Практическая работа №7. Теоретическое обоснование

Практическая работа №7

Тема: Изучение физических свойств больших планет.

Цель работы: Изучить атмосферу, поверхность и погодные явления планет.

Оборудование: мультимедийное оборудование для просмотра фильма и презентации.

Теоретическое обоснование

По современным данным, вокруг Солнца обращаются восемь крупных шарообразных тел, называемых планетами (рис. 1). Наряду с планетами и их спутниками вокруг Солнца обращаются планеты-карлики, тысячи малых планет, называемых астероидами, а также кометы и частички пыли. Масса Солнца в 740 раз превышает массу всех планет, благодаря этому оно своим сильным гравитационным полем удерживает планеты и около себя. Поверхность Солнца нагрета до температуры около 6000 К, поэтому оно излучает собственный свет, а планеты освещаются Солнцем и светят отраженным светом.

 

 

Рисунок 1. Планеты Солнечной системы

 

Планеты вращаются вокруг Солнца в том же направлении, что и Солнце вокруг своей оси, и удалены от Солнца в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн,Уран, Нептун (по современным данным Плутон относят к планетам-карликам). Но физическим характеристикам их объединяют в две группы разграниченные в пространстве поясом астероидов.

Планеты земной группы. Планеты, движутся внутри пояса астероидов (Меркурий, Венера, Земля и Марс), принадлежат к земной группе, так как имеют много общего. Все эти планеты, небольшие по размерам и массе (самая крупная из них — Земля), имеют твердую поверхность, сравнительно высокую среднюю плотность, близкую к плотности Земли (5,5 г/см³), и обладают атмосферами (кроме Меркурия). Планеты земной группы состоят из тяжелых химических элементов.

Наличие атмосферы, содержащей наряду с другими газами углекислый газ, привело к тому, что на поверхности Венеры и Земли действует парниковый эффект. Углекислый газ, а у Земли и водяные пары, пропускают солнечный свет, который нагревает поверхность и атмосферу. Нагретая поверхность испускает инфракрасные лучи, но эти лучи углекислый газ не пропускает наружу в космическое пространство и поверхность не охлаждается. Тепло скапливается у поверхности. Так, температура поверхности Венеры составляет почти 500 °С. А если бы атмосфера Земли не содержала углекислый газ, то температура на ее поверхности была бы на 40° ниже существующей. Так что без парниково го эффекта Земля была бы покрыта льдом.

Планеты-гиганты. Планеты, движущиеся за кольцом астероидов, образуют группу планет-гигантов, возглавляемую Юпитером — самой крупной и массивной планетой Солнечной системы. К этой группе относятся также Сатурн, Уран и Нептун. Они обладают значительными размерами, малой средней плотностью (большая плотность у Нептуна — 1,66 г/см³, самая малая у Сатурна — 0,7 г/см³), быстрым вращением, протяженными гелиево-водородными атмосферами с небольшим содержанием аммиака и метана и, по-видимому, не имеют твердой поверхности. Планеты-гиганты состоят из легких химических элементов, в основном водорода и гелия. Планеты-гиганты окружены кольца ми, состоящими из мелких твердых частиц. Вокруг планет-гигантов обращаются десятки спутников.

Только у Меркурия и Венеры отсутствуют спутники. Крупные спутники (такие, как Луна у Земли или Титан у Сатурна) имеют шарообразную форму, а мелкие (как Фобос и Деймос у Марса) — неправильную форму, свойственную большинству астероидов.

Массы планет-гигантов во много раз больше массы Земли. Например, масса Урана — почти в 15 раз, Нептуна — в 17, Сатурна — в 95, а Юпитера — в 318. Юпитер обладает мощной силой притяжения и может удерживать вокруг себя даже очень легкие газы.

Плотность же планет-гигантов лишь немного больше, чем плотность воды, а у Сатурна даже меньше.

Поскольку нам известно очень мало твердых или жидких веществ, обладающих столь малой плотностью, мы можем предполагать, что внешние слои планет-гигантов газообразны или же состоят из очень легких веществ. А значит, атмосферы их достигают громадной толщины в десятки тысяч километров.

Изучать физические и химические свойства атмосфер мы можем, пользуясь методом спектрального анализа. Заключается он в следующем.

Если мы пропустим свет Солнца через стеклянную призму, то он разложится на составные части в виде цветной полосы, называемой спектром. Спектр по своему строению похож на радугу с более отчетливо разделенными цветами.

Солнечные лучи, идущие от наблюдаемой планеты, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, дважды проходят через ее атмосферу: падая на планету и затем отражаясь от поверхности. При этом атмосфера частично поглощает некоторые из солнечных лучей, потому что каждый из газов, которые ее составляют, поглощает только вполне определенные лучи, что выражается темными линиями в соответствующих местах спектра. По этим линиям можно судить о природе газа.

