Планеты-гиганты

Планеты-гиганты. Юпитер,Сатурн,Уран и Неп- тун - гораздо массивнее, состоят в основном из лёгких веществ и поэто- му, несмотря на огромное давление в их недрах, имеют малую плотность. У Юпитера и Сатурна главную долю их массы составляют водород и гелий. В них содержится так же до 20 каменистых веществ и легких соединений кислорода, углерода и азота, способных при низких температурах концент- рироваться в льды. Недра планет и некоторых спутников находятся в рас- калённом состоянии. У планет земной группы и спутников вследствие ма- лой теплопроводности наружних слоёв внутреннее тепло очень медленно просачивается наружу и не оказывает заметного влияния на температуру поверхности. У планет-гигантов конвекция в их недрах приводит к замет- ному потоку тепла из недр, превосходящему поток, получаемый им от Солн- ца. Венера,Земля и Марс обладают атмосферами, состоящими из газов, выде- лившихся из их недр. У планет-гигантов атмосферы представляют собой непосредственное продолжение их недр эти планеты не имеют твердой или жидкой поверхности. При погружении внутрь атмосферные газы посте- пенно переходят в конденсированное состояние. Девятую планету - Плу- тон, по- видимому, нельзя отнести ни к одной из двух групп. По химичес- кому составу он близок к гуппе планет-гигантов, а по размерам к земной группе.

Ядра комет по своему химическому составу родственны планетам- гигантам они состоят из водяного льда и льдов различных газов с при- месью каменистых веществ. Почти все малые планеты по своему современ- ному составу относятся к каменистым планетам земной группы. Сравни- тельно недавно открытый Хирон, движущийся в основном между орбитами Сатурна и Урана, вероятно, подобен ледяным ядрам комет и небольшим спутникам далёких от Солнца планет. Обломки малых планет, образующиеся при их столкновении друг с другом, иногда выпадают на Землю в виде метеоритов. У малых планет, именно вследствиеих малых размеров, недра подогревались значительно меньше, чем у планет земной группы, и поэто- му их вещество зачастую претерпело лишь небольшие изменения со време- ни их образования. Измерения возраста метеоритов по содержанию ради- оактивных элементов и продуктов их распада показали, что они, а следо- вательно вся Солнечная система существует около 5 миллиардов лет. Этот возраст Солнечной системы находится в согласии с измерениями древней- ших земных и лунных образцов. 1Часть 1 Солнце. Солнце - центральное тело Солнечной системы - представляет собой раскалённый плазменный шар. Солнце - ближайшая к Земле звезда. Свет от него до нас доходит за 8,3 мин. Солнце решающим образом повлияло на образование всех тел Солнечной системы см. главу 1 и создало те ус- ловия, которые привели к возникновению и развитию жизни на Земле см.главу 2 .Его масса в 333 000 раз больше массы Земли и в 750 раз больше массы всех других планет, вместе взятых. За 5 миллиардов лет су- ществования Солнца уже около половины водорода в его центральной час- ти превратилось в гелий. В результате этого процесса выделяется то ко- личество энергии, которое Солнце излучает в мировое пространство. Мощ- ность излучения Солнца очень велика около 3,8 4105200 степени МВт. На Землю попадает ничтожная часть Солнечной энергии, составляющая около половины миллиардной доли. Она поддерживает в газообразном сос- тоянии земную атмосферу, постоянно нагревает сушу и водоёмы, даёт энер- гию ветрам и водопадам, обеспечивает жизнедеятельность животных и рас- тений.

Часть солнечной энергии запасена в недрах Земли в виде каменно- го угля, нефти и других полезных ископаемых. Видимый с Земли диаметр Солнца незначительно меняется из-за эллиптичности орбиты и составля- ет, в среднем, 1 392 000 км. что в 109 раз превышает диаметр Зем- ли. Расстояние до Солнца в 107 раз превышает его диаметр. Солнце представляет собой сферически симметричное тело, находящиеся в равно- весии.

