Доклад: Планетная система

ПЛАНЕТНАЯ СИСТЕМА

Сама по себе планетная система Солнца изучена очень хорошо. И не только методами наблюдательной астрономии, но и прямыми исследованиями с помощью межпланетных автоматических станций. Как она устроена, мы знаем очень хорошо. Но что касается того, как она возникла, единого мнения нет до сих пор. На протяжении последних триста лет, начиная от Рене Декарта (1596 - 1650), было высказано несколько десятков космогонических гипотез, в которых рассмотрены самые разнообразные варианты ранней истории Солнечной системы. Теория, рассматривающая происхождение планетной системы, должна объяснить следующее: 1) почему орбиты всех планет лежат практически в плоскости солнечного экватора, 2) почему планеты движутся по орбитам, близким к круговым, 3) почему направление обращения вокруг Солнца одинаково для всех планет и совпадает с направлением вращения Солнца и собственным вращением планет вокруг своих осей, 4) почему 99,8% массы Солнечной системы находятся на Солнце, и лишь 0,2% на планеты, тогда как планеты обладают 98% момента количества движения всей солнечной системы, 5) почему планеты делятся на две группы, резко различающиеся между собой средней плотностью, 6) почему вещество планет обладает таким большим относительным количеством химических элементов от железа и более тяжёлых, включая и уран, 7) почему до сих пор надёжно не обнаружены планетные системы у других звёзд?

Чаще всего приводятся три гипотезы:

1) планеты образуются из того же газопылевого облака, что и Солнце (Кант),

2) это облако было захвачено Солнцем при его обращении вокруг центра Галактики (О.Ю.Шмидт), и

3) оно отделилось от Солнца в процессе его эволюции (Лаплас, Джинс и др.).

Однако ни одна из этих гипотез на все вышеприведенные вопросы не отвечает. Поэтому попробуем и мы изобрести свою гипотезу. Как известно, порядка 30% звёзд входят в кратные системы, чаще всего двойные. Мы можем допустить, что 7 миллиардов лет назад сформировалась двойная звёздная система, где меньшей звездой было Солнце. Другая звезда была значительно больше, поэтому она быстро прошла свой путь эволюционного развития и взорвалась, вспыхнув сверхновой звездой и оставив вместо себя нейтронную звезду. Затем эта нейтронная звезда почему то разрушилась. Единственной причиной её разрушения было столкновение с достаточно плотным объектом, которым вряд ли было другое тело, кроме как белый карлик – железная звезда.

Белый карлик проходил настолько близко мимо системы Солнце – нейтронная звезда, что был захвачен их гравитационным полем. При этом, в процессе их взаимного вращения, нейтронная звезда и белый карлик настолько сблизились, что или столкнулись, или гравитационное поле нейтронной звезды настолько деформировалось, что она потеряла устойчивость. Последовал грандиозный взрыв. Разрушились и нейтронная звезда, и белый карлик. Возможно, при этом и Солнцу досталось. Часть его короны была сорвана. Безусловно, что продукты взрыва приобрели такие скорости, что 99% процентов их покинули окрестности Солнца. И только около одного процента центральной области взрыва осталось в области гравитационного влияния Солнца, образовав диск обломков разной величины и газа.

Далее, под действием солнечного ветра газовая составляющая была оттеснена на периферию диска. Обломки сначала двигались по разным эллиптическим орбитам. Но, сталкиваясь и объединяясь с другими обломками, стали приобретать орбиты всё более близким к круговым. А, объединяясь, обломки стали формировать планеты. Далее по гипотезе Шмидта. В конечном счёте, сформировались планеты. Причем, более дальние образовались конденсацией водорода и его соединений (метана) и азота на твёрдых небольших периферийных планетах.

Такая гипотеза отвечает на все вопросы, поставленные выше. В том числе и на вопрос об аномально высоком содержании тяжёлых элементов в веществе планет. Действительно, белый карлик состоит в основном из железа. И мы имеем много железа в недрах планет. Нейтронная же звезда, разрушаясь, порождала весь спектр элементов таблицы Менделеева, в том числе и уран. Эта гипотеза объясняет и происхождение метеоритов, а также комет. Известно например, что метеориты представлены двумя основными видами – железные метеориты (5,7%), каменные хондриты (85,7) и каменные ахондриты(7,1%). Причём железные метеориты имеют кристаллическую структуру которая может сформироваться в недрах объекта радиусом 100-200 км. То есть быть крупными астероидами. Такими же размерами обладали и объекты из которых образовались и каменные хондриты. То есть они образовались из тел, которые в свою очередь образовались из остатков белого карлика и нейтронной звезды.