Следовательно, по спектру можно узнать, через какие газы прошел свет Солнца и планет. А это дает возможность выяснить, из каких газов состоит атмосфера Солнца и планет.

Мы наблюдаем планеты сквозь земную атмосферу, а не за пределами ее. И поэтому свет Солнца, проходя через атмосферу Земли, теряет в ней те участки спектра, которые поглощены газами земной атмосферы.

Например, если бы мы могли наблюдать планеты, находясь за пределами земной атмосферы, то в спектре планеты, имеющей в своей атмосфере кислород, мы увидели бы линии поглощения этого газа. При наблюдении же сквозь земную атмосферу, в которой очень много своего кислорода, дающего темные линии в спектре, планетные линии кислорода тонут в линиях земного кислорода и их очень трудно выделить. Другой пример. Существование воды на Марсе не подлежит сомнению, а между тем паров воды в атмосфере Марса спектральный анализ практически не обнаруживает, потому что марсианские линии паров воды тонут в линиях паров воды, находящихся в земной атмосфере.

Меркурий находится в два с половиной раза ближе к Солнцу, чем Земля. Поэтому температура на нем значительно выше, чем на нашей планете. К тому же Меркурий обращен к Солнцу всегда одной стороной. На этой солнечной стороне Меркурия температура достигает 340 градусов выше нуля, то есть почти точки плавления свинца, а на противоположной стороне царит вечный мрак и холод.

При высокой температуре солнечной стороны и малой силе тяжести на Меркурии не могла удержаться в сколько-нибудь значительном количестве атмосфера.

И действительно, наблюдения обнаруживают едва заметные следы атмосферы на этой планете.

Венера окружена плотной атмосферой, открытой еще М. В. Ломоносовым в 1761 году, и твердая поверхность планеты пока что недоступна наблюдениям. Поэтому мы знаем только немногое об атмосфере Венеры. В основном она состоит из огромного количества углекислого газа. Его здесь раз в 500 больше, чем в атмосфере Земли.

Весьма удивительно, что при большом сходстве Венеры с Землей по величине, массе и плотности в ее атмосфере не обнаружено паров воды и кислорода. Отсутствие паров воды объясняется довольно просто. В атмосфере Земли на уровне океана содержится 1,20 процента паров воды, а на высоте 11 километров всего 0,01 процента. Таким образом, если допустить, что высота облаков над поверхностью Венеры равна 11 километрам, то содержание паров воды над ними должно быть слишком ничтожно, чтобы их можно было обнаружить при помощи спектрального анализа.

Рассмотрим атмосферу Марса. В ней обнаружен углекислый газ, и притом в количестве вдвое большем, чем в атмосфере Земли. Что касается паров воды и кислорода, то они находятся за пределами, доступными наблюдению. А между тем мы знаем, что на Марсе вода есть, следовательно, должны быть и пары ее в атмосфере. Но исследования не обнаруживают их. По-видимому, спектральный анализ в данном случае не может преодолеть маскирующего влияния паров воды и кислорода земной атмосферы.

Можно думать, что в атмосфере Марса находится в значительном количестве азот, но обнаружить его непосредственными наблюдениями до сих пор не удалось, так как в доступных наблюдению участках спектра у него нет резких линий поглощения.

Точные данные о давлении атмосферы на Марсе впервые были получены советскими астрономами академиком В. Г. Фесенковым и профессором Н. Н. Сытинской. Плотность атмосферы на Марсе такая, как на высоте 10–15 километров над поверхностью Земли.

Перейдем теперь к планетам-гигантам. В их атмосферах найден в большом количестве газ метан — химическое соединение углерода с водородом.

Вот соответствующие числа для толщи метана в атмосферах при нормальном давлении и температуре: Юпитер — 150 метров, Сатурн — 350 метров, Уран — 1 500 метров, Нептун — 2 500 метров. Как видим, количество метана от Юпитера к Нептуну сильно увеличивается, но это увеличение в значительной степени кажущееся. Объясняется оно присутствием аммиака. В атмосферах Юпитера и Сатурна аммиак нaходится в газообразном, капельно-жидком и в твердом состоянии. Вероятно, облака, плавающие в их атмосферах, состоят из капелек и кристаллов аммиака, а также других неизвестных нам пока что веществ. Облака закрывают от нас ниже лежащие слои атмосферы и, таким образом, уменьшают влияние метана на спектр планет. Иное дело на Уране и Нептуне. Температура в верхних слоях атмосфер этих планет уже настолько низка, что весь аммиак превратился в кристаллы, которые осели в глубокие, более плотные слои. Метановая атмосфера просматривается здесь во всю ее толщу, свет Солнца проникает далеко вглубь, проходит обратно такой же путь и попадает на Землю в приборы астронома.

