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.