), 170 відомих на сьогодні супутників великих планет, астероїди й комети. На найдальшій околиці нашу планетну систему огортає сферична хмара крижаних об’єктів різних розмірів (хмара Оорта). До Сонячної системи також належать міжпланетний пил і газ, випромінювання й фізичні поля.

Рис. 11.1. Будова Сонячної системи (схема не в масштабі розмірів і відстаней).

Понад 99,8% маси нашої планетної системи припадає на Сонце. Решта маси розподілена так: 99% — великі планети (Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун); 1% — всі інші тіла Сонячної системи.

Завдяки гравітаційній взаємодії Сонце утримує всі тіла планетної системи, що обертаються навколо нього. Орбіти більшості великих об’єктів лежать поблизу площини орбіти Землі (екліптики). Водночас орбіти комет і об’єктів поясу Койпера, який починається за орбітою Нептуна, часто лежать під великими кутами до екліптики. Майже всі тіла обертаються навколо Сонця в одному напрямку — проти стрілки годинника, якщо дивитися з північного полюса Землі. Отже, Сонячна система — динамічне утворення: всі її об’єкти перебувають у стані руху (навколо власної осі і навколо Сонця). Рух усіх небесних тіл навколо Сонця описують закони Кеплера (§ 12), що є проявом відомого з кусу фізики закону всесвітнього тяжіння. Планети гравітаційно впливають одна на одну та на інші тіла Сонячної системи. Щоправда, порівнюючи з гравітацією Сонця, такий уплив дуже незначний.

Незважаючи на те, що про планети люди знають здавна, чіткого визначення поняття планета в астрономії не було до 2006 р. Однак потреба в чіткому розмежуванні планет Сонячної системи підштовхнула МАС до визначення цього поняття.

Отже, планета — це небесне тіло, яке:

• обертається навколо Сонця,

• відносно велике й масивне, щоб мати кулясту форму,

• очищає околиці своєї орбіти (тобто поряд з планетою немає інших, співмірних з нею розмірами й масою, тіл).

Цікавим не лише під оглядом науки, але й світогляду є питання про межі Сонячної системи. Воно цікавило людину завжди, але відповідь на нього було знайдено тільки у ХХ ст. Нині межею нашої планетної системи вважають оболонку геліосфери — ту ділянку космічного простору, де сонячний вітер (частинки, що летять від Сонця) зустрічається з «вітрами» від інших зір, втрачає швидкість і вступає у взаємодію з міжзоряними частинками. Геліосфера — це зона в космічному просторі навколо Сонця, яку можна уявити собі як велетенську «бульбашку» (за різними оцінками 100 — 150 а.о. у поперечнику), що огортає Сонячну систему й наповнена речовиною та магнітними полями, що походять із Сонця. Геліосфера обмежує кількість заряджених частинок, що потрапляють з далекого космосу в Сонячну систему, й отак, можливо, захищає життя на Землі.

До слова, космічний апарат «Вояджер-1», запущений із Землі 1977 року, ще в 2012 р., вочевидь, перетнув межу Сонячної системи і станом на березень 2017 р. відійшов від Сонця на понад 138 а. о. (понад 20.6 млрд км). Нині це найвіддаленіший штучний об’єкт, який вийшов у міжзоряний простір.

2. Особливості будови Сонячної системи. В астрономії часто Сонячну систему поділяють на окремі ділянки. Цей поділ не формальний — він відображає особливості як її загальної будови, так і окремих груп об’єктів. До внутрішньої Сонячної системи відносять чотири найближчих до Сонця планети, а також пояс астероїдів між орбітами Марса і Юпітера.

Зовнішню Сонячну систему утворюють інші чотири планети й об’єкти за орбітою Нептуна — пояс Койпера, що тягнеться на відстань, як гадають, від 30 до 50 а.о. від Сонця.

З огляду на головні фізичні параметри (розмір, маса, середня густина, хімічний склад) планети Сонячної системи поділяють на дві групи — планети земного типу і планети-гіганти. До першої групи, окрім Землі, належать Меркурій, Венера й Марс, до другої групи — Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун.

Особливості планет земної групи. Меркурій, Венера і Марс так само, як і Земля, — це планети відносно невеликих розмірів і мас, з твердими поверхнями, рельєф яких має спільні риси. Середнє значення густин речовини цих планет у кілька разів є більшим за густину води. А те, що густини мають близькі значення, свідчить про подібність хімічного складу їхніх надр. Планети земної групи складаються, головно, з силікатних порід і металів.

