Билет 3. Формирование Солнечной системы, основные гипотезы. Строение Солнечной системы.

В центре нашей планетной системы находится звезда- Солнце, в котором сосредоточено 99,866% всей массы системы. На все девять планет и десятки их спутников приходится только 0,134% вещества системы. В то же время 98% момента количества движения, т.е производственная масса на скорость и радиус вращения, сосредоточенно в планетах. В настоящее время известно более 60 спутников планет, около 100 тыс. астероидов, или малых планет, и около 10¹¹ комет, а также огромное количество мелких обломков- метеоритов.

Вокруг Солнца вращаются девять планет. Меркурий, Венера, Земля и Марс, ближайшие к Солнцу планеты относятся к внутренним или планетам земной группы. Далее, за поясом астероидов, располагаются планеты внешней группы - гиганты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и маленький Плутон. Расстояние от Солнца до Плутона равняется 40 астрономическим единицам. За Плутоном находится “щель” - кольцо с радиусом 2*10³АЕ., где практически нет вещества. Далее, в интервале 2*10³ – 2*10⁴ А.Е. располагается кольцо с огромным количеством материи в виде ядер комет и угловым моментом в 100 раз превышающим современный угловой момент всей Солнечной системы. Это, так называемое, внутреннее облако Орта. Еще дальше, в интервале 2*10⁴ – 5*10⁴ А.Е. располагается собственно облако Оорта, состоящее также из ядер комет с общей массой ~100 масс Солнца и угловым моментом в 10 раз выше, чем у планетной системы. По существу, радиус в 5*10⁴ А.Е. и определяет современную границу Солнечной системы в широком смысле этого понятия.

Бруно в 16 веке- многие звезды, как и Солнце окружены планетами. Кант и Лаплас- космология, идея газопылевой туманности.

Звезды типа Солнца - желтые карлики, формируются при сжатии газопылевых облаков, масса которых должна быть не меньше 10⁵ массы Солнца. По одной из гипотез на него мог повлиять взрыв близкой сверхновой звезды, ударные волны от которого и заставили облако сжиматься и вращаться. По другой- газопылевое облако в силу своего участия в общем вращении ГМП начало сжиматься, однако большой момент вращения не допускает дальнейшего сжатия, и облако распадается на отдельные сгустки- будущие планеты. Надо отметить, что начальный момент превращения газопылевого облака в протопланетный диск, наименее ясный момент в процессе формирования Солнечной системы.

Радиус газопылевого облака должен был быть больше радиуса орбиты девятой планеты - Плутона, равной 40 А.Е. Состав облака характеризовался 99% газа и 1% пылевых частиц размером в микроны. Когда газопылевое облако начало сжиматься и вращаться массы - будущему Солнцу, в дисковидном облаке возникали мощные турбулентные вихри, ударные волны, гравитационные приливы, перемешивающиеся газ облака, которое, благодаря этому оставалось однородным (1000 лет-образование диска газ охлаждается и образуются более крупные полевые частицы, конденсируясь из газа, т.к. давление в облаке очень небольшое). В центральной части диска, благодаря быстрому коллапсу, зажглось Солнце, а при удалении от него в протопланетном диске температура уменьшалась до десятков градусов на краю диска. Частицы пыли перемещались к центральной плоскости диска, и чем крупнее была пылинка, тем быстрее она «падала». Внешние слои диска теряли газ за счет его нагревания излучением молодого Солнца и мощного потока ионизованной плазмы - солнечного ветра (появление субдиска 10⁵ лет). Когда плотность пылевых частиц в субдиске достигал некоторого критического значения, диск стал гравитационно-неустойчивым и начал распадаться на отдельные сгущения пыли, причем, чем выше была плотность в сгущении, тем оно быстрее увеличивалось в размерах. Плотные сгустки, размером с хороший астероид, сталкиваясь, объединялись и увеличиваясь в размерах, превращались в рой планетезималей, размером до 1 км. Слипание, объединение планетезималей возможно только в случае небольшой скорости, соударения и неровной контактной поверхности, облегчавшей их сцепление. (образование планетоземалий-1 млн лет)