Всюду на одинаковых расстояниях от центра этого шара физические условия одинаковы, но они заметно меняются по мере приближения к цент- ру. Плотность и давление быстро нарастают вглубь, где газ сильнее сжат давлением вышележащих слоёв. Следовательно, температура также растёт по мере приближения к центру. В зависимости от изменения физических усло- вий Солнце можно разделить на несколько концентрических слоёв, посте- пенно переходящих друг в друга. .В центре Солнца температура составляет 15 миллионов градусов, а давление превышает сотни миллиардов атмосфер. Газ сжат сдесь до плот- ности около 150 000 кг 4м530.Почти вся энергия Солнца генерируется в центральной области с радиусом примерно 1 3 солнечного. Через слои, ок- ружающие центральную часть, эта энергия передаётся наружу. На протяже- нии последней трети радиуса находится конвективная зона. Причина воз- никновения перемешивания конвекции в наружних слоях Солнца та же, что и в кипящем чайнике количество энергии, поступающее от нагре- вателя, гораздо больше того, которое отводится теплопроводностью. Поэто- му вещество вынужденно приходит в движение и начинает само переносить тепло. Ядро и конвективная зона фактически не наблюдаемы. Об их сущест- вовании известно либо из теоретических расчётов, либо на основании косвенных данных.

Над конвективной зоной располагаются непосредственно наблюдаемые слои Солнца, называемые его1 Атмосферой0.Они лучше изуче- ны, т.к. об их свойствах можно судить из наблюдений. 1а. Солнечная атмосфера0 так же состоит из нескольких различных сло- ёв. Самый глубокий и тонкий из них1 - фотосфера0,непосредственно наблю- даемая в видимом непрерывном спектре. Толщина фотосферы приблизительно около 300 км. Чем глубже слои фотосферы, тем они горячее.

Во внешних бо- лее холодных слоях фотосферы на фоне непрерывного1 0 спектра образуются 1Фраунгоферовы линии поглощения0.Во время наибольшего спокойствия зем- ной атмосферы можно наблюдать характерную зернистую структуру фотос- феры. Чередование маленьких светлых пятнышек - гранул - размером около 1000 км окруженных тёмными промежутками, создаёт впечатление ячеистой структуры -1 грануляции0.Возникновение грануляции связано с происходя- щей под фотосферой конвекцией.

Отдельные гранулы на несколько сотен градусов горячее окружающего их газа, и в течение нескольких минут их распределение по диску Солнца меняется. Спектральные измерения свидей- тельствуют о движении газа в гранулах, похожих на конвективные в гра- нулах газ поднимается, а между ними - опускается. Это движение газов порождают в солнечной атмосфере акустические волны, подобные звуковым волнам в воздухе. Распространяясь в верхние слои атмосферы, волны, воз- никшие в конвективной зоне и в фотосфере, передают им часть механичес- кой энергии конвективных движений и производят нагревание газов пос- ледущих слоёв атмосферы -1 хромосферы 0и1 короны0.В результате верхние слои атмосферы с температурой около 4500К оказываются самыми холод- ными на Солнце. Как вглубь, так и вверх от них температура газов быст- ро растёт. Расположенный над фотосферой слой называют1 хромосферой0,во время полыых солнечных затмнений в те минуты, когда Луна полностью закрывает фотосферу, виден как розовое кольцо, окружающее тёмный диск. На краю хромосферы наблюдаются выступающие язычки пламени - хро- мосферные1 спикулы0 ,представляющие собой вытянутые столбики из уплот- нённого газа. Тогда же можно наблюдать и спектр хромосферы, так называ- емый1 спектр вспышки0.Он состоит из ярких эмиссионых линий водорода, ге- лия, ионизированного кальция и других элементов, которые внезапно вспы- хивают во время полной фазы затемнения. Выделяя излучение Солнца в этих линиях, можно получить его изображение.

Хромосфера отличается от фотосферы значительно более неправильной неоднородной структурой. За- метно два типа неоднородностей - яркие и тёмные. По своим размерам они привышают фотосферные гранулы. В целом распределение неоднородностей образует так называемую1 хромосферную0 1сетку0,особенно хорошо заметную в линии ионизированного кальция. Как и грануляция, она является следстви- ем движения газов в подфотосферной конвективной зоне, только происхо- дящих в более крупных масштабах. Температура в хромосфере быстро рас- тёт, достигая в верхних её слоях десятков тысяч градусов. Самая верхняя и самая разряжённая часть солнечной атмосферы - корона, прослеживающа- яся от солнечного лимба до расстояний в десятки солнечных радиусов и имеющая температуру около миллиона градусов. Корону можно видеть толь- ко во время полного солнечного затмнения либо с помощью1 коронографа0. . Вся солнечная атмосфера постоянно колеблется. В ней распространяют- ся как вертикальные, так и горизонтальные волны с длинами в несколько тысяч километров. Колебания носят резонансный характер и поисходят с периодом около 5 мин. В возникновении явлений происходящих на Солнце большую роль играют магнитные поля. Вещество на Солнце всюду представ- ляет собой намагниченную плазму.

