АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІ. Елементи астрофізики

Тема 2.1. Фізика тіл Сонячної системи

§ 13. Планети земної групи

Вступ

Планети земної групи — особливі. В нашій планетній системі вони лежать ближче до Сонця, ніж планети-гіганти, і всі вони мають тверді поверхні.

Цілі вивчення § 13

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти фізичні умови на планетах земної групи; супутники Марса; дослідження планет земної групи з допомогою космічних апаратів;

• уміти розв’язувати задачі з використанням величин прискорення вільного падіння на різних планетах земної групи;

• оцінювати значення вивчення планет земної групи для природничих наук.

Актуалізація раніше набутих знань / компетентностей

Найперше, що треба пригадати — означення планети (§ 11). Не зайвим буде оновити знання, отримані з курсу «Природознавство» базової школи, а також пригадати особливості видимих рухів планет на зоряному неба (§ 8, п. 3, ч. 1 цього посібника). Оскільки йдеться про планети земної групи, то треба повторити матеріал § 10 (Земля і Місяць).

Радимо розглядати особливості планет земної групи, порівнюючи окремі їхні характеристики, наприклад, тривалість доби, будову поверхні (рельєфу) й атмосфери (§ 11 цього підручника). Також зверніть увагу на те, що серед планет земної групи лише Земля має великий розмірами супутник. У цьому параграфі не подано інформацію про Землю, бо їй присвячено окремий § 10 цього підручника.

Пояснювальний текст

У внутрішній Сонячній системі лежать планети Меркурій, Венера, Земля і Марс. Їхні поверхні тверді, а серед речовин, з яких складаються ці планети, переважають силікати (сполуки кремнію з різними елементами) і метали. Кору і мантію планет утворюють, головно, силікати, а метали (найбільше залізо й нікель), лежать у їхніх ядрах. Планети земної групи лежать ближче одна до одної, ніж планети-гіганти. Радіус міжпланетного простору, де перебувають ці об’єкти, менший за відстань між орбітами Юпітера й Сатурна.

п. 1. Фізичні характеристики планет земної групи. Фізичні умови на поверхнях планет земної групи залежать, по-перше, від маси планети, а отже, можливості сили тяжіння утримувати ту чи іншу потужністю атмосферу, і по-друге, від відстані до Сонця, що задає певний діапазон температур.

Рис 13.1. Порівняльні розміри планет земної групи.

Меркурій. Своїми розмірами найменший у групі планет земного типу Меркурій. Через близькість до Сонця його важко спостерігати з Землі. У періоди видимості його можна бачити лише низько над обрієм на тлі вечірньої чи ранкової заграви. Тому основні дані про фізичні умови на поверхні планети астрономи отримали тільки з початком космічної ери, коли в 1974— 1975 рр. до нього було відправлено перші космічні апарати.

Меркурій майже втричі ближчий до Сонця, ніж Земля, і практично позбавлений атмосфери, якщо не вважати за таку воднево-гелієвий потік сонячного вітру, що силою його тяжіння ненадовго затримується біля його поверхні. Тому на денному боці планети панує температура майже 700К (+430°С), а на нічному 90К (-180°С). Меркурій Проте незважаючи на високу температуру поверхні на дні меркуріанських кратерів біля полюсів було знайдено лід. Головним його джерелом на планеті, найбільш імовірно, є комети. Лід, принесений кометами, зберігається на дні ударних кратерів, прикритий тонким шаром темної речовини.

Меркурій складається переважно з заліза і нікелю. В центрі планети залягає металеве ядро, що охоплює понад 40% його об’єму. Середнє значення густини його речовини становить 5,43 г/см3, що трохи менше, ніж середня густина Землі. У планети немає супутників, а магнітне поле становить лише 1% від земного. З огляду на наявність, нехай і слабкого, магнітного поля можна говорити, що ядро перебуває у рідкому стані.

Поверхня Меркурія дуже нагадує місячну. Перше, що впадає в око, — велика кількість кратерів різних розмірів. Їх на Меркурії навіть більше, ніж на Місяці, й лежать вони густіше. Проте, на відміну від Місяця, тут значно менше великих відносно гладких ділянок, таких, як місячні моря. Очевидно, що кратери на Меркурії мають метеоритне походження.

Рис 13.2. Поверхня Меркурія.