Натомість атмосфери планет земного типу значно різняться між собою. Меркурій оточений дуже розрідженою воднево-гелієвою оболонкою, яка насправді є потоком сонячної плазми, дещо згущеної навколо планети під дією її сили тяжіння. Атмосфера Венери на 97% складається з вуглекислого газу і дуже густа: біля поверхні її густина усього в 15 разів менша за густину води, а тиск становить майже 90 атм. Марс також має атмосферу, що на 95% складається з вуглекислого газу, але значно розрідженішу, ніж у Венери. Тиск біля його поверхні у 170 разів менший, ніж біля поверхні Землі.

У планет земної групи дуже мало супутників: у Землі — один, у Марса — два крихітних, у Венери й Меркурія — жодного. Періоди обертання навколо осей відносно зір (зоряна доба) майже однакові (18 хв різниці) у Землі і Марса. Меркурій обертається навколо осі майже за 59 земних діб, Венера — за 243 земних доби, та ще й у зворотньому напрямку. Тобто за погляду на Венеру з боку Північного полюса нашої планети її обертання відбувається за годинною стрілкою, а не проти неї, як у більшості інших планет.

Сонячна доба (період зміни дня і ночі) у Меркурія і Венери, порівнюючи з Землею і Марсом, дуже відмінна від зоряної. На Меркуріїї вона найтриваліша в Сонячній системі — 176 земних діб, що дорівнює двом меркуріанським рокам по 88 земних діб. На Венері сонячна доба триває 117 земних діб,тоді як рік — 225 земних діб.

Планети земної групи різняться між собою й розмірами. Меркурій майже втричі менший за Землю, Марс — удвічі. Найближча розмірами до Землі Венера — усього на 640 км менша в поперечнику за нашу планету.

Особливості планет гігантів. Планети-гіганти помітно відмінні від планет земної групи, і не лише істотно більшими розмірами й масами. Вони мають значно менші середні густини, близькі до густини води, що свідчить про інший хімічний склад.

Всі планети-гіганти мають потужні воднево-гелієві атмосфери з домішками метану й аміаку і не мають твердих поверхонь. У міру заглиблення в їхні атмосфери речовина плавнопереходить у суміш газу й рідини, а потім — у рідину. Проте під атмосферами, товщина яких закономірно зменшується зі збільшенням відстані від Сонця, кожна з них має тверде ядро.

Всі планети-гіганти швидко обертаються навколо своїх осей, але не як тверді тіла: періоди їх обертання на різних широтах різні — приполярні зони обертаються повільніше, ніж екваторіальні. Такий, притаманний усім газоподібним тілам характер обертання, властивий також і Сонцю. Через швидке обертання у всіх планет-гігантів навіть на око помітно сильну сплющеність: полярний радіус Юпітера й Сатурна на кілька тисяч, а Урана й Нептуна на кілька сотень кілометрів менший за екваторіальний.

Група планет-гігантів, своєю чергою, чітко поділяється на дві пари: Юпітер і Сатурн мають більші розміри, менші густини й менші періоди обертання, ніж Уран і Нептун.

Планети-гіганти є центральними тілами своїх маленьких систем, де обертаються їхні супутники. Окрім того, вони оточені кільцями, що складаються з відносно дрібних частинок. Тому в межах Сонячної системи можна виділити підсистеми — планети вкупі з супутниками.

Пояс астероїдів між орбітами Марса і Юпітера — це безліч невеликих твердих тіл неправильної форми, що складаються з гірських порід і металів. Найбільшим серед них є карликова планета Церера (950 км у поперечнику). Об’єкти з поясу Койпера і хмари Оорта складаються здебільшого з летких матеріалів — льодів метану, аміаку і води. Найбільшими серед тіл поясу Койпера, що відомі сьогодні, є Плутон, Ерида, Макемаке і Хаумеа.

Якщо розглядати рух усіх великих планет навколо Сонця на великих проміжках часу, то можна зауважити, що іноді вони опиняються у вузькому секторі площини екліптики по один бік від Сонця. Цю конфігурацію називають парадом планет. Востаннє парад планет відбувся в кінці 70-х років ХХ ст., що дозволило NASA реалізувати науково-дослідницьку программу «Великий тур» (АМС «Вояджер-1» і «Вояджер-2»). Хоча засоби масової інформації доволі часто пишуть про «паради планет» у Сонячній системі, але конфігурація, схожа на ту, що була наприкінці 70-х років минулого століття, повториться тільки у 2200 р. Зауважте, положення планет відносно Сонця безупинно змінюється, але небесна механіка дозволяє дуже точно обчислити їх на будь-коли. Це означає, що парад планет — цілком передбачуване явище природи.