Иногда в отдельных областях напряжен- ность магнитного поля быстро и сильно возрастает. Этот процесс сопро- вождается возникновенем целого комплекса явлений1 солнечной активности в различных слоях солнечной атмосферы. К ним относятся1 факелы 0и 1 пятна в фотосфере,1флоккулы 0в хромосфере,1протуберанцы0 в короне.1 0Наиболее за- мечательным явлением, охватывающим все слои солнечной атмосферы1 0и за1- зарождающимся в хромосфере, являются1 солнечные вспышки0 см. Солнечная активность . 1б. Излучения Солнца0.Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие - постоянную и переменную.во ремя сильных солнечных вспышек радиоизлу- чение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучение спокойного Солнца. Ренгеновские лучи исходят в основном от верхних слоёв атмосферы и короны. Особенно сильным излучение бывает в годы максимума солнечной активности. Солнце излучает не только свет, тепло и все другие виды электромагнитного излучения.

Оно также является источником постоянного потока частиц - корпускул. Нейтри- но, электроны, протоны, алфа-частицы, а так же более тяжелые атомные ядра составляют1 корпускулярное излучение Солнца0.Значительная часть этого излучения представляет собой более или менее непрерывное истечение плазмы -1 солнечный ветер0, являющийся продолжением внешних слоёв Сол- нечной атмосферы -1 солнечной короны0.На фоне этого постоянно дующего плазменного ветра отдельные области на Солнце являются источниками более направленных, усиленных, так называемых1 корпускулярных пото- 1ков0.Скорее всего они связаны с особыми областями Солнечной короны - 1коронными дырами0,а также, возможно, с долгоживущими активными областями на Солнце см. Солнечная активность. Наконец, с солнечными вспышками связаны наиболее мощные кратковременные потоки частиц, главным образом электронов и протонов.

В результате наиболее мощных вспышек частицы могут приобретать скорости, составляющие заметную долю скорости све- та. Частица с такими большими энергиями называются солнечными1 косми- 1ческими лучами0.Солнечное корпускулярное излучение оказывает сильное влияние на Землю, и прежде всего на верхние слои её атмосферы и маг- нитное поле, вызывая множество интерестых геофизических явлений. 1в. Солнечная активность0 - совокупность явлений, переодически возни- кающих в солнечной атмосфере.

Проявления солнечной активности тесно связаны с магнитными свойствами солнечной плазмы. Возникновение актив- ной области начинается с постепенного увиличения магнитного потока в некоторой области фотосферы. В соответствующих местах хромосферы после этого наблюдается увиличение яркости в линиях водорода и кальция. Та- кие области называют1 флоккулами0.Примерно в тех же участках на Солнце в фотосфере т.е. несколько глубже при этом также наблюдается увили- чение яркости в белом видимом свете -1 факелы0.Увиличение энергии, вы- деляющейся в области факела и флоккула, является следствием увиличив- шихся до нескольких десятков экстред напряженности магнитного по- ля. Затем в солнечной активности наблюдаются1 солнечные пятна0,возникаю- щие через 1-2 дня после появления флоккула в виде маленьких чёрных точек - пор. Многие из них вскоре исчезают, и лишь отдельные поры за 2-3 дня превращаются в крупные тёмные образования. Типичное солнечное пятно имеет размеры в несколько десятков тясяч километров и состоит из тёмной центральной части -1 тени 0и волокнистой 1полутени0.Важнейшая особенность пятен - наличие в них сильных магнитных полей, достигающих в области тени наибольшей напряжённости в несколько тысяч экстред. В целом пятно представляет собой выходящую в фотосферу трубку силовых линий магнитного поля, целиком заполняющих одну или несколько ячеек 1хромосферной сетки0 см. Солнечная атмосфера. Верхняя часть трубки рас- ширяется, и силовые линии в ней расходятся, как колосья в снопе. Поэтому вокруг тени магнитные силовые линии принимают направление, близкое к горизонтальному. Полное, сумарное давление в пятне включает в себя дав- ление магнитного поля и уравновешивается лавлением окружающей фотос- феры, поэтому газовое давление в пятне оказывается меньшим, чем в фо- тосфере Магнитное поле как бы расширяет пятно изнутри. Кроме того, маг- нитное поле подавляет конвективные движения газа, переносящие энергию из глубины вверх. Вследствие этого в области пятна температура оказы- вается меньше примерно на 1000К.Пятно как бы охлаждённая и скованная магнитным полем яма в солнечной фотосфере. Большей частью пятна возни- кают целыми группами, в которых, однако, выделяются два больших пят- на. Одно, нибольшее на западе, а другое, чуть поменьше на восто- ке. Вокруг и между ними часто бывает множество мелких пятен. Такая группа пятен называется биополярной, потому что у обоих больших пятен всегда противоположная полярность магнитного поля. Они как бы связаны с одной и той же трубкой силовых линий магнитного поля, которая в виде гиганской петли вынырнула из-под фотосферы, оставив концы где-то в не- наблюдаемых, глубоких слоях. То пятно, которое соответствует выходу маг- нитного поля из фотосферы, имеет северную полярность, а то, в области которого силовые линии входят обратно под фотосферу южную. .Самое мощное проявление фотосферы - это1 вспышки0.Они происходят в сравнительно небольших областях хромосферы и короны, расположенных над группами солнечных пятен. По своей сути вспышка - это взрыв, вызванный внезапным сжатием солнечной плазмы.

