Занятие  № 9.  Планеты земной группы. Планеты-гиганты, их спутники и кольца.

1. Планеты земной группы: общая характеристика планет.

1.1. Меркурий.

Меркурий — это самая близкая к Солнцу планета. Она постоянно прячется в его лучах. Поэтому наблюдать Меркурий с Земли достаточно трудно. Он лишь ненадолго появляется на фоне утренней зари или в отблеске вечернего заката.

Скорее всего Меркурий был открыт древними племенами, обитавшими в долинах Нила, Тигра и Евфрата. Однако нелегко было догадаться, что сравнительно яркие вечерняя и утренняя звёзды — это одно и тоже светило. Поэтому у древних народов оно имело два имени: у египтян — Сет и Гор, у индийцев — Будха и Рохини, а греки именовали его Аполлоном и Гермесом (в римской мифологии Гермесу соответствовал бог Меркурий).

По своим размерам Меркурий больше похож на Луну, чем на Землю. Его поверхность, испещрена ударными кратерами. Большинство из них названы в честь выдающихся деятелей мировой культуры: Рембрандт, Бетховен, Гомер, Достоевский, Пушкин, Толстой и так далее.

Нужно отметить, что у Меркурия нет своего естественного спутника. Из-за большой близости к Солнцу, атмосфера у Меркурия практическиотсутствует

Поэтому поверхность планеты не защищена от палящих солнечных лучей днём и космического холода ночью. Днём температура на Меркурии поднимается до 440℃, а ночью опускается до −183℃.

Плотность Меркурия в почти в 5,4 раза больше плотности воды. Причина такой высокой плотности в том, что у Меркурия огромное железно-никелевое ядро, которое составляет значительную часть планеты. А наличие слабого магнитного поля Меркурия, обнаруженного космическим аппаратом «Маринер-10», а также вариации вращения планеты, говорят о том, что ядро планеты находится в жидком состоянии.

При этом оно значительно массивнее по сравнению с ядром других планет и составляет 3/4 диаметра Меркурия.

Планета обращается вокруг Солнца за 88 земных суток, в то время как период её обращения вокруг своей оси составляет более 58 земных суток, то есть почти 2/3 меркурианского года.

Угол наклона оси вращения Меркурия перпендикулярен его орбите, поэтому дно околополярных кратеров никогда не освещается Солнцем. Эти области служат хранилищами водяного льда, перемешанного с горной породой.

В 2012 году, учёными была обнаружена интересная закономерность размещения кратеров на Меркурии. Их конфигурация чем-то напоминает лицо Микки Мауса из известного мультфильма компании Уолта Диснея.

1.2. Венера.

Вторая планета Солнечной системы названа в честь древнеримской богини любви Венеры. Её можно наблюдать невооружённым глазом незадолго до восхода Солнца на востоке, либо после захода на западе. Венеру иногда называют сестрой Земли, так как по размерам и составам обе планеты очень схожи. Однако условия на них очень сильно разняться.

На Венере никогда не бывает ясных дней, так как она постоянно скрыта толстым (15 километровым) слоем облаков, в основном состоящих из концентрированной серной кислоты. И здесь нет никакого спасения от жары. Венера является самой горячей планетой в Солнечной системе. Температура на её поверхности достигает 464 ℃ и остаётся практически постоянной от экватора до полюсов днём и ночью.

Но страшная жара — это ещё не все. Атмосферное давление на Венере в 93 раза выше земного! На Венере отсутствует вода, поэтому вы можете жаловаться на жару, но никак не на влажность. Атмосфера планеты горячая и сухая, как в пустыне. Она на 97 % состоит из чистого углекислого газа с небольшой примесью азота, а кислорода и водяного пара там менее 0,1 %. Погода на Венере тоже не радует: на всей её территории постоянно идут дожди из серной кислоты. Утешает только одно: дождь успевает испариться ещё до того, как достигает поверхности планеты.

Большую часть поверхности Венеры занимают равнины. А самые высокие горы поднимаются на 11 километров над средним уровнем поверхности — это Горы Максвелла. Обнаружены на Венере и кратеры диаметром до сотен километров (правда их очень немного). Самые крупные из них были названы в честь выдающихся женщин мира (Ахматова, Войнич, Дункан, Орлова) или просто женскими именами. Картографирование выявило на Венере обширные возвышенности. Крупнейшие из них — это Земля Иштар и Земля Афродиты, сравнимые по размерам с земными материками.