Такая катастрофа, как описанная выше, исключительно редкое явление. Несколько позже мы подсчитаем вероятность такого события. По крайней мере, и сейчас мы можем понять почему планетные системы так редко могут встречаться, что, по крайней мере до настоящего времени, они ещё надёжно не обнаружены.

Сейчас (не в масштабе) планетная система имеет примерно такой вид (Рис.1): Обломки разрушившихся звёзд располагались в области от Меркурия до Юпитера, где и сформировались планеты земного типа. Дальше, на основе небольших железокаменных планетах конденсировалась газовая составляющая, оттеснённая на периферию системы солнечным ветром. После взрыва, не все конечно остатки звёзд приобрели орбиты в области эклиптики. Но большая часть, сталкиваясь в течение почти миллиарда лет и образовав планеты, определила орбиты планет лежащих в среднем в плоскости эклиптики. А небольшая часть до сих пор вращается по самым разным орбитам, формируя сферу комет. В области между Марсом и Юпитером, обломки до сих пор, в силу законов небесной механики, не смогли сформировать планету, а образовали пояс астероидов.

То, как происходили столкновения обломков взорвавшихся звёзд, можно наблюдать и до сих пор. Ведь до сих пор продолжается падения на Землю метеоритов и пыли. Что же творилосьземлепять миллиардов лет назад, можно только представить. В зависимости от соотношения скоростей и масс обломков, они не только объединялись в планеты, но и разрушались, порождая небольшие метеориты.

Зародышами планет, по всей видимости, были наиболее крупные обломки белого карлика, размером от сотен до тысячи километров. Даже сформировавшись, планеты двигались по орбитам не совсем круговым (да и сейчас они не очень круговые, а быстрее эллиптические). Поэтому они могли подходить довольно близко друг к другу. По всей видимости это явилось причиной появления Луны, но на этом мы остановимся несколько позже. Теперь остановимся подробнее на том, что населяет нашу планетную систему, и начнём с больших планет.

Меркурий. По своим размерам эта ближайшая к Солнцу планета лишь немногим больше Луны. Её радиус равен 2437 км. Движется она вокруг Солнца по вытянутой эллиптической орбите.

Поэтому он то приближается к Солнцу на расстояние 45,9 млн. км, то удаляется от него до 69,7 млн. км, совершая полный оборот за 87,97 суток. Сутки на Меркурии равны 58,64 земных суток, а ось вращения перпендикулярна к плоскости её орбиты. В полдень температура на экваторе достигает 420°С, ночью она уменьшается до -180°С. Средняя плотность Меркурия равна 5,45 г/см² . Атмосферы практически нет. Поверхность Меркурия щедро усеяна кратерами (Фото 1). В общем, Меркурий очень похож на Луну. Конечно, нет никаких оснований предполагать, что на этой планете возможна жизнь.

Венера. Это ближайшая к нам планета, плотно укутанная облаками, долго была планетой загадок. Сейчас мы о ней знаем следующее:

Средний радиус – 6052 км. Масса в долях массы Земли – 0,815. Среднее расстояние от Солнца 108,21 млн. км, или 0, 723 астрономической единицы (астрономическая единица равна среднему расстоянию от Земли до Солнца – 149,6 млн. км). Период обращения 224,7 земных суток. Период вращения вокруг оси – 243,16 суток, то есть сутки на Венере несколько больше, чем год. Интересно, что при её максимальном сближении с Землёй, Венера оказывается повёрнутой одной и той же стороной к Земле. Кроме того, направление её вращения вокруг оси обратно направлениям вращения других планет. Установлено, что атмосфера планеты состоит на 97,3% из углекислого газа. Азота здесь меньше 2%, кислорода – меньше 0,1%, водяного пара – менее 1%. Температура вблизи поверхности составляет 468 ± 7°С, давление – 93 ± 1,5 атм. Толщина облачного покрова достигает 30 – 60 км. Магнитное поле у Венеры отсутствует. Воды на поверхности, естественно нет. Но есть горы и масса кратеров. Поверхность её мы можем видеть благодаря снимкам сделанным с помощью станции «Венера-9» (Фото 2).
Наличие кратеров говорит во-первых о том, что они образовались в ту эпоху (на заре формирования планет), когда атмосферы ещё не было. Во-вторых, что процессы эрозии поверхности планеты выражены очень слабо. Всё это говорит о том, что жизни на Венере нет и никогда не было.