Сжатие происходит под давлением магнитного поля и приводит к образованию длинного плазменного жгута или ленты. Длина такого образования составляет десятки и даже сотни тысяч километров. Продолжается вспышка обычно около часа. Хотя детально физические процессы, приводящие к возникновению вспышек, ещё не изуче- ны, ясно, что они имеют электромагнитную природу. .Наиболее грандиозными образованиями в солнечной атмосфере являются 1протуберанцы0 - сравнительно плотные облака газов, возникающие в сол- нечной короне или выбрасываемые в неё из хромосферы. Типичный протубе- ранец имеет вид гиганской светящейся арки, опирающейся на хромосферу и образованной струями и потоками более плотного и холодного, чем окру- жающая корона, вещества.

Иногда это вещество удерживается прогнувшимся под его тяжестью силовыми линиями магнитного поля, а иногда медленно стекает вдоль магнитных силовых линий. Имеется множество различных ти- пов протуберанцев. Некоторые из них связаны со взрывоподобными выбро- сами вещества из хромосферы в корону. .Общая активность Солнца, характеризуемая количеством и силой про- явления центров солнечной активности, периодически изменяется. Сущест- вует множество различных удобных способов оценивать уровень солнечной активности. Обычно пользуются наиболее простым и введённым раньше всех способом -1 числами Вольфа0.Числа Вольфа пропорциональны сумме полного числа пятен, наблюдаемых в данный момент на Солнце, и удесятерённого числа групп, которые они образуют. Период времени, когда количество центров активности наибольшее называют1 максимумом солнечной активнос- 1ти0,а когда их совсем нет или почти совсем нет -1 минимумом0.Максимумы и минимумы чередуются в среднем с периодом 11 лет. Это составляет так называемый 115-и0 летний цикл солнечной активности. 1г. Солнечная корона0 - самые внешние, очень разряженные слои атмосфе- ры Солнца. Во время полной фазы солнечного затмнения вокруг диска Лу- ны, который закрывает от наблюдателя яркую фотосферу, внезапно как бы вспыхивает жемчуженое сияние. Это на несколько десятков секунд стано- вится видимой солнечная корона.

Важной особенностью короны является её лучистая структура. Лучи бывают разной длины, вплоть до десятка и более солнечных радиусов. Общая форма короны меняется с фазами цикла солнеч- ной активности в годы максимума корона почти сферична, в годы минимума она сильно вытянута вдоль экватора. Корона представляет собой сильно разряжённую высокоионизированную плазму с температурой 1-2 миллиона градусов. Причина столь большого нагрева солнечной короны связана с волновыми движениями, возникающими в конвективной зоне Солнца. Цвет ко- роны почти совпадает со светом излучения всего Солнца. Это связано с тем, что свободные электроны, находящиеся в короне, и возникающие в ре- зультате сильной ионизации газов, рассеивают излучение, приходящее от фотосферы. Из-за огромной температуры частичы движутся так быстро, что при столкновениях от атомов отлетают электроны, которые начинают дви- гатся как свободные частицы. В результате этого лёгкие элементы пол- ностью теряют все свои электроны, так что в короне практически нет атомов водорода или гелия, а есть только протоны и альфа-частицы. Тяже- лые элементы теряют до 10-15 внешних электронов. По этой причине в солнечной короне наблюдаются необычные спектральные линии, которые долгое время не удавалось отождествить с известными химическими эле- ментами.