Таким образом, увеличение содержания метана в атмосферах планет-гигантов от Юпитера к Нептуну может быть явлением не действительным, а только производным, кажущимся. Эта мысль нам понадобится при рассмотрении вопроса о возможности жизни на планетах-гигантах.

Меркурий среди известных астрономам планет явля­ется самой ближайшей к Солнцу. Это маленькая планета, на которой условия еще хуже, чем на Луне: нет атмосферы, а температура поверхности меняется от -170° С до +450° С. Под грунтом температура в среднем составляет +80° С, причем с глубиной она, естественно, возрастает.

В южных широтах, в частности на юге России, увидеть эту планету легче, чем в северных широтах. Сложность в том, что Меркурий не удаляется от дневного светила больше, чем на 28°. Он регулярно бывает виден, то как ве­черняя звезда доступная наблюдениям лишь в первые 2 ча­са после захода Солнца, то как утренняя — за 2 часа до рассвета.

Меркурий, как и Луна, светит отраженным солнечным светом и, подобно нашему спутнику, меняет фазы: от узко­го серпа до светлого кружка. Полный диск Меркурия виден лишь в моменты верхних соединений, когда он скрывается в лучах Солнца и имеет минимальный диаметр. В нижнем соединении величина диска была бы наибольшей, но в это время планета повернута к Земле неосвещенным полуша­рием и потому не видна.

У Меркурия низкая отражательная способность, опре­деляемая малой величиной альбедо (0,07). Поверхность этой планеты испещрена множеством кратеров. Размеры Меркурия невелики, он немного больше Луны; но средняя плотность у него почти такая же, как у Земли. Вероятно, к центру планеты плотность повышается до 9800 кг/м. Это значит, что у Меркурия должно быть железное ядро радиу­сом 1800 км (3/4 радиуса планеты). На долю ядра прихо­дится 80% массы Меркурия. В ядре генерируются кольце­вые электрические токи, возбуждающие слабое магнитное поле планеты.

Сейчас гипотезы о строении Меркурия уточняются с учетом всех полученных наблюдательных данных. Но, ви­димо, основное свойство Меркурия подмечено правильно: снаружи он похож на Луну, а внутри — на Землю.

Сведения о Меркурии в цифрах:

Диаметр — 4878 км

Масса — 3,28 х 10²³ кг

Масса относительно Земли — 0,055 МЗ

Плотность — 5500 кг/м³

Период вращения — 58,7 суток

Среднее расстояние от Солнца — 0,39 а. е.

Период обращения — 88 суток

Эксцентриситет орбиты — 0,21

Наклон орбиты — 7°

Венера в недавнем прошлом астрономами считалась почти точной копией молодой Земли. Строились догадки, что скрывается под ее облачным слоем: теплые океаны, па­поротники, динозавры? Увы, из-за близости к Солнцу Ве­нера совсем не похожа на Землю: давление атмосферы у поверхности этой планеты в 90 раз больше земного, а температура и днем, и ночью около 460° С. Над поверхностью Венеры уже не так жарко: на высоте 55 км давление и тем­пература такие же, как на Земле. Но атмосфера Венеры состоит из углекислого газа, к тому же в ней плавают обла­ка из серной кислоты.

Венера — одно из красивейших светил неба. Для зем­ного наблюдателя она не отходит от Солнца дальше, чем на 48°. Это объясняется тем, что она расположена ближе к Солнцу, чем Земля. В течение 585 суток чередуются пе­риоды ее вечерней и утренней видимости.

Почти каждая из планет Солнечной системы может по­хвастаться каким-нибудь исключительным свойством. На­пример, Юпитер — крупнейшая среди планет, Земля — самая плотная, на Марсе — самые высокие горы. Что каса­ется Венеры, то у нее самая плотная атмосфера среди пла­нет земной группы, самое медленное вращение вокруг оси и наименьший эксцентриситет орбиты.

Газовая оболочка Венеры — это гигантский парник. Ее атмосфера способна пропускать солнечное тепло, но не выпускает наружу излучения самой планеты. Поглотителя­ми являются углекислый газ, на долю которого приходится около 96% состава атмосферы, и водяной пар, хотя его немного (доли процента). Кроме того, в атмосфере Венеры были обнаружены азот (4%) и в небольших концентрациях другие газы (метан, аммиак, окислы азота, серы, соедине­ния хлора и фтора, кислород).