Магнитное поле у Венеры практически отсутствует. Некоторые учёные связывают это с медленным ретроградным вращением планеты (Венера вращается вокруг своей оси по ходу часовой стрелки). Период обращения Венеры вокруг оси составляет около 243 земных суток, в то время как вокруг Солнца она обращается почти за 225 земных суток. Другие учёные связывают отсутствие магнитного поля с тем, что ядро планеты находится в твёрдом состоянии.

Считается, что около 500 миллионов лет назад на Венере произошла глобальная геологическая катастрофа. Сотни тысяч действующих вулканов извергли огромное количество лавы, которая покрыла всю поверхность планеты.

1.3. Земля.

2.1. Юпитер.

Юпитер — самая большая из планет-гигантов. Своё название планета получила в честь верховного божества древнеримской мифологии. Юпитер как планета известен людям с глубокой древности, поскольку его можно наблюдать с Земли невооружённым глазом (по блеску на ночном небе он уступает только Луне и Венере).

Юпитер не зря называют газовым гигантом: средний радиус планеты в 11,2 раза больше радиуса Земли, и равен 69 911 километрам. Масса планеты ещё более внушительна — она почти в 2,47 раза больше массы всех остальных планет Солнечной системы, а массу Земли превосходит в 317,8. Но при этом средняя плотность Юпитера невелика — всего 1,326 г/см3. Такая малая плотность объясняется тем, что планета представляет собой газообразное тело с чрезвычайно мощной атмосферой, состоящей главным образом из водорода и гелия. По средней плотности, преобладанию водорода и гелия Юпитер похож на звёзды. В отличие от планет земной группы у гигантов нет твёрдой поверхности.

Среднее расстояние между Солнцем и Юпитером чуть более 5 а. е. Вокруг Солнца планета обращается почти за 11,89 года. А вот скорость вращения вокруг своей оси у Юпитера очень большая и составляет 9,925 земного часа. Из-за такого быстрого вращения облака на планете вытягиваются в полосы, параллельные экватору. Скорость ветра на Юпитере может достигать 600 км/ч.

Окраску облакам придают примеси аммиачных образований, метан и другие сложные соединения. Светлые и тёмные полосы атмосферы Юпитера объясняются различными зонами давления. Светлые зоны — это области высокого давления, а тёмные — низкого. Тёплые газы поднимаются вверх в области зон и остывают, достигнув верхней границы облаков. Охлаждаясь, они падают в соседние полосы, где давление низкое.

Для Юпитера, как и для всех планет-гигантов, характерны светлые и тёмные овальные пятна — циклоны и антициклоны, которые могут сохраняться в атмосфере в течение нескольких сотен лет. Самым известным таким образованием является Большое красное пятно, открытое Робертом Гуком ещё 1644 году. Размер этого урагана существенно больше размеров Земли, наблюдающееся в течение трёх веков. Это огромный и очень устойчивый вихрь, похожий на земной ураган.

В декабре 1995 года в атмосферу Юпитера вошёл зонд «Галилео». На основе полученных данных была предложена следующая модель строения планеты.

Верхний слой — атмосфера, которая в основном состоит из водорода и гелия. Температура этого слоя составляет примерно –130 ^оС при давлении в одну атмосферу.

На глубине в 146 километров давление возрастает до 22 атмосфер и температура повышается до 153 ^оС. Здесь находится слой смеси водорода и гелия толщиной порядка 21 000 километров, который плавно переходит из газообразного состояния в жидкое. Около центра планеты температура меняется от 6300 К до 21 000 К, а давление возрастает примерно от 200 до 4000 ГПа. Под таким давлением водород сжимается до чрезвычайно плотного состояния, называемого жидким металлическим водородом. Протоны и электроны в таком веществе существуют отдельно друг от друга, что обуславливает хорошую проводимость вещества. Вследствие этого магнитное поле Юпитера в 12 раз мощнее земного.