Горячая плазма сильно излучает и поглощает радиоволны. Поэтому наблюдаемое солнечное радиоизлучение на метровых и децеметровых вол- нах возникает в солнечной короне. Иногда в солнечной короне наблюдают- ся области пониженного свечения. Их называют1 корональными дырами0.Осо- бенно хорошо эти дыры заметны по снимкам в ренгеновских лучах. 1д. Диаметр Солнца.0Точные измерения показывают, что диаметр Солнца не постоянная величина. Около пятнадцати лет назад астрономы обнаружи- ли, что Солнце худеет и полнеет на несколько километров каждые 2 часа 40 минут, причем этот период сохраняется строго постоянным. С периодом 2 часа 40 минут на доли процента меняется и светимость Солнца, то есть излучаемая им энергия. Указания на то, что диаметр Солнца испытывает еще и очень медленные колебания со значительным размахом, были получе- ны путём анализа результатов астрономических наблюдений многолетней давности. Точные измерения продолжительности солнечных затмнений, а также прохождения Меркурия и Венеры по диску Солнца показали, что в XVII веке диаметр Солнца превышал нынешний примерно на 2000 км, то есть на 0,1 . И вот что интересно именно в эту эпоху на Солнце дли- тельное время не 1Часть 2 Планеты земной группы. Планеты земной группы - Меркурий,Венера,Земля и Марс отличаются от планет-гигантов меньшими размерами, меньшей массой. Они движутся внутри пояса малых планет. В пределах одной группы планеты близки по таким физическим характеристикам, как плотность, размеры химический состав, но одна группа резко отличается при этом от другой. Каждая планета имеет свои неповторимые особенности. .1Меркурий0 1- 6самая близкая к Сол0нцу планета Солнечной системы. Распо- ложена на расстоянии 58 млн.км от Солнца. Полный оборот на небе завер- шает за 88 сут. Из-за близости к Солнцу и малых видимых размеров Мер- курий долго оставался малоизученной планетой. Только в 1965г. благода- ря применению радиолокации был измерен период вращения Меркурия вок- руг своей оси, оказавшийся равным 58,65 сут т.е. 2 3 его обращения вокруг Солнца. Такое вращение является динамически устойчивым. Солнеч- ные сутки на Меркурии продолжаются 176 дней. Ось вращения Меркурия почти перпендикулярна плоскости его орбиты. Как подсказали радионаблю- дения температура на поверхности Меркурия в пункте, где Солнце нахо- дится в зените достигает 620 К.Температура ночного полушария около 110 К. С помощью радионаблюдений удалось определить тепловые свойства наружного покроя планеты, которые оказались близкими к свойствам тон- кораздробленных породи лунного реголита. Причиной такого состояния по- род, по всей видимости, являются непрерывные удары метеоритов, почти не ослабляемые разряжённой атмосферой Меркурия. Фотографирование поверх- ности Меркурия американским космическим аппаратом Маринер-10 в 1974-1975 гг. показало, что по виду планета напоминает Луну. Поверх- ность усеяна кратерами разных размеров, причём их распределение по ве- личине диаметра аналогично распределению кратеров Луны. Это говорит о том, что они образовались в результате интенсивной метеоритной бомбар- дировки миллиарды лет назад на первых этапах эволюции планеты. Встре- чаются кратеры со светлыми лучами, с центральными горками и без них, с тёмным и светлым дном, с резкими очертаниями валов молодые и полу- разрушенные древние. Обнаружены долины, напоминающие известную Долину Альп не Луне, гладкие круглые равнины, получившие название бассей- нов. Наибольший из них - Калорис - имеет диаметр 1300 км. Наличие тём- ного вещества в бассейнах и заполненных лавой кратерах свидейтельст- вует о том, что в начальный период своего существования пленета испы- тала сильное разогревание, за которым последовала одна или несколько эпох интенсивного вулканизма. Атмосфера Меркурия очень сильно разряже- на по сравнению с земной атмосферой. По данным, полученным с Маринера -10 ,её плотность не превосходит плотности земной атмосферы на высоте 620 км. В составе атмосферы обнаружено небольшое количество водоро- да, гелия и кислорода, присутствуют и некоторые инертные газы, напри- мер, аргон и неон. Такие газы могли выделится в результате распада ра- диоактивных веществ, входящих в состав грунта планеты.

Обнаружено сла- бое магнитное поле, напряженность которого меньше, чем у Земли, и боль- ше, чем у Марса. Межпланетное магнитное поле, взаимодействуя с ядром Меркурия, может создавать в нём электрические токи. Эти токи, а также перемещения зарядов в ионосфере, которая у Меркурия слабее по сравне- нию с земной, могут поддерживать магнитное поле планеты. Взаимодействуя с солнечным ветром см. Излучения Солнца, оно создаёт магнитосфе- ру. Средняя плотность Меркурия значительно выше лунной и почти равна средней плотности Земли. Высказывается гипотеза о том, что Меркурий имеет мощную селикатную оболочку 5.