Усі менше чи більше визначні деталі меркуріанського рельєфу мають власні назви. Кратерам надано імена видатних художників, композиторів, письменників, як-то: Бетховен, Бальзак, Лєрмонтов, Пушкін, Софокл тощо. Гірські ланцюги і каньйони отримали назви знаменитих кораблів і наукових станцій: Кон-Тікі, Мирний, Восток тощо.

Венера. Друга числом і найближча до Землі планета в Сонячній системі — Венера. Іноді їх розділяють усього 40 млн кілометрів. Як і Меркурій, її спостерігають увечері після заходу або вранці перед сходом Сонця. Проте, на відміну від Меркурія, у найсприятливіші періоди Венера на небосхилі майже вдвічі далі відходить від Сонця і світить у 10 разів яскравіше, ніж він. Тоді Венера поступається яскравістю лише Місяцю, а предмети відкидають від неї тіні.

Дослідження Венери космічними апаратами показали, що хмаровий покров планети у 30 км завтовшки містить здебільшого дрібні крапельки сірчаної кислоти, які в міру збільшення висоти над поверхнею перетворюються у кристалики. Саме завдяки цьому Венера така яскрава — відбиває в космічний простір до 70% сонячного світла. Для уявного спостерігача на планеті хмари ніколи не відкривають зоряного неба: ні Сонця, ні зір з поверхні Венери не видно.

Крізь товщу хмар сонячного тепла пробивається дуже мало, але через високий вміст вуглекислого газу (98%) парниковий ефект проявляється на Венері значно сильніше, ніж на Землі. Нижні шари атмосфери дуже сильно поглинають випромінюване поверхнею тепло, внаслідок чого впродовж мільярдів років поверхня планети розігрілась до дуже високої температури — майже 700К (+480°С). Спека не спадає ні вдень, ні вночі, а каміння під жовтогарячим небом буквально світиться.

Рельеф Венери схожий на земний. Радіолокатори космічного апарата «Магеллан» (США) ще в 1990 р склали досить детальну карту 98% поверхні Венери. На Венері було виявлено велику кількість ударних кратерів діаметром від трьох до трьохсот кілометрів. Відсутність кратерів меншого розміру зумовлена тим, що метеорити, здатні їх утворити, втрачають швидкість в атмосфері або просто згорають. Є на Венері плоскі й горбисті рівнини вулканічного походження, просторі низовини і плато, високі гірські масиви, а також глибокі каньйони (найбільший понад 6400 км завдовжки) і багато згаслих вулканів. Один з таких — вулкан Маат, навколо якого видно потужні потоки лави, що тягнуться на сотні кілометрів. Основний матеріал поверхні — базальтова лава.

Назви деталей на поверхні Венери пов’язують як із жіночими іменами — Земля Афродити, Земля Іштар, плато Лакшмі, так і з іменами видатних учених в галузі радіо- та електротехніки — Гальвані, Едісон, Попов та інші.

Рис 13.3. Карта поверхні Венери.

Марс. На відміну від Меркурія і Венери, Марс, залежно від його кутової відстані від Сонця, можна спостерігати і ввечері, і вранці, і впродовж усієї ночі. Як світило він має червонуватий колір, що дозволяє досить легко відшукати його на зоряному небі.

У розрідженій атмосфері Марса води і кисню дуже мало. І все ж досить часто в ній з’являються хмари з дрібненьких кристаликів льоду. Через це атмосфера Марса рідко буває цілком прозорою. Коли ж на Марсі розігруються пилові бурі, його поверхня на кілька місяців стає недосяжною для спостережень. Та за сприятливих марсіанських погодних умов із Землі можна розгледіти крупні деталі рельєфу, а полярні шапки біля полюсів Марса видно навіть в аматорський телескоп.

Через особливості взаємного руху Землі і Марса кожні 15 років Марс опиняється на найменшій віддалі від Землі —56 млн км. Таке зближення називають великим протистоянням. І тоді вивчати його найзручніше. Хоча нині це втратило свою актуальність, бо велика кількість космічних апаратів зробила можливим вивчення Марса просто на його поверхні.

На Марсі майже повсюдно панують низькі температури, бо він отримує сонячного тепла майже вдвічі менше, ніж Земля. Лише на екваторі вдень температура піднімається приблизно до 288К (+15°С), а вночі, через розріджену атмосферу, неспроможну утримати накопичене за день тепло, поверхня швидко вихолоджується до 170К (-100°С) на екваторі й 145К (-125°С) на полюсах. Найнижчу температуру зафіксовано взимку на полюсах — майже 140К (-130 °С).

