08.03.2023
Урок 32
Тема. Природа тіл Сонячної системи - планети-гіганти
Завдання:
- Опрацювати теоретичний матеріал
- Зробити в зошиті порівняльну таблицю цих планет: за величиною; за густиною; за хімічними елементами атмосфери; за кількістю супутнків
- Відповісти на тест, знизу за посиланням
Планети-гіганти помітно відрізняються від планет земної групи. З одного боку, вони мають істотно більші розміри й маси, з другого боку, — значно менші густини, що свідчить про інший хімічний склад. Під їхніми потужними воднево-гелієвими атмосферами немає твердих поверхонь. У міру заглиблення в атмосферу речовина плавно переходить в суміш газу й рідини, а потім в рідину. Проте під атмосферами, товщина яких закономірно зменшується із збільшенням відстані планети від Сонця, кожна з них має тверде ядро. Всі планети-гіганти лежать далі від Сонця, ніж планети земної групи, і кожна з них має велике сімейство супутників і систему кілець.
Планети Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун, залежно від їх кутової відстані на небесній сфері від Сонця, можна спостерігати і ввечері, і вранці, і протягом усієї ночі. Юпітер дуже легко знайти на небосхилі, бо після Місяця й Венери він є найяскравішим світилом нічного неба, що світить немерехтливим жовтуватим світлом. Сатурн теж без ускладнень можна спостерігати неозброєним оком, хоч він і поступається в яскравості Юпітеру у кілька разів. Для спостережень планет Уран і Нептун потрібно використовувати телескоп.
1. Фізичні характеристики планет-гігантів. Група планет-гігантів чітко поділяється на дві пари: Юпітер і Сатурн мають більші розміри, менші густини і менші періоди обертання, ніж Уран і Нептун.
Рис. 14.1. Порівняльні розміри планет-гігантів.
Юпітер і Сатурн. Юпітер — найбільша розмірами планета Сонячної системи. І не тільки найбільша, а й масивніша за всі інші планети разом узяті! Згідно з розрахунками, якби його маса була більшою в кілька десятків разів, він, як і Сонце, став би зорею, щоправда меншою і холоднішою за нього.
Юпітер — найживописніша планета Сонячної системи. Навіть в аматорський телескоп на його диску видно яскраві кольорові світлі й темні смуги хмар, витягнуті через швидке обертання планети паралельно до екватора. Цікавим у його атмосфері є на диво стійке атмосферне утворення — Велика Червона Пляма, яку вперше помітили ще у XVII сторіччі. Ця пляма, щодо природи якої висловлювалось багато припущень, своїми розмірами майже втричі перевершує Землю. Коли було отримано космічні знімки Юпітера з близької відстані, стало зрозумілим, що це — велетенський і дуже стійкий атмосферний вихор (рис. 14.3), схожі на який
було виявлено в атмосферах і інших планет-гігантів. Можливо червоного кольору йому надають сполуки фосфору. У центрі вихору палахкотять колосальних розмірів блискавки А світлі й темні смуги хмар — це вершини висхідних потоків газу з глибин і низхідних ділянок між ними.
Рис. 14.2. Велика Червона Пляма в атмосфері Юпітера — стійкий атмосферний вихор, що існує вже понад 350 років.
Для атмосфери Юпітера властиві бурхливі турбулентні процеси, завдяки яким він досить швидко (впродовж кількох місяців) змінює свій зовнішній вигляд. Таку швидку зміну пояснюють досить прозаїчно — планета випромінює енергії удвічі більше, ніж отримує від Сонця. Це означає, що глибоко в надрах Юпітера існує власне її джерело. За одним із припущень ще й дотепер у ядрі планети триває процес гравітаційного стискання первинної речовини, що й породжує додаткове виділення енергії з її надр. Потік енергії, підігріваючи атмосферу знизу, зумовлює появу потужних висхідних течій, що виносять догори великі маси гарячої речовини. Згодом, охолоджуючись, потоки газу знову поринають у глибини.
Космічний зонд «Юнона» виявив на екваторі Юпітера пояс аміаку, що проникає в глиб атмосфери майже на 300 км. Це дозволяє говорити про існування погодної системи, яку визначає процес перерозподілу аміаку між різними ділянками планети.