На уровне верхней границы облаков (65 - 70 км над поверхностью планеты) дуют ветры с постоянным направ­лением с востока на запад и скоростью (вблизи экватора) 110 м/с. По земным меркам это ветер ураганной силы. Об­лака Венеры состоят из капелек концентрированной сер­ной кислоты.

Рельеф планеты состоит из обширных равнин, пересе­ченных горными цепями и возвышенностями типа плато. Горные области выглядят, как земные материки. Низменно­сти, похожие на океанские бассейны Земли, занимают только шестую часть поверхности планеты, тогда как на Земле — две трети. Есть на Венере и кратеры, подобные лунным. Основная же часть поверхности Венеры — это холмистая равнина с кратерообразными структурами. Вул­канические процессы на Венере свидетельствует об актив­ности ее недр. Однако проявление этой активности не но­сит глобального характера, как на нашей планете.

У Венеры должно быть жидкое железное ядро, но дви­жения вещества в нем не происходит — нет перемещения заряженных частиц, то есть электрического тока, а значит, и не возникает собственное магнитное поле планеты.

Венера и Меркурий — единственные из известных пла­нет Солнечной системы, которые не имеют спутников (лун).

Сведения о Венере в цифрах:

Диаметр — 12102 км

Масса — 4,87 х 10²⁴ кг

Масса относительно Земли — 0,82 МЗ

Плотность — 5250 кг/м³

Период вращения — 243 суток (вращение обратное)

Среднее расстояние от Солнца — 0,72 а.е.

Период обращения — 224,7 суток

Эксцентриситет орбиты — 0,007

Наклон орбиты — 3,4°

Марс не без основания считался пригодной для жизни планетой. Хотя климат там очень суровый (летним днем температура около 0° С, ночью -80° С, а зимой доходит до -120° С), но все же это не безнадежно плохо для жизни: существует же она в Антарктиде и на вершинах Гималаев. Однако на Марсе есть еще одна проблема — крайне разряженная атмосфера, в 100 раз менее плотная, чем на Земле. Она не спасает поверхность Марса от губи­тельных ультрафиолетовых лучей Солнца и не позволяет воде находиться в жидком состоянии. На Марсе вода мо­жет существовать только в виде пара и льда. И она дейст­вительно там есть, во всяком случае, в полярных шапках планеты.

Исследовать Марс удобнее всего тогда, когда Земля оказывается точно между ним и Солнцем. Такие противо­стояния повторяются каждые 26 месяцев. Орбита Марса довольно сильно вытянута, поэтому расстояние от него до Земли от противостояния к противостоянию заметно меня­ется. Если Марс попадает в противостояние с Землей в афелии, расстояние между ними превышает 100 млн. кило­метров. Если же противостояние происходит при наиболее благоприятных условиях, в перигелии марсианской орбиты, это расстояние уменьшается до 56 млн. километров. Такие «близкие» противостояния называются великими противостояниями Марса и повторяются через 15-17 лет. По­следнее великое противостояние произошло 27 августа 2003 года в 9 час. 51мин. 17с. по GMT (UT,Т₀).

Ось вращения Марса наклонена относительно плоско­сти его орбиты на 22°, то есть всего на 1,5° меньше, чем ось вращения Земли наклонена к плоскости эклиптики. Перемещаясь по орбите, он поочередно подставляет Солнцу то южное, то северное полушарие. Поэтому на Марсе так же, как и на Земле, происходит смена времен года, только тянутся они почти в 2 раза дольше. А вот марсианский день мало отличается от земного: сутки там длятся 24 ч 37 мин.

Вследствие малой массы сила тяжести на Марсе почти в 3 раза ниже, чем на Земле. Ядро может иметь радиус до половины радиуса планеты. По-видимому, оно состоит из чистого железа и растворенного в нем водорода. Ученые предполагают, что ядро Марса частично или полностью пребывает в жидком состоянии, о чем свидетельствует на­личие у планеты собственного, хотя и очень слабого, маг­нитного поля.

Марс должен иметь мощную кору толщиной 70-100 км. Между ядром и корой находится силикатная мантия, обогащенная железом. Красные окислы железа, присутст­вующие в поверхностных породах, определяют цвет планеты.

На первый взгляд поверхность Марса напоминает лун­ную. Однако на самом деле его рельеф отличается боль­шим разнообразием. На протяжении долгой геологической истории Марса его поверхность изменяли извержения вул­канов и марсотрясения, глубокие шрамы оставили метеоры, ветер, вода и льды. Поверхность планеты состоит как бы из двух контрастных частей: древних высокогорий, покры­вающих южное полушарие, и более молодых равнин, со­средоточенных в северных широтах. Обилие вулканических пейзажей свидетельствует о том, что в далеком прошлом Марс пережил достаточно бурную геологическую эпоху.