Поверхня Марса — типова для планет земної групи. У чомусь вона нагадує місячну, а деінде земну. З одного боку, тут дуже багато кратерів, а з іншого, — є великі території, де кратерів майже немає, але добре помітні сліди діяльності потужних геологічних процесів. Червонуватий колір поверхні планети пояснюють присутністю в породах великої кількості мінералів (наприклад, магнетит), що містять оксиди заліза.

На поверхні Марса є кілька дуже великих згаслих вулканів — найбільших у Сонячній системі. Найвищий з них, гора Олімп, вивершується над поверхнею планети майже на 27 кілометрів! Його вік і вік кількох менших за нього висотою сусідів становить від 3.7 млрд до 500 млн років.

Рис. 13.4. Гора Олімп на поверхні Марса.

Ще одна особливість марсіанського рельєфу — система гігантських каньйонів «Долини Маринера» (Valles Marineris) завдовжки 4000 км і завглибшки до 7 км. Є на Марсі безводні річища. Їх — тисячі, і вони тягнуться на сотні кілометрів,. Нині умови на Марсі такі, що вода там не може перебувати в рідкому стані. Але напевне колись Марс мав потужнішу атмосферу, там діяв парниковий ефект, і клімат сприяв існуванню води в рідкому стані. Що призвело до втрати атмосфери, а згодом і річок, поки не зрозуміло. Згідно з однією з гіпотез, причиною було падіння астероїда. Згідно з іншими уявленнями, — це наслідок тривалого в часі впливу сонячного вітру — потоку заряджених частинок, що на великій швидкості приходять від Сонця. Ще одне припущення — Марс лежить поза “зоною життя” в Сонячній системі і надто мало тепла отримує від Сонця, щоб вода перебувала в рідкому стані.

Як було виявлено, нині великі запаси води у вигляді льоду є під марсіанською поверхнею у вигляді вічної мерзлоти.

Рис 13.5. Русла річок на поверхні Марса.

2004 р. на Марсі виявлено метан. Його джерело досі невідоме, але це може бути як наслідком вулканічної активності, так і діяльності живих організмів. Нові космічні місії (зокрема, «ЕкзоМарс») мають розкрити таємницю походження марсіанского метану.

У Марса є дуже слабке стале магнітне поле, що свідчить про тверде, а не рідке його ядро. Середнє значення густини речовини Марса менше, ніж у Землі.

У Марса, на відміну від Меркурія й Венери, є два супутники. Вони дуже малі і схожі на картоплини. Максимальний розмір Фобоса трохи більший за 25 км, а Деймоса — близько 15 км.

Поверхні супутників суцільно вкриті кратерами. Походження супутників Марса ще не з’ясоване. Можливо, колись вони були самостійними небесними тілами — астероїдами й рухалися в прилеглому до Марса поясі астероїдів, але зрештою були захоплені Червоною планетою. А можливо, колись удар колосальної сили вибив з Марса мільярди тонн речовини, і з неї на орбіті згодом сформувалися супутники. Схожим припущенням про гігантське зіткнення з Землею космічного тіла нині пояснюють і утворення Місяця.

Тепер з’являється все більше свідчень на користь другої версії. Нові докази здобуто після вивчення структури і складу Фобоса, виконаного з допомогою зонда «Марс Експрес». З’ясовано, що хімічний склад супутника не характерний для астероїдів, але має багато спільного з мінералами на Марсі. До них належать, наприклад, філлосилікати, що містять домішки води.

2. Дослідження планет земної групи. Раз планети земної групи (окрім Землі) можна спостерігати на зоряному небі неозброєним оком, вивчати їх стали дуже давно. Багато нової інформації про ці планети отримано від часу появи телескопа. Але принципово новий етап досліджень розпочався від початку космічної ери. До Меркурія, Венери та Марса були спрямовані космічні апарати (табл. 13.1). На поверхні Венери і Марса міжпланетні космічні станції здійснили посадку.