Важнейшим этапом была аккреция собственно планет из роя планетезималей (1000 млн лет). Эти тела двигались по круговым орбитам, сталкиваясь друг с другом, разрушаясь, выбрасывая газ и пыль, но если тело было крупное, оно не разваливалось от ударов, а, наоборот, присоединяло к себе другие частицы и планетезимали. Чем больше было тело, тем оно быстрее росло и вступало в гравитационное взаимодействие с другими телами, изменяя их орбиты. Именно в этих, наиболее крупных телах и сосредотачивалась основная масса вещества допланетного диска, образуя зародыши планет. Одно из основных условий роста тел - это низкие скорости их столкновения, не превышающие 1м/сек. Образования группы внутренних планет происходило за счет соударений каменных планетезималей, в отсутствии легких газов, которые удалялись солнечным ветром. Но планеты-гиганты, вернее их силикатные ядра, достигали уже размеров 2-3 массы Земли и сумели удержать водородно-гелиевую газовую оболочку (аккреция газов). Огромные количества энергии, высвобождавшееся при аккреции, нагревало внешние газовые оболочки планет-гигантов до нескольких тысяч градусов. Бизкие спутники Ио и Европа, состояли из каменного вещества, Дальние спутники-Ганимед и Каллисто – из льда воды. Спутники планет образуются по той же принципиальной схеме, что и сами планеты. Во время аккреции планеты часть планетезималей захватывается силой ее гравитации на околопланетную орбиту. Так у планеты формируется доспутниковый диск, из которого путем аккреции образуются спутники.

Билет 4. Сравнительный анализ планет внутренней и внешней групп.

Меркурий - одна из самых маленьких безатмосферных планет, с Т до + 450°С днем на солнечной стороне и до - 170°С ночью. Поверхность Меркурия покрыта многочисленными ударными кратерами, с диаметром до 1300 км. Застывший мир поверхности Меркурия, напоминает Лунный. Меркурий в отличие от остальных планет движется по сильно вытянутой орбите то 46 млн км. то 70 млн км. От солнца приходит в 11 раз больше тепла, чем к Земле. Он обладает очень слабым магнитным полем 1 % земного.

Венера по своим размерам и массе очень близка к Земле, но вращается она в другую сторону, по сравнению с остальными планетами. Венера окутана очень плотной атмосферой, состоящей из углекислого газа, а в верхних слоях на высотах в 50-70 км из серной кислоты. На этих высотах дует постоянный ветер с востока на запад со скоростью 140 м/с, у поверхности 1 м/с. Давление-96 кг/см³. Т= +500°С. Такие условия неблагоприятны для существования воды. На Венере нет магнитного поля и это говорит о том, что ядро Венеры отличается от земного ядра.

Марс - это четвертая по счету от Солнца планета намного меньше Земли (r-0.53 земного). Сутки – 24ч. 37мин. Плоскость его экватора наклонена по отношению к орбите также как на Земле, что обеспечивает смену климатических сезонов. На Марсе существует весьма разреженная углекислая атмосфера с давлением у поверхности 0,03-0,1 кг/см². Такое низкое давление не позволяет существовать воде. Температура на Марсе изменчива и на полюсах в полярную ночь достигает -140°С, а на экваторе до - 90°С. Днем на экваторе от 0 до +25. Атмосфера Марса содержит белые облака из мелких кристаллов углекислого газа и воды.Ветры на поверхности марса –max-60 км/час. Поверхность Марса подразделяется на базальтовые равнины в северном полушарии, и возвышенности - в южном, где распространены большие ударные кратеры. На Марсе существуют очень крупные вулканы, например, Олимп, высотой до 21 км и в диаметре 600 км.

Большой интерес на поверхности Марса представляют явные следы флювиальной деятельности в виде сухих речных русел. Несколько миллиардов лет назад, когда атмосфера Марса не была такой разреженной, шли дожди и снег, существовали реки и озера. Присутствие воды и положительные температуры могли стимулировать возникновение жизни в виде прокариотов, цианобактерий. Вода на современной поверхности Марса сосредоточена в виде льда, но под верхним слоем пород. Марс обладает двумя маленькими спутниками Фобосом (19 на 27 км.) и Деймосом (11 на 15 км), неправильной формы с кратерированной поверхностью. По-видимому, у Марса отсутствует жидкое ядро, т.к. магнитное поле чрезвычайно слабое.

-.-.-.-

Располагающиеся за поясом астероидов планеты внешней группы имеют огромные размеры, мощную атмосферу, газово-жидкие оболочки и небольшое силикатное (каменное) ядро.