У Юпітера є три тонких кільця, утворених переважно крихітними темними пиловими частинками (рис. 14.4). Про їх існування ще до початку космічної ери висловлював думку відомий вчений, який понад 40 років завідував кафедрою астрономії Київського національного університету імені Тараса Шевченка, професор С.К. Всехсвятський. Але відкрили кільця тільки в 1979 р. після прольотів повз Юпітер міжпланетних зондів «Вояджер-1» і «Вояджер-2». Космічні фотографії кільця стали блискучим підтвердженням наукових завбачень нашого співвітчизника.
Рис. 14.3. Кільце Юпітера (ліворуч) утворюють переважно дрібні пилинки; портрет С.К. Всехсвятського та космічний зонд «Вояджер-1» (праворуч).
Завдяки автоматичним міжпланетним станціям (зокрема «Ґалілео» та «Юнона») вдалося дослідити значно потужніше (у 20 разів), ніж земне, магнітне поле Юпітера та сформовані ним кілька радіаційних поясів. Планету оточує неймовірних розмірів поле з електрично заряджених частинок. При цьому рівень радіації поблизу Юпітера у 25 разів перевищує смертельну дозу для людини. Тепер відомо, саме ці пояси є джерелом сильного радіовипромінювання в дециметровому й метровому діапазоні, відкритого ще в 50-ті роки ХХ ст. Радіошум від Юпітера іноді буває сильнішим за радіовипромінювання Сонця і здатний впливати навіть на короткохвильові антени на Землі. Навколо обох полюсів планети існують яскраві полярні сяйва, що іноді змінюють свою інтенсивність.
Юпітер є своєрідним щитом проти астероїдів і комет всередині Сонячної системи. Його потужна гравітація змінює орбіти більшості з них, чим захищає планети земної групи від зіткнення з ними. Вочевидь це сприяло збереженню життя на нашій планеті.
Юпітер має своєрідну внутрішню будову. Товщина його воднево-гелієвої з домішками метану й аміаку атмосфери становить до 1500 кілометрів. Далі вона переходить у газорідкий і потім у рідкий стан. А на глибині майже в 16 000 км за температури близько 2 000°С і величезного тиску водень починає добре проводити електричний струм. По аналогії з металами, що є хорошими провідниками струму, цей стан водню називають «металевим». Товщина цього шару становить приблизно до 40 000 км. Внутрішнє метало-силікатне ядро планети до 25 000 км у діаметрі — тверде. З допомогою зонду «Юнона» з’ясовано, що внутрішні шари атмосфери Юпітера повсякчас перемішуються.
На сьогодні у Юпітера відомо 67 супутників, з яких 4 найбільших — Іо, Європа, Ганімед і Калісто — були відкриті Галілео Галілеєм ще в 1610 році.
Сатурн — шоста числом і друга розмірами й масою планета Сонячної системи. Багато в чому він дуже схожий на Юпітер. Майже такий самий хімічний склад, розміри, маса, швидке обертання навколо осі, виділення більшої кількості тепла із надр, ніж отриманого від Сонця, і багато іншого ріднять ці планети. Щоправда смуги на його диску не такі яскраві і спокійніші, ніж на диску Юпітера.
Сатурн це планета, що має дуже малу густину речовини. Навіть меншу за густину води — усього 0.68 г/см куб.! Занурений в гіпотетичний величезний водоєм, Сатурн би плавав на його поверхні. Магнітне поле Сатурна має вдвічі меншу напруженість, ніж магнітне поле Землі. Внаслідок цього його магнітосфера значно менша, ніж у Юпітера.
Ще донедавна відзнакою лише Сатурна вважали великі і яскраві кільця, що оперізують планету (рис. 14.5 а). Нині вони є ознакою всіх планет-гігантів. Проте, як і раніше, через істотно більші розміри й яскравість, кільця Сатурна є винятковими.
З близької відстані кільця Сатурна мають вигляд системи з кількох сотень тонких кілець, розділених вузькими темними проміжками. Кожне з них утворене з окремих крихких крижаних частинок розмірами від зовсім дрібних до брил у 10—15 м завбільшки. Ширина кілець Сатурна становить близько 65 000 км (рис. 14.5 б).
Цікаво, що під час досліджень Сатурна космічними апаратами в інфрачервоних променях на його північному полюсі було виявлене полярне сяйво.