Далее. О Земле мы будем говорить отдельно, а дальше посмотрим на Марс.

Марс. Планета Марс почти вдвое меньше Земли по размерам (экваториальный радиус Марса равен 3394 км) и в девять раз –по массе.На среднем расстоянии 228 млн. км от Солнца она обращается вокруг него за 687 земных суток. Сутки на Марсе почти такие же как на Земле – 24 часа 37 минут. Плоскость экватора наклонена к плоскости орбиты планеты под углом 25°, благодаря чему здесь происходит регулярная смена времен года, похожая на земную. Две трети поверхности Марса занимают светлые области, получившие в прошлом название материков, около одной трети – тёмные участки, названные морями. Вблизи полюсов осенью образуются белые пятна – полярные шапки, исчезающие в начале лета. Температура на экваторе планеты колеблется от +30°С в полдень до -80°С в полночь. Вблизи полюсов она достигает -143°С. Установлено, что давление у поверхности Марса в среднем в 160 раз меньше, чем давление на уровне моря для земли. Атмосфера планеты в основном состоит из углекислого газа – 95%, а также 2,7% азота и пр.

Основная составляющая почвы Марса – кремнезём, содержащий примесь (до 10%) гетитов – гидратов окислов железа. Именно они придают планете красноватый оттенок. Поверхность Марса во многих отношениях напоминает лунный пейзаж (Фото 3). Его огромные территории усеяны кратерами, как метеоритные, так и вулканические. Вулканическая деятельность давно закончилась. Когда вулканическая деятельность была активной, была более плотная атмосфера и образовывалась вода, отчего до сих пор остались руслоподобные образования. Этот период был относительно кратким и недостаточным для образования жизни. Поэтому жизнь на марсе не обнаружена, в том числе и с помощью станций «Викинг».По всей видимости её там никогда и не было.

Юпитер. Это крупнейшая планета Солнечной системы. Находится она в 5,2 раза дальше от солнца, чем Земля, и получает от него в 27 раз меньше тепла. Масса Юпитера вдвое больше массы всех остальных планет вместе взятых, в 317,84 раза больше массы земли и в 1047,6 раза меньше Солнца. Экваториальный радиус Юпитера равен 71400 км. Поскольку сутки на экваторе Юпитера длятся всего 9 часов 50 минут, действие огромной центробежной силы привело к тому, что полярный радиус Юпитера почти на 2500 км меньше экваториального, и это сжатие планеты при наблюдениях весьма заметно.

Средняя плотность Юпитера (как и других планет гигантов) порядка 1г/см³ . Отсюда следует, что в основном он состоит из водорода и гелия. В атмосфере Юпитера содержится 60% молекулярного водорода, около 36% гелия, 3% неона, около 1% аммиака и столько же метана. Отношение концентрации гелия и водорода соответствует составу солнечной атмосферы. Характерной особенностью Юпитера является большое Красное Пятно, размеры которого 13 000 ´ 40 000 км. Которое уже наблюдается по крайней мере 200 лет. Полагают, что это мощный атмосферный вихрь. Вид Юпитера по снимкам , сделанным автоматической межпланетной станцией «Вояджер-1» показан на Фото 4.Температура поверхности Юпитера равна -170°С. По-видимому, Юпитер состоит из небольшого силикатного ядра, твёрдой водородно-гелиевой оболочки и мощной протяженной атмосферы, в нижней части которой водород и гелий могут быть в жидком состоянии. У Юпитера 13 спутников, из которых четыре – Ио, Европа, Ганимед и Каллисто – были открыты ещё Галилеем и по своим размерам и массе они похожи на Луну. Остальные в 50 – 100 раз меньше. Вполне категорично можно заявить, что жизни на Юпитере нет.