Атмосфера Марса более разреженна, чем воздушная оболочка Земли. По составу она напоминает атмосферу Венеры и на 95% состоит из углекислого газа. Около 4% приходится на долю азота и аргона. Кислорода и водяного пара в марсианской атмосфере меньше 1%. Над поверхно­стью планеты часто дуют сильные ветры, скорость которых доходит до 100 м/с. Малая сила тяжести позволяет даже разреженным потокам воздуха поднимать огромные облака пыли. Иногда довольно обширные области на Марсе быва­ют охвачены грандиозными полевыми бурями.

У Марса в 1877 году были обнаружены два маленьких спутника — Фобос и Деймос, которые видны только в большой телескоп как очень слабые светящиеся точки вбли­зи яркого марсианского диска. Оба спутника испытывают сильное приливное воздействие со стороны Марса, поэтому они всегда повернуты к нему одной стороной. Они движут­ся по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости эква­тора планеты.

Сведения о Марсе в цифрах:

Диаметр — 6794 км

Масса — 6,42х 10²³кг

Масса относительно Земли — 0,11 МЗ

Плотность — 3930 кг/м³

Период вращения — 24 ч 37 мин

Среднее расстояние от Солнца — 1,52 а.е.

Период обращения — 686,98 суток

Эксцентриситет орбиты — 0,093

Наклон орбиты — 1,85°

Юпитер — вторая по яркости после Венеры планета. Но если Венеру можно видеть только утром или вечером, то Юпитер иногда ярко сверкает всю ночь. Эта планета-гигант, которая содержит в себе более 2/3 массы всей на­шей планетной системы. Его объем в 1300 раз больше, чем у Земли. Плотность Юпитера сравнима с плотностью воды и в 4 раза меньше, чем плотность Земли. Видимая поверх­ность планеты в 120 раз превосходит площадь Земли. Это гигантский шар из водорода, химический состав которого совпадает с солнечным. А вот температура на Юпитере низкая: -140° С.

Юпитер быстро вращается. Из-за действия центробеж­ных сил планета заметно расплющилась, и ее полярный ра­диус стал на 4400 км меньше экваториального, равного 71 400 км. Магнитное поле Юпитера в 12 раз сильнее земного — компас там будет работать отменно, только северный конец стрелки будет всегда направлен на юг.

Наверху Юпитера видно обычное голубое небо, вокруг клубятся густые белые облака сконденсированного аммиа­ка. Красноватая окраска части юпитерианских облаков го­ворит о том, что здесь много сложных химических соедине­ний. Разнообразные химические реакции в атмосфере ини­циируются солнечным ультрафиолетовым излучением, мощными разрядами молний, а также теплом, идущим из недр планеты. Кстати, планета излучает в пространство вдвое больше энергии, чем получает. Юпитеру не хватило массы, чтобы стать звездой.

Атмосфера Юпитера, кроме водорода (87%) и неболь­шой доли гелия (13%), содержит малые количества метана, аммиака и водяного пара. Также обнаружены следы ацети­лена, этана, угарного газа, синильной кислоты, гидрида германия, фосфина и пропана. Толщина атмосферного слоя — 1000 км. Темные полосы и светлые зоны, парал­лельные экватору, соответствуют атмосферным течениям разного направления. Скорости этих течений — до 100 м/с. На границе разнонаправленных течений образуются гигантские завихрения. Особенно впечатляет Большое Красное Пятно — колоссальный атмосферный вихрь эл­липтической формы размером около 15 х 30 тыс. км.

Юпитерианский океан состоит из главного на планете элемента — водорода. При достаточно высоком давлении водород превращается в жидкость. Вся поверхность Юпи­тера под атмосферой — это огромный океан сжиженного молекулярного водорода. Ядро планеты состоит из камня и металлов. Ничего удивительно в этом нет — ведь и Солнце содержит примеси тяжелых элементов.

Юпитер преподносит много сюрпризов: он генерирует мощные полярные сияния, сильные радиошумы; возле него межпланетные аппараты наблюдают пылевые бури — пото­ки мелких твердых частиц, выброшенных в результате элек­тромагнитных процессов в магнитосфере Юпитера. Мелкие частицы, которые получают электрический заряд при облучении солнечным ветром, обладают очень интересной динамикой: являясь промежуточным случаем между макро и микротелами, они примерно одинаково реагируют и на гравитационные, и на электромагнитные поля. Именно из таких мелких каменных частиц в основном состоит кольцо Юпитера, главная часть которого имеет радиус 123 - 129 тыс. км и толщину 30 км. Это плоское, очень разреженное кольцо, отражает лишь несколько тысячных долей процента падающего света. У Юпитера обнаружено 16 спутников. Владения Юпи­тера довольно обширны: 8 внешних спутников настолько удалены от него, что их нельзя было бы наблюдать с самой планеты невооруженным глазом. Происхождение спутни­ков загадочно: некоторые из них движутся вокруг Юпитера в обратную сторону (по сравнению с обращением других 12 спутников и направлением суточного вращения самой планеты). Спутники Юпитера — это интереснейшие миры, каждый из которых имеет свое «лицо».