 

Юпитер по массе равен 317 земным, но обладает малой средней плотностью в 1,33 г/см³. Внешний вид планеты определяется полосчатой системой разновысотных и различно окрашенных облаков с мощностью 50 км. Они образованы конвективными потоками, которые выносят тепло во внешние зоны. Светлые облака располагаются выше других и состоят из белых кристаллов аммиака и находятся над восходящими конвективными струями. Более низкие красно-коричневые облака состоят из кристаллов гидросульфида аммония, обладают более высокой температурой и располагаются над нисходящими конвективными струями. На Юпитере существуют устойчивые ветры, дующие в одном направлении и достигающие скорости в 150 м/сек. В пограничных зонах облачных поясов возникают турбулентные завихрения, как, например, Большое Красное Пятно (20-25 тыс.км). Атмосфера Юпитера достигает 1000 км, а под ней могут находиться оболочки из жидкого молекулярного водорода, а еще ниже - металлического водорода. В центре планеты располагается силикатное (каменное) ядро небольших размеров. Магнитное поле Юпитера в 10 раз превышает по напряженности магнитное поле Земли, а, кроме того, Юпитер окружен мощными радиационными поясами. У Юпитера существует небольшое кольцо и 16 спутников, из которых 4 крупных, галилеевых (1610) - Ио, Европа, Ганимед, Каллисто. Вращение планеты(9 ч. 55 минут).

Сатурн занимает второе место по размерам среди планет-гигантов, однако его плотность очень мала - 0,69 г/см³. Облачный покров Сатурна похож на таковой у Юпитера не только по составу - частицы льда воды, льда аммиака и гидросульфида аммония, но и по своей структуре, образуя разновысотные пояса и вихри. Сатурн в большей степени газовая планета, чем Юпитер. Атмосфера Сатурна состоит, в основном, из Н и Не и обладает мощностью в несколько тысяч км. Ниже, как и на Юпитере, располагается оболочка жидкого молекулярного и металлического водорода. Силикатное (каменное) ядро Сатурна окружено слоем льда. Наиболее известным элементом планеты Сатурн являются его знаменитые кольца, образующие целую систему, находящуюся в плоскости экватора планеты. Диаметр колец составляет 270 тысяч км, а мощность всего 100 м. Множество колец представляют собой мельчайшие кусочки льда воды, размером от см до нескольких метров. Каждое из колец имеет сложную структуру чередования темных и светлых полос, вложенных друг в друга. В каждой светлой линии кольца находится один из мелких спутников Сатурна, с поверхности которого непрерывно испаряются частицы, наподобие “дыма”. Этот шлейф составляет темную часть колец. У Сатурна насчитывается 17 спутников, из которых Титан самый большой (от 420 до 1580 км.). радиус в 1.5 больше радиуса луны. На расстояние в 3 раза больше

Уран(Гершель в 1781) превосходит по своим размерам Землю в 4 раза и в 14,5 раз по массе. Это третья планета - гигант, вращается в сторону противоположной той, в которую вращаются большинство остальных планет. Мало этого, ось вращения Урана расположена почти в плоскости орбиты, так что Уран лежит на боку и вращается не в ту сторону. Уран меньше юпитера, но плотность в среднем у него близка к плотности Юпитера , что заставляет сомневаться в существование оболочки из металлического водорода, т.к. давление слишком мало. В атмосфере Урана преобладают водород (84%) и гелий (14%), но также присутствуют частицы льда метана (2%). Уран окружен системой тонких колец (11), между которыми расстояние гораздо больше, чем у колец Сатурна. Из 15 (26) спутников Урана 5 средних по размеру и 10 (21) малых, обладающих.

Нептун - самая маленькая из планет - гигантов, обладает, тем не менее, самой большой среди них плотностью, что обусловлено существованием силикатного ядра, окруженного оболочками из жидкого водорода, льда воды и мощной водородно-гелиевой атмосферой с облачным покровом, состоящим также из частиц льда воды, льда аммиака, льда метана и гидросульфида аммония. В атмосфере Нептуна, как и на Юпитере, просматриваются крупные вихревые структуры, изменчивые во времени. У Нептуна существует система колец, имеющих в разных участках различную мощность. Имеет 8 спутников, с одним крупным - Тритоном и 7-ю малыми, на поверхности которых имеются следы водо-ледяного вулканизма.

Плутон - девятая планета, считая от Солнца. У Плутона очень вытянутая эллипсовидная орбита, пересекающая орбиту Нептуна при вращении Плутона вокруг Солнца. Разреженная атмосфера Плутона окружает ледяную поверхность планеты, состоящей из льдов азота, метана и моноокиси углерода, благодаря холоду - – 240°С, господствующему на этой, самой дальней планете. Крупный спутник Харон (диаметр 1172 км ), состоит из смеси льда и силикатов и в своем вращении вокруг Плутона на расстоянии 19405 км всегда обращен к планете одной и той же стороной. Принадлежат поясу Койпера.