Сатурн. Сатурн является вторым по величине гигантом среди планет Солнечной системы. Его экваториальный радиус равен 59 900 км, а масса в 95 раз больше массы земли. Отсюда следует, что средняя плотность Сатурна составляет всего 0,7 г/см³ . Это свидетельствует о том, что планета в основном состоит из водорода с примесью гелия. Один оборот вокруг оси Сатурн совершает за 10,25 часа. Поэтому он сплюснут. Так как Сатурн находится на расстоянии 9,58 астрономических единиц от Солнца, то поток солнечной энергии, приходящийся на единицу его поверхности, в 90 раз меньше, чем на Земле, и поэтому поверхность планеты нагрета до температуры всего -180°С. Сатурн имеет 10 спутников и систему колец состоящих из инея. Шестой по счёту спутник Юпитера имеет диаметр 5830 км и является крупнейшим спутником в планетной системе. Он окружён атмосферой из метана и аммиака. Жизни ни на Сатурне, ни на его спутниках конечно нет.

Уран. Уран обращается вокруг Солнца как бы лёжа: наклон оси его вращения к плоскости орбиты составляет -8°. Поэтому направление вращения и самой планеты и её спутников является как бы обратным. Температура планеты не превышает величины -200°. Аммиак при такой температуре находится уже в твёрдом состоянии. Поэтому атмосфера планеты состоит из метана и водорода. Расстояние от Урана до Солнца – 19,14 астрономической единицы. Период обращения вокруг Солнца – 84 земных года. Средний радиус 24 540 км, масса в долях массы Земли – 14,59. Жизни на Уране, естественно, нет.

Нептун . Радиус Нептуна равен 25 270 км, масса в долях массы Земли – 17,25. Расстояние от Солнца 30,2 астрономической единицы. Время обращения вокруг Солнца – 164 года. Атмосфера состоит из водорода и метана. Температура поверхности меньше -200°С. Имеется спутник Тритон с радиусом около 3000 км, обращается вокруг урана в обратном направлении.

Плутон. Радиус Плутона 1280 км. Средняя плотность – 1,25 г/см³ . Расстояние от Солнца – 40 астрономических единиц. Период обращения вокруг Солнца -248 лет. По существу это снежный ком из аммиака, метана и водорода. У него есть спутник, снежный ком поменьше. О жизни здесь и говорить нечего.

Конечно, по приведенным цифровым данным трудно представить истинные масштабы солнечной системы. И даже нарисовать её в масштабе весьма затруднительно. Но чтобы хотя бы примерно представить как реально выглядит солнечная система, сделаем вот что. Представим, что Солнце имеет размер футбольного мяча. Тогда Меркурий будет величиной с маковое зёрнышко на расстоянии 30 метров от Солнца. Венера будет величиной со спичечную головку на расстоянии 50 метров. Земля, также величиной со спичечную головку на расстоянии 75 метров. Марс в половину спичечной головки на расстоянии 100 метров. Юпитер, величиной с вишню, на расстоянии 300 метров. Сатурн, чуть поменьше вишни, на расстоянии 750 метров. Уран, с вишнёвую косточку, на расстоянии полутора километров. Нептун, такой же как Уран, на расстоянии более двух километров. И, наконец, Плутон, величиной опять же с маковое зёрнышко, на расстоянии трёх километров. И это еще не всё. Если в таком же масштабе представить куда залетают кометы, то это будет километров до тридцати.

Теперь, мы представляем себе, что такое Солнечная система. В ней столько разнообразия и различных особенностей, что совершенно невозможно понять как появились эти особенности, если исходить из того, что система планет возникла из газопылевой туманности. Обилие комет, метеоритов, различия в направлениях и скоростях вращения планет и т.д. просто кричит о том, что в начале формирования планетной системы происходили процессы катастрофического характера.

«Как устроена солнечная система?»

А вы задавали себе этот вопрос?

Ученицы 11 «А» класса

Средней школы №1918

Демидовой Кристины.

Список использованной литературы:

1.Е.П. Левитан «Твоя вселенная» 1995г.

2.А.Гомилин «Небо Земли» 1974г.

3.Аванта + «Энциклопедия для детей»1999г.

4.Л.Голосницкий «Жизнь на других мирах» 1975г.

Вступление

Современная наука и техника вооружили астрономов мощными телескопами; чувствительным термоэлементом, с помощью которого можно измерять температуру на поверхности других планет и даже далеких звезд; спектором, рассказывающим о химическом составе Солнца, звезд и планетных атмосфер.

С помощью телескопа, термоэлемента, спектроскопа и других замечательных инструментов и приборов астрономы изучают физические условия на планетах, наблюдают изменения, происходящие на их поверхности.