3. Коротка історія вивчення будови Сонячної системи. Професійне вивчення складу Сонячної системи почалося 1610 року, коли Ґалілео Ґалілей відкрив у свій телескоп 4 найбільші супутники Юпітера. 1655 року Християн Гюйгенс відкрив Титан — найбільший супутник Сатурна. До кінця XVII ст. Кассіні відкрив ще 4 супутники Сатурна.

1781 року. вперше з допомогою телескопа було відкрито раніше невідому планету Уран. Незабаром Гершель, першовідкривач нової планети, відкрив 2 супутники Урана і ще 2 супутники Сатурна.

Ще з 1766 року астрономам було відоме правило Тиціуса-Боде, суть якого полягає в тому, що відстані планет від Сонця в астрономічних одиницях близькі до геометричної прогресії. Якщо Меркурію, Венері, Землі, Марсу, Юпітеру і Сатурну приписати відповідно числа n = -∞, 0, 1, 2, 4, 5, то їх відстані від Сонця визначатиме формула r = 0,4 + 0,3 x 2n

З порівняння справжніх відстаней планет від Сонця з обчисленими за правилом Тиціуса- Боде випливало, що на відстані у 2,8 а.о., тобто між Марсом і Юпітером, має бути планета. От тільки ніякої планети там не було. То ж після відкриття Урану, відстань до якого від Сонця також задовільно описувало це правило, група астрономів у 1796 р. заходилася її шукати.

Відкриття нового небесного тіла між Марсом і Юпітером 1 січня 1801 р. цілком випадково зробив італійський астроном Джузеппе Піацца. Це був перший астероїд Церера, яку з 2006 р. віднесено до карликових планет. Термін «астероїд» (тобто «зореподібний») запровадив Вільям Гершель, бо за спостережень у телескоп ці об’єкти схожі на зорі. Для земного спостерігача кутовий діаметр навіть найбільших астероїдів не більший за 0,5", тому з допомогою наземних телескопів неможливо розгледіти їхню форму. Незабаром було відкрито ще три астероїди — Паллада, Веста і Юнона.

1846 р. незалежно в Англії і Франції було відкрито восьму планету Сонячної системи — Нептун.

1930 року Клайд Томбо (США) відкрив Плутон, названий дев’ятою планетою. Однак 2006 р. Плутон позбавили статусу великої планети й перевели в розряд карликових планет.

У другій половині ХХ ст. було відкрито багато супутників планет-гігантів. А надто завдяки космічним місіям американських АМС «Вояджер». На межі двох тисячоліть також було відкрито карликові планети поясу Койпера й супутники деяких із них.

Навчальне завдання

• Підготуйте усну доповідь або презентацію на тему «Коротка історія вивчення будови Сонячної системи».

Висновки

Сонячна система — планетна система, до якої належить Земля. Нашу планетну систему схематично можна уявити так: у її центрі міститься зоря — Сонце, навколо нього обертаються вісім великих планет (Меркурій, Венера, Земля, Марс, Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун). Окрім них, є карликові планети (найвідоміша з них — Плутон), більше сотні супутників великих планет, астероїди й комети. До Сонячної системи також належить міжпланетний пил і газ, випромінювання й фізичні поля.

1. Сформулюйте поняття планета.

2. З огляду на які фізичні параметри планети Сонячної системи поділяють на планети земного типу і планети-гіганти?

3. Назвіть особливості планет земної групи.

4. Назвіть особливості планет-гігантів.

5. З якого правила випливає, що на відстані у 2,8 а.о., тобто між Марсом і Юпітером, має бути планета.

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 11

• Пункт «Сонячна система» розділу «Науково-популярні статті» Українського астрономічного порталу. (http://www.astrosvit.in.ua/statti/soniachna-systema)

• Крячко І.П. Парад планет. (http://www.astroosvita.kiev.ua/infoteka/artides/parad-planet.php)

За результатами вивчення § 11 Ви маєте:

знати й розуміти

поняття планета; загальну будову Сонячної системи; планети Сонячної системи та порядок їх розміщення відносно Сонця; поділ планет Сонячної системи на дві групи; загальні особливості планет земної групи і планет-гігантів, їх відмінності між собою; коротку історію вивчення будови Сонячної системи.

уміти

формулювати поняття планета.

оцінювати

особливості планет Сонячної системи та історію вивчення її будови.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.