КУРС ЗАГАЛЬНОЇ АСТРОНОМІЇ - С. М. АНДРІЄВСЬКИЙ 2007

Частина V

ФІЗИЧНА ПРИРОДА ТІЛ СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ

Розділ 12

ПЛАНЕТИ ТА ЇХНІ СУПУТНИКИ

12.1. Елементи фізики планет

Виходячи з уявлень про гідростатичну рівновагу планети, а отже, використовуючи рівняння (11.4) та певне рівняння стану (для твердих тіл зв'язок тиску і густини наближено задається співвідношенням p ~ ρ2), при відомій масі планети обчислюють її радіус та розподіл параметрів від її центра до поверхні. Задача ця досить складна. Зокрема, слід враховувати, що при збільшенні тиску водень переходить у газорідкий стан (при цьому зникає відмінність між воднем газоподібним і твердим), а потім у твердий металічний водень і рідкий металічний водень. Аналогічно при високих тисках металізуються й інші речовини. їхні властивості у всіх агрегатних станах вивчає квантова механіка та статистична фізика.

Усе це дає змогу розрахувати діаграму маса — радіус для небесних тіл, побудованих з холодного водню, гелію і льоду (12.1). Як виявилося, кожній заданій масі відповідає цілком конкретне значення радіуса тіла. Зі зростанням маси радіус планети спочатку зростає, а потім зменшується. У цьому проявляється зростаюче самопритягання речовини та її здатність переходити у щільніші агрегатні стани. Найбільший радіус чисто водневої планети не може перевищувати 80 000 км.

image25

Рис. 12.1. Діаграма маса — радіус для холодних небесних тіл

На цій діаграмі Юпітер і Сатурн знаходяться недалеко від кривої тіл з чистого водню. Очевидно, ці планети справді складаються з водню з невеликою домішкою гелію. Планети Уран і Нептун розташовані поблизу кривої чисто гелієвих тіл. Очевидно, їхня речовина містить значну кількість елементів, важчих за гелій. За одною з моделей у ній міститься близько 50% води, 20% водню, стільки ж метану і близько 5% аміаку. Як видно, невизначеність щодо хімічного складу планет велика.

Перебуваючи на відомій відстані від Сонця, кожна з планет отримує від нього певну кількість енергії:

image26

де R — радіус планети; S = πR2 — площа її поперечного перерізу; q — сонячна стала для цієї планети; А — так зване альбедо, яким визначається відносна частина сонячної енергії, що відбивається (розсіюється) поверхнею у міжпланетний простір. Параметр q для Землі відомий; для інших планет, згідно з формулою (11.1), він змінюється обернено пропорційно квадрату їхніх відстаней від Сонця. Це дає змогу визначити температуру поверхні планети Т. Обчислюють її з умови динамічної рівноваги Е+ = Е- Тобто записана вище величина Е дорівнює енергії, що її планета випромінює з усієї своєї площі:

image27

Для Землі обчислене Т = 256 К, тобто t = —17°С. Для всіх інших планет мало б бути . Насправді середня температура Землі Т = 288 К (+15°С), що зумовлене парниковим ефектом. З іншого боку, якби Земля взагалі не мала атмосфери, то у підсонячній точці температура досягала б близько 390 К і більше, тоді як на протилежній частині Землі — приблизно на 300 К менше. Є певна неозначеність і в альбедо тієї чи іншої планети.

Ще одне важливе питання, яке стосується всіх планет, — це стійкість їхніх атмосфер з часом. Для кожної з планет можна обчислити параболічну швидкість V на її поверхні, а за формулою (8.44) — середню швидкість молекули в її атмосфері V*. І хоча, як правило, V* < Vп, проте атмосфера планети може втрачати молекули того чи іншого газу. По-перше, тому, що у верхніх шарах атмосфери (в екзосфері) температура досягає 1000 К і, отже, швидкості молекул і атомів більші. По-друге, формула (8.44) дає середню швидкість частинки, тоді як згідно з розподілом Максвелла (8.43) у «хвості» цього розподілу завжди є певна кількість частинок, швидкості яких перевищують Vп.

З обчислень випливає, що характерний час дисипації водню з атмосфери Землі становить 36 тис. років, тоді як гелію — 4-1013 років. Для атмосфери Марса це відповідно 900 і 11 000 років. Важкі елементи, такі як азот і кисень, дисипувати з атмосфери Землі не можуть. Для Марса це може статися в масштабах мільярдів років. Що ж стосується планет-гігантів, то їхні атмосфери є цілком стійкими завдяки великим Vп і низьким температурам верхніх хмарових шарів (тоді мале V*).






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.