Сведения о Юпитере в цифрах:

Диаметр — 142 800 км

Масса —1,9 x10²⁷ кг

Масса относительно Земли — 318 МЗ

Плотность — 1330 кг/м³

Период вращения — 9 ч 55 мин 29 с

Среднее расстояние от Солнца — 5,20 а.е.

Период обращения — 11,86 года

Эксцентриситет орбиты — 0,048

Наклон орбиты — 1,3°

Сатурн представляется невооруженному глазу звездой 1-й звездной величины, он значительно слабее по блеску, чем Венера, Юпитер и Марс. В телескоп средней силы хо­рошо заметно, что шар Сатурна сильно сплюснут — еще сильнее, чем у Юпитера.

Светло-желтый Сатурн внешне выглядит скромнее сво­его соседа — оранжевого Юпитера. У него нет столь кра­сочного облачного покрова, хотя структура атмосферы почти такая же. Как и Юпитер, Сатурн в основном состоит из водорода и гелия. Только содержание гелия в его атмо­сфере ниже, и он более равномерно распределен по всей массе планеты. Вследствие меньшей силы тяготения атмо­сфера Сатурна глубже юпитерианской.

Вдоль экватора планеты проходит гигантское атмо­сферное течение шириной в десятки тысяч километров, скорость его достигает 500 м/с. Хотя пятна атмосферных вихрей на Сатурне уступают по размерам юпитерианскому Большому Красному Пятну, но и там наблюдаются гранди­озные штормы, видимые даже с Земли.

Ниже атмосферы простирается океан жидкого молеку­лярного водорода. На глубине около половины радиуса планеты давление в нем достигает 3 млн. атмосфер, и водо­род уже не может существовать в молекулярном состоянии. Он становится металлическим, хотя по-прежнему жидким. Течения в этом металлическом океане генерируют доволь­но сильное магнитное поле Сатурна. В центре планеты на­ходится массивное ядро (до 20 земных масс) из камня, же­леза и, возможно, льда. В центре Сатурна при давлении в миллионы атмосфер присутствует лед, то есть в данном случае смесь из кристаллов воды, металлов и аммиака.

Кольца Сатурна постоянно будоражили воображение ученых своей уникальной формой. Плоскость экватора Са­турна, его колец и спутниковой системы наклонена к плос­кости земной орбиты более чем на 26°. Это создает благо­приятные возможности для наблюдения колец Сатурна. С Земли хорошо различимы 3 кольца разной яркости. Внеш­ний радиус колеи равен 137 тыс. км. Если взглянуть на кольца с более близкого расстояния, то окажется, что они расслаиваются на тысячи колечек. Ну а если приблизиться к кольцам вплотную, то они окончательно потеряют для нас свою монолитность и превратятся в огромное количество отдельных «спутничков» Сатурна — частиц из обычного во­дяного льда самой разной величины: от мелких пылинок до глыб с поперечником 10 - 15 м. Основная масса колец за­ключена в частицах метровых размеров, которые представляют собой не цельные куски льда, а снежные комья. Эти снежные тела вращаются вокруг Сатурна со скоростью около 10 км/с.

Сами кольца чрезвычайно тонки: не более 100м толщиной. По отношению ширины к толщине листок папирос­ной бумаги гораздо толше планетных колец. Если припод­няться над плоскостью колец, то можно увидеть бесконеч­ное снежное поле. Внутри него возвышается гигантское полушарие Сатурна, освещенное Солнцем. Основная часть системы сатурнианских колец имеет ширину 60 тыс. км.

К 1995 году у Сатурна было известно 22 спутника. Почти все эти космические тела светлые и состоят преиму­щественно из водяного льда. Их плотность 1200 - 1400 кг/м³ (за исключением Титана). У наиболее крупных спут­ников формируется внутреннее каменистое ядро. Боль­шинство спутников имеет синхронное собственное враще­ние — они повернуты к Сатурну всегда одной стороной (как Луна по отношению к Земле).

Сведения о Сатурне в цифрах:

Диаметр — 120 000 км

Масса — 5,7х 10²⁶кг

Масса относительно Земли —- 95 МЗ

Плотность — 690 кг/м³

Период вращения — 10 ч 40 мин 30 с

Среднее расстояние от Солнца — 9,54 а.е.