Таблиця 13.1

Космічні апарати для дослідження планет земної групи

Планета

Космічний апарат (країна)

Рік запуску

Результат

Меркурій

Марінер-10 (Mariner 10) (США)

1973

Перші фотографії поверхні Меркурія, на підставі яких складено карту (до 45 % поверхні) планети. Визначення температури на поверхні, складу атмосфери, магнітного поля

 

Мессенджер (Messenger) (США)

2004

Дослідження планети з орбіти

Венера

Марінер-2 (Mariner 2) США

1962

Вперше визначено (дистанційно) температуру поверхні (425 °С)

 

Венера-3 (СРСР)

1965

КА досяг поверхні планети, але інформацію не передав

 

Венера-4

1967

КА скинув в атмосферу зонд, який

     

працював приблизно 90 хв і досяг висоти 28 км над поверхнею Венери

 

Марінер-5 (Mariner 5) США

1967

Дослідження атмосфери

 

Венера-5

1969

КА увійшов в атмосферу й досяг висоти 23,8 км над поверхнею

 

Венера-6

1969

аналогічно КА Венера-5

 

Венера-7

1970

Перша посадка на Венеру й передача інформації про її поверхню

 

Марінер-10 (Mariner 10) США

1973

На шляху до Меркурія КА виконав фотографування Венери в ультрафіолеті

 

Венера-9

1975

посадка на поверхню, перше панорамне фото поверхні Венери

 

Венера-10

1975

посадка на поверхню

 

Піонер-Венера-1 (Pioneer Venus 1)

США

1977

Орбітальні дослідження планети впродовж 13 років

 

Піонер-Венера-2 (Pioneer Venus 2)

США

1977

КА доставив зонди в атмосферу, один з яких досяг поверхні

 

Венера-11

1978

посадка на поверхню

 

Венера-12

1978

посадка на поверхню

 

Венера-13

1981

посадка на поверхню, перше кольорове фото поверхні Венери, перший запис звуку (грому) на поверхні космічного тіла

 

Венера-14

1981

посадка на поверхню, дослідження ґрунту

 

Венера-15

1983

дослідження планети з орбіти

 

Венера-16

1983

дослідження планети з орбіти

 

Вега-1

1985

КА скинув аеростат в атмосферу і посадковий модуль

 

Вега-2

1985

КА скинув аеростат в атмосферу і посадковий модуль

 

КА «Магеллан» (Magellan) США

1989

Створено детальну карту 98% поверхні планети

 

КА «Венера Експрес» (Venus Express) Європейське космічне агентство

2005

Дослідження Венери з орбіти

Марс

Марінер-4 (Mariner 4) США

1964

15 липня 1965 р. КА пройшов на відстані 10 тис. км від Марса. Отримано перші фотографії поверхні планети.

 

Марс-2 (СРСР)

1971

КА, що першим потрапив на поверхню Марса, але розбився

 

Марс-3 (СРСР)

1971

Перша м’яка посадка на поверхню, але прилади КА не працювали

 

Марінер-9 (Mariner 4) США

1971

апарат передав понад 7000 зображень Марса (на них зафіксовано близько 80% поверхні планети). На зображеннях видно русла річок, кратери, величезні вулканічні утворення (такі як вулкан Олімп), каньйони (у т.ч. «Долину Марінера» — гігантську систему каньйонів завдовжки понад 4000 км, названу на честь наукових досягнень КА Марінер-9)

 

Марс-4 (СРСР)

1973

КА пролетів повз планету, інформацію не передав

 

Марс-5 (СРСР)

1973

Орбітальні дослідження Марса впродовж 17 земних діб

 

Марс-6 (СРСР)

1973

КА здійснив посадку, але інформація від нього надійшла неякісна

 

Вікінг-1

1975

Посадка на поверхню. Прграма пошуку ознак життя на Марсі

 

Вікінг-2

1975

Посадка на поверхню. Прграма пошуку ознак життя на Марсі

 

Фобос-2 (СРСР)

1988

Дослідження Марса і супутника

     

Фобос

 

Марс Глобал Сервейор (Mars Global Surveyor) США

1996

Картографування поверхні з низької орбіти (близько 400 км над поверхнею)

 

Марс Пасфайндер Mars Pathfinder)

США

1996

КА доставив на поверхню перший марсохід («Соджорнер»), обладнаний телевізійною стереокамерою

 

Марс Одіссей (Mars Odyssey)

США

2001

Орбітальні дослідження планети. КА отримав інформацію про великі запаси води під поверхнею Марса

 

Марс Експрес (Mars Express)

Європейське космічне агентство

2003

КА вперше виявив водяний лід в південній полярній шапці Марса, а також метан в атмосфері

 

Спіріт (Spirit, Mars Exploration Rover — А) США

2003

Марсохід. Дослідження поверхні планети

 

Оппортьюніти (Opportunity, Mars Exploration Rover — B) США

2003

Марсохід. Дослідження поверхні планети. Уперше зафіксовано явище метеора на Марсі

 

Марсіанський орбітальний розвідник (Mars Reconnaissance Orbiter, MRO)

США

2005

Дослідження планети з орбіти

Варто мати на увазі, що космічні дослідження планет земної групи (як і інших тіл сонячної системи) нині виконують майже в неперервному режимі. Одну космічну місію змінює інша, а біля Марса і на його поверхні одночасно працюють кілька зондів.