У Сатурна є 62 супутники. Найбільший серед них — Титан, який має щільну атмосферу.
Рис. 14.4. Сатурн та його кільця (а) і вигляд кілець Сатурна з близької відстані (б).
Уран і Нептун. Так само, як Юпітер і Сатурн, ці планети теж дуже схожі між собою (рис. 14.6). Тільки масивніший Нептун має трохи менші розміри, ніж Уран. Середня густина Нептуна найбільша серед густин усіх планет-гігантів. Це свідчить про найменшу протяжність його атмосфери, порівнюючи з іншими планетами цієї групи. Хімічним складом Уран і Нептун дещо відмінні від Юпітера й Сатурна: вони вміщують більше важких хімічних елементів (метан, аміак, вода). У зв’язку з цим у надрах Урана та схожого з ним Нептуна відсутній «металевий» водень. Проте в них є багато модифікацій перегрітого льоду, тому фахівці виділили їх в окрему категорію «крижаних гігантів».Цікаво, що Уран рухається навколо Сонця наче лежачи на боку, — кут між площиною його орбіти і віссю обертання дуже малий і становить усього 8°. Отже, супутники Урана рухаються не в площині його орбіти (як це відбувається з супутниками всіх інших планет), а майже перпендикулярно до неї. Це унікальний випадок у Сонячній системі. Так само, як і Венера, Уран обертається навколо осі у зворотному напрямку. Напевне, як і в разі Венери, ще на початку історії Сонячної системи він пережив катастрофічне зіткнення з великим об’єктом, що змінив нахил його осі й напрямок обертання аж до протилежного.
Уран і Нептун оточені тонкими темними кільцями, що складаються з дуже дрібних пилинок, льоду й космічного сміття (залишків речовини після утворення Сонячної системи). Кільця погано відбивають світло. Навколо Урана налічують 13 кілець, навколо Нептуна — шість.
Цікаво, що, на відміну від інших планет-гігантів, Уран не випромінює більше енергії, ніж отримує від Сонця. Він — справжня льодяна планета, що має найхолоднішу планетарну атмосферу серед усіх планет (49К, або -224°С). В атмосфері багато льодяних частинок з води і твердого аміаку. І навіть ядро огортає мантія з льоду, щоправда, перегрітого. Причиною цього може бути те, що під час катастрофічного зіткнення, яке «поклало» Уран на бік, він розгубив усе своє внутрішнє тепло.
Верхні шари атмосфери Урана заволочені метановим туманом, який надає йому слабкого синюватого відтінку і приховує бурі, що можуть біснуватися в атмосфері. Під метановими хмарами залягають хмари з води. Цікаво, що в газовій оболонці планети у більшій концентрації, ніж на інших гігантах, присутні сполуки сірководню, аміаку, метану, що надає й без того смертельно отруйній атмосфері (якби людина могла це відчути) дуже неприємного запаху тухлих яєць і сечі.
Уран має 27 відомих на 2017 р. супутників.
Щодо Нептуна, то космічний аппарат «Вояджер-2» ще в 1989 р. виявив на його диску темні плями, які мають таку саму природу, що й Велика Червона Пляма на Юпітері. Найбільша з них, «Велика темна пляма», — циклон розмірами 13 000 на 8000 км, де швидкість вітру досягає 2400 км / год. Вітри на Нептуні — найсильніші в Сонячній системі, навіть швидші, ніж
у шаленній атмосфері Юпітера. Їх існування в атмосфері планети, як загалом і в усіх планет- гігантів, окрім Урана, вказує на наявність внутрішнього джерела тепла. Планета випромінює у простір в 2,6 рази більше енергії, ніж отримує від Сонця.
Планета має магнітне поле, напруженість якого на полюсах приблизно вдвічі більша, ніж у магнітного поля Землі. А її атмосфера, як і в Урана, плавно переходить у рідину, потім у перегріту рідку мантію і тверде ядро. На сьогодні у Нептуна відомо 14 супутників.
Через розміри усього в 4 рази більші за земні і силу тяжіння на поверхні усього на 17% більшу від земної Нептун вважають проміжною ланкою між планетами земної групи і планетами-гігантами.
Немає коментарів:
Дописати коментар