В центре Юпитера может находиться каменное ядро ,диаметром около 25 000 километров, состоящее из оксидов кремния, магния и железа с примесями. Диаметр внутреннего ядра — около 25 тыс. км, температура в его центре составляет 23 000 К. Такая высокая температура объясняется медленным гравитационным сжатием планеты.

По данным на 2017 год, у Юпитера известно 69 спутников — наибольшее значение среди всех планет Солнечной системы.

В 1979 году мимо Юпитера проходил космический аппарат «Вояджер-1», который обнаружил у планеты три слабых кольца из мелких частиц пыли. Эти пылинки постепенно падают в атмосферу Юпитера, а их место занимают другие, которые образуются при столкновении малых спутников, особенно Амальтеи, с метеоритными телами.

2.2. Сатурн

Шестой планетой от Солнца и второй по величине в Солнечной системе является Сатурн, названный в честь римского бога земледелия. Сатурн — планета-гигант, окружённая красивыми кольцами. Диск планеты заметно сплюснут у полюсов. Это вызвано тем, что у Сатурна самая низкая плотность из всех планет Солнечной системы.

Кольца Сатурна заметил ещё Галилео Галилей: в 1610 г. Он обнаружил по обе стороны диска непонятные придатки. Но только Христиан Гюйгенс в 1656 г. различил тонкое плоское кольцо, не соприкасающееся с планетой. С Земли в телескоп можно увидеть несколько колец, отделённых друг от друга тёмными промежутками.

На основе спектральных исследований в 1895 г. русский учёный А. А. Белопольский установил, что кольца не монолитные, а состоят из отдельных мелких тел. Снимки, полученные космическим аппаратом «Вояджер-2», показали, что систему колец образуют тысячи тонких колец. Каждое из них состоит из бесчисленного множества обломков льда размером от мельчайших пылинок до нескольких метров. Толщина колец не превышает 2 км, а толщина отдельного кольца — не больше 30 м.

Большинство людей знают о Сатурне благодаря его удивительным кольцам. В течение многих веков астрономы считали, что Сатурн — это единственная планета, имеющая кольца. Но сегодня известно, что они есть у всех четырёх газовых гигантов.

Сатурн — планета-гигант, лишь немного уступающая Юпитеру по размеру и обладающая большим сходством с ним. Средний радиус планеты равен 58 232 км, а её масса в 95 раз больше массы Земли. Но при этом средняя плотность Сатурна очень мала — всего 0,687 г/см³, что делает его единственной планетой Солнечной системы, чья средняя плотность меньше плотности воды.

Среднее расстояние между Сатурном и Солнцем составляет 9,58 а. е. Поэтому вокруг Солнца планета обращается примерно за 29,5 лет. Период же вращения планеты вокруг оси составляет в среднем 10 ч 32 мин 45 с.

Космические аппараты «Вояджер-1» и Вояджер-2» зафиксировали на Сатурне мощные ураганные ветры, скорость которых достигает 500 м/с.

Верхние слои атмосферы планеты на 96,3 % состоят из водорода. Ещё 3,25 % занимает гелий. Температура верхнего слоя атмосферы невелика — всего –170 ^оС.

Однако в глубине атмосферы Сатурна растут давление и температура, а водород переходит в жидкое состояние. На глубине примерно в 30 000 км водород становится металлическим. В центре планеты находится массивное ядро, состоящее из силикатов, металлов и, предположительно, льда.

В 80-х годах ХХ века во время пролёта около Сатурна аппарат «Вояджер-1» зафиксировал на его северном полюсе почти правильное шестиугольное устойчиво атмосферное образование с поперечником в 25 тысяч километров. Этот атмосферный феномен пока не имеет строгого научного объяснения.

На 2017 год у Сатурна известно 62 естественных спутника с подтверждённой орбитой.

2.3. Уран

На расстоянии 19,23 а. е. от Солнца располагается Уран. Это седьмая по удалённости, третья по диаметру и четвёртая по массе планета Солнечной системы. Планета очень красивого зеленовато-голубоватого цвета. Причина этого кроется в составе атмосферы планеты и её температуре. При температуре –217 °С в верхних слоях водородно-гелиевой  атмосферы Урана образовалась метановая дымка. Метан хорошо поглощает красные лучи и отражает голубые и зелёные. Поэтому планета и приобрела красивый бирюзовый цвет. В атмосфере Урана не наблюдается никаких заметных возмущений.