Период обращения — 29,46 года

Эксцентриситет орбиты — 0,056

Наклон орбиты — 2,5°

Уран был открыт 13 марта 1781 года учителем музыки из Англии Уильямом Гершелем, до этого совершенно неиз­вестным в астрономическом мире.

Когда о Земле говорят «голубая планета» — это ласко­вое преувеличение. По-настояшему голубой планетой ока­зался далекий Уран! Причина этого кроется в составе ат­мосферы Урана и ее температуре. При морозе (-218° С) в верхних слоях водородно-гелиевой атмосферы сконденси­ровалась и теперь постоянно присутствует метановая дым­ка. Метан хорошо поглошает красные лучи и отражает го­лубые и зеленые. Поэтому Уран и приобрел красивый ак­вамариновый цвет.

Типичные для Сатурна и Юпитера белые аммиачные облака на Уране сформировались в нижних слоях атмо­сферы и поэтому не видны. Лишь на низких широтах было замечено несколько светлых облаков. По их движению скорость ветра на больших высотах оценивалась в 100 м/с. В верхней атмосфере Урана наблюдаются различные «электросияния», подобные земным полярным сияниям. Их вызывают потоки элементарных частиц (протонов, электро­нов), бомбардирующих газовую оболочку планеты.

У Урана почти такое же сильное магнитное поле, как и у Земли, только конфигурация его необычна: магнитный полюс отклоняется от географического почти на 60°. Так что компас там не будет указывать на географический по­люс. А самая примечательная особенность этой планеты за­ключается в том, что она вращается «лежа на боку» (даже слегка «вниз головой»): наклон ее оси вращения 98°.

Уран получает почти в 400 раз меньше света, чем наша планета. Для чувствительного человеческого глаза это со­ответствует освещенности на Земле сразу после захода Солнца, в начале сумерек. Под газовой оболочкой толщи­ной около 8 тыс. км (треть радиуса планеты!) должен располагаться плотный океан из воды, аммиака и метана с температурой поверхности +2200° С. Атмосферное давле­ние на уровне океана — 200 тыс. земных атмосфер. В от­личие от Сатурна и Юпитера на Уране нет металлического водорода, и аммиачно-метаново-водная оболочка толщиной 10 тыс. км переходит в центральное железно-каменное яд­ро из твердых парод. Температура там достигает +7000° С, а давление — 6 млн атмосфер.

Всего у Урана известно 15 спутников. Эта спутниковая система лежит в экваториальной плоскости планеты, то есть почти перпендикулярно к плоскости ее орбиты (как монета на ребре, катящаяся по столу, или как колесо обо­зрения в парке). С конца XX в. Уран повернут полюсом к Земле и взгляд земного наблюдателя направлен почти под прямым углом к плоскости орбит спутников.

В 1977 году были открыты 9 плотных, узких и далеко отстоящих друг от друга угольно-черных колеи Урана. Они были полной противоположностью кольцам Сатурна: свет­лые и широкие снежные кольца Сатурна — ив тысячу раз более узкие, черные и каменистые кольца Урана. Кольца Урана представляют собой набор из девяти «паутинок». Ра­диус их орбит лежит в пределах 40 - 50 тыс. км, а ширина лишь 1 - 10 км, и только внешнее кольцо в самой широкой части достигает 66 км. Каждое кольцо шире всего в той части, которая наиболее удалена от планеты. Толшина же их, как и колец Сатурна, исчисляется десятками метров. Кольца обладают небольшой эллиптичностью и наклонени­ем к экваториальной плоскости Урана.

Сведения об Уране в цифрах:

Диаметр — 51 800 км;

Масса — 8,7х 10²⁵ кг

Масса относительно Земли — 14,6 МЗ

Плотность — 1710 кг/м3

Период вращения — 17 ч 14 мин

Среднее расстояние от Солнца — 19,18 а. е.

Период обращения — 84,01 года

Эксцентриситет орбиты — 0,047

Наклон орбиты — 0,77°

Нептун был открыт 23 сентября 1846 года немецким наблюдателем Иоганном Галле. Эта планета почти не ме­няет свой блеск, соответствующий примерно 8-й звездной величине. Так что планету можно увидеть в хороший би­нокль, но нужно точно знать, где ее искать на небе.

В атмосфере Нептуна (как и Урана) меньше водорода и гелия, чем у Юпитера и Сатурна, а его красивая синева связана с тем, что атмосферный метан эффективно погло­щает красные лучи. На Нептуне заметны пятна антицикло­нов. Самый крупный из них назван Большим Темным Пят­ном. Он украшен по краю белыми облаками; время круго­оборота вещества в нем — 16 дней.