Типова задача

Якою має буди швидкість космічного корабля, щоб уявні марсіани могли на ньому вирушити в бік Землі?

Розв’язання: Пригадаймо, що мінімальну швидкість, яку необхідно надати тілу на поверхні планети, щоб воно вийшло за межі її гравітаційної дії, називають другою космічною швидкістю. Її значення виражає формула: де M і R значення маси і радіуса планети, а G — гравітаційна стала (G = 6,67 · 10-11 (Нм2/кг2)). Для Марса v2 = 5,0 км/с.

Навчальні завдання

• Є інформація, що в Антарктиді знайдено метеорит з Марса. Поясніть якісно, як речовина з Марса могла потрапити на Землю і як визначити, що це не земна речовина?

• Астронавт з поверхні Місяця кілька земних діб спостерігає за рухом Землі на небесній сфері. Опишіть і поясніть, що він побачить?

• Підкинутий угору камінь на Марсі буде довше чи швидше опускатися на поверхню, ніж на Землі з такої ж висоти? А пилинка? Поясніть.

• Чим схожа й не схожа Земля на інші планети земної групи?

• Поясніть причини парникового ефекту на Венері.

• Поясніть, як за допомогою радіолокаторів вдалося побудувати карти поверхні Венери?

Висновки

До планет земної групи, окрім Землі, належать Меркурій, Венера і Марс. Ці планети мають тверді поверхні, а їх хімічний склад зовсім не схожий, наприклад, на сонячний. У планетах дуже малий вміст водню й гелію, вони складаються переважно з силікатів і металів.

Запитання для самоперевірки

1. Назвіть планети, які віднесено до земної групи?

2. Чим схожі між собою Меркурій і Місяць?

3. Назвіть головні подібності та відмінності між Землею та Венерою.

4. Назвіть головні подібності та відмінності між Землею та Марсом.

5. Якого найменшого розміру деталі на поверхні Венери можна роздивитись із Землі в найпотужніший на сьогодні оптичний телескоп?

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 13

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

Додаток 1

5 фактів про марсіанську місію «Вікінги»

3 вересня 1976 р. автоматична міжпланетна станція «Вікінг-2» здійснила посадку на Марсі і зробила перші кольорові фотографії поверхні Червоної планети. Нижче подано 5 фактів про цю марсіанську програму.

1. Автоматичні зонди «Вікінг-1» і «Вікінг-2» стали першими космічними апаратами, які успішно відпрацювали на поверхні Марса.

2. «Вікінги» мали однакову конструкцію. Кожен з них складався з орбітального модуля — штучного супутника Марса — і автоматичної марсіанської станції, яка працювала на поверхні планети. Обидва апарати були запущені 1975 р. з мису Канаверал з проміжком у 3 тижні й долетіли до Марса менше, ніж за рік.

3. Спускний апарат «Вікінга-2» сів на Марс 3 вересня, через півтори місяця після свого «колеги». У той же день було зроблено першу кольорову фотографію марсіанської поверхні, де зображено Рівнину Утопії.

4. Одним з головних підсумків місії «Вікінгів» стало отримання даних про марсіанський ґрунт. Тестові зразки ґрунту містили кремній і залізо, багато магнію, а також алюміній, кальцій, титан. Водночас кількість калію виявилася в 5 разів меншою за середній показник його вмісту в земній корі.

5. Місія, на яку було витрачено близько 1 мільярда доларів, стала однією з найінформативніших марсіанських програм, хоча органічних сполук або їх слідів під час її виконання так і не було виявлено.

За результатами вивчення § 13 Ви маєте:

знати й розуміти

фізичні умови на планетах земної групи; супутники Марса; дослідження планет земної групи з допомогою космічних апаратів.

уміти

розв’язувати задачі з використанням величин прискорення вільного падіння на різних планетах земної групи.

оцінювати

значення вивчення планет земної групи для природничих наук.






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.