Открыта она была Уильямом Гершелем 13 марта 1781 года и названа в честь греческого бога неба Урана (таким образом, это единственная большая планета, название которой происходит не из римской, а из греческой мифологии).

Вокруг Солнца планета обращается за 84,01 земного года, а период вращения вокруг оси составляет 17 ч 14 мин 24 с. При этом, если другие планеты можно сравнить с вращающимися волчками, то Уран больше похож на катящийся шар. Объясняется это тем, что плоскость экватора планеты наклонена к плоскости его орбиты на 97,86^о. То есть планета вращается ретроградно, «лёжа на боку слегка вниз головой».

Средний радиус Урана составляет 25 362 километра. Масса планета в 14,6 раза больше массы Земли. Однако её средняя плотность составляет всего 1,27 г/см³.

В отличие от газовых гигантов — Сатурна и Юпитера, состоящих в основном из водорода и гелия, в недрах Урана, как и у Нептуна, нет металлического водорода. Предполагается, что в центре Урана находится каменное ядро, которое окружено огромным количеством льда в разных модификациях.

Льды составляют большую часть планеты (до 60 % от общего радиуса). Это дало учёным основание выделить его (наравне с Нептуном) в отдельную категорию «ледяных гигантов». Однако сразу оговоримся, что ледяная оболочка фактически не является ледяной в общепринятом смысле этого слова, так как состоит из горячей и плотной жидкости, являющейся смесью воды, аммиака и метана.

Атмосфера планеты состоит в основном из гелия и молекулярного водорода, а сверху покрыта слоем метановых облаков, которые, кстати, и придают планете такой приятный бирюзовый цвет.

Самая низкая температура, зарегистрированная на Уране, составляет –224 ^оС, что делает планету самой холодной в Солнечной системе.

По состоянию на начало 2017 года, у Урана известно 27 естественных спутников. Так же, как и у всех планет-гигантов, у Урана была обнаружена тонкая и слабовыраженная система колец.

2.4. Нептун

На краю Солнечной системы примерно в 30,10 а. е. от Солнца располагается последняя большая планета Солнечной системы — Нептун. Своё имя она получила в честь древнеримского бога морей.

Нептун — самый маленький гигант. Находится почти на краю Солнечной системы и получает очень мало солнечной энергии. Но, несмотря на это, планета очень активна. На фотографиях Нептуна хорошо видны облака, появляющиеся и исчезающие в атмосфере планеты.

Примечательной деталью Нептуна является и Большое Тёмное Пятно, схожее по структуре с Большим Красным Пятном Юпитера.

Масса Нептуна в 17,2 раза, а диаметр экватора в 3,9 раза больше земных. Средняя же плотность планеты, как и других планет-гигантов, не велика и составляет 1,638 г/см³.

Вокруг Солнца планета обращается за 164,79 земных лет. А период её вращения вокруг оси составляет 15 ч 57 мин 59 с.

Кстати, Нептун, обнаруженный после полуночи 24 сентября 1846 года, стал первой планетой, открытой благодаря математическим расчётам («на кончике пера»).

По своему составу Нептун очень похож на Уран. Однако в атмосфере планеты бушуют самые сильные ветры в Солнечной системе. По некоторым оценкам, их скорости достигают более 583м/с.

Атмосфера составляет 10—20 % общей массы планеты и состоит в основном из водорода, гелия и метана. Под толстым слоем атмосферы располагается мантия, состоящая из воды, аммиака и метанового льда. Температура мантии достигает 5000 К, хотя, по общепринятой терминологии, эту материю называют ледяной и относят Нептун в разряд ледяных-гигантов.

На глубине примерно в 7000 километров метан разлагается на алмазные кристаллы, которые «падают» на железно-никелевое ядро планеты.

На 2017 год у планеты обнаружено 14 естественных спутников. Интересно, что крупнейший спутник Нептуна — Тритон — был открыт английским астрономом Уильямом Ласселом всего через 17 дней после открытия планеты. Также Нептун, как и все планеты-гиганты, имеет систему колец, в которую входит пять компонентов.