По строению и составу Нептун похож на Уран. Весит он чуть больше, а радиус его почти совпадает с радиусом Урана. Магнитное поле Нептуна сходно по силе с земным. Магнитный полюс отстоит от географического на 47°. Нептун медленно плывет вокруг Солнца по гигантскому кругу с радиусом в 30 раз большим, чем радиус орбиты Земли.

В октябре 1846 года был открыт спутник Нептуна — Тритон, который оказался необычным: он движется в на­правлении, противоположном вращению самой планеты. Хотя у некоторых спутников Юпитера и Сатурна тоже об­ратное движение, но Тритон выделяется среди них: его диаметр — 2700 км, и в нем сосредоточена почти вся мас­са спутниковой системы Нептуна. Кроме того, он обраща­ется очень близко к Нептуну — на расстоянии всего 355 тыс. км. Тритон оказался вторым спутником в Солнечной системе(первый — спутник Сатурна Титан), имеющим значительную атмосферу. Состав атмосферы — азот с приме­сью метана, а давление на поверхности в 70 тыс. раз мень­ше земного. К настоящему времени известно 8 спутников Нептуна.

В середине 80-х годов XX столетия ученые открыли у этой планеты кольца, но очень странные: они были непол­ными. Эти разорванные кольца стали называть дугами или арками. Вещество в них распределено неравномерно: плотность резко падает у концов дуги. Исследование арок показывает, что в середине они содержат уплотнения ши­риной 15 км, окруженное прозрачным пылевым шлейфом шириной 50 км. Арки Нептуна представляют собой цепочки ранее неизвестных науке эллиптических вихрей антици­клонического типа, состоящих из твердых частиц. Эти уникальные вихри названы эпигонами.

Сведения о Нептуне в цифрах:

Диаметр — 48 600 км

Масса —1,03 xW²⁶ кг

Масса относительно Земли — 17,2 МЗ

Плотность — 2300 кг/м³

Период вращения — 16 ч 03 мин

Среднее расстояние от Солнца — 30,06 а.е.

Период обращения — 164,79 года

Эксцентриситет орбиты — 0,009

Наклон орбиты — 1,77°

Заметим, что климат планет-гигантов — Юпитера, Са­турна, Урана и Нептуна — совершенно не соответствует нашим представлениям о комфорте: очень холодно, невы­носимый для человека газовый состав (метан, аммиак, во­дород и т.д.), практически нет твердой поверхности — лишь плотная атмосфера и океан жидких газов. Все это очень непохоже на Землю.

Плутон был открыт в феврале 1930 года молодым американским астрономом Клайдом Томбо. Среднее рас­стояние от Плутона до Солнца в 40 раз больше расстояния между Солнцем и Землей, а значит, света и тепла он полу­чает в 1600 раз меньше, чем Земля. Солнце на небе Плу­тона выглядит очень яркой звездой, не имеющей видимого диска. И все же оно там светит в 300 раз ярче, чем полная Луна на нашем небе. Плутон при открытии имел блеск звезды 15-й звездной величины. Наблюдать его можно только в сильные телескопы.

По размерам Плутон составляет примерно 1/500 мас­сы Земли и 1/6 массы Луны. В 1978 году был обнаружен неяркий спутник Плутона — Харон (согласно древнегрече­ской мифологии так звали перевозчика, переправлявшего души умерших через реки подземного царства). Если диа­метр Плутона 2290 км, то Харона — 1186 км. Плотности обоих тел одинаковы, они меньше плотности скальных по­род, но вдвое больше плотности льда. По-видимому, Плу­тон состоит и из того, и из другого.

Таким образом, Плутон является самой маленькой сре­ди больших планет (раньше это «звание» принадлежало Меркурию). Кроме того, он обладает самым массивным спутником (по отношению масс спутник/планета). В самом деле, Луна имеет массу, равную 1/81 массы Земли, а Харон — примерно 1/8 - 1/10 массы Плутона.

У Плутона разреженная атмосфера, состоящая из ме­тана. Давление этой атмосферы у поверхности планеты в 7 тысяч раз меньше атмосферного давления у поверхности Земли. Поверхность Плутона покрыта метановым льдом и поэтому имеет сероватый оттенок в отличие от красновато­го Харона, на котором преобладают обычные скальные по­роды и водяной лед.

В течение нескольких лет до и после прохождения пе­ригелия Плутон бывает ближе к Солнцу, чем Нептун. Этот период можно считать «летом» для Плутона. Все же темпе­ратура у поверхности планеты в это время составляет от -228° до -206° С. Когда Плутон будет в афелии (через 124 года), приток солнечного тепла уменьшится втрое и темпе­ратура значительно упадет. Северный полюс планеты по­крыт шапкой из замерзших газов.