Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

Розділ 2. Фізика Сонячної системи

§ 32. Планети і їхні супутники

Опрацювавши цей параграф, ви зможете пояснити причини парникового ефекту та причини виникнення припливів і відпливів; наводити приклади дослідження тіл Сонячної системи з допомогою космічних апаратів.

Планети Сонячної системи, зважаючи на їхні основні параметри (розмір, маса, хімічний склад), поділяють на дві групи. До однієї групи, крім Землі, належать також Меркурій, Венера і Марс. За ними закріпилася назва: планети земної групи. Ще чотири планети — Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун — розмірами значно більші, тому їх об'єднують у групу планет-гігантів.

ЗЕМЛЯ І МІСЯЦЬ. У багатьох аспектах Земля — звичайна планета Сонячної системи. Водночас вона є унікальною, бо на ній існує життя.

Земля утримує повітряну оболонку — атмосферу. Атмосфера відбиває у простір 40—50 % сонячних променів, що на неї падають, і з космосу Земля має вигляд яскравого світила блакитного кольору.

Рис. 32.1. Вигляд Землі з борта космічного корабля «Аполлон-8», який під час зйомки (грудень 1968 р.) перебував на орбіті Місяця

Атмосфера Землі складається з різних газів, серед яких є вуглекислий газ і водяна пара. Хоча їхня кількість мала (вуглекислого газу лише 0,03 %, водяної пари до 4 %), вони затримують у нижніх шарах атмосфери значну кількість тепла, випромінюваного Землею. Водночас до поверхні Землі відносно вільно проникають світлові сонячні промені. Отже, атмосфера діє подібно до скла в парниках та оранжереях, створюючи явище, яке називають парниковим ефектом.

Парниковий ефект має виняткове значення для існування життя на Землі. Зникнення водяної пари та вуглекислого газу з атмосфери призвело б до катастрофічного зниження температури на планеті майже на 40 °С, що негативно позначилося б на існуванні живих істот. Згідно з оцінками вчених, за останні 100 років через техногенну діяльність людства обсяг вуглекислого газу в атмосфері зріс майже на 10 %, що призвело до підсилення парникового ефекту і глобального потепління.

Окремо в атмосфері виділяють дуже важливий прошарок — озоновий, що складається з триатомних молекул кисню (О₃). Цей шар з максимальною концентрацією на висоті 25—35 км повністю поглинає жорстке ультрафіолетове випромінювання Сонця, захищаючи все живе від його смертоносної дії.

Земля має стале магнітне поле, що простягається від поверхні в космос на відстань у кілька її радіусів. Воно захоплює й утримує поблизу Землі безліч заряджених частинок, що надходять від Сонця. Тому навколо Землі існують радіаційні пояси. Навколоземний простір, фізичні властивості якого визначає взаємодія магнітного поля планети з потоками заряджених частинок, називають магнітосферою. Магнітосфера, як і атмосфера, захищає біосферу від шкідливого випромінювання з космосу.

Навколо Землі обертається природний супутник — Місяць. Він має кулясту форму і світить відбитим сонячним світлом. Ґ. Ґалілей був першим, хто виділив у рельєфі Місяця гори і кратери.

Місяць має надзвичайно розріджену атмосферу з Гідрогену, Гелію, Неону й Аргону в сильно іонізованому стані. На його поверхні є два види ландшафтів — сліди давньої активності місячних надр. Їх називають морями й океанами та материками. Моря мають вигляд темних плям на диску Місяця. Вони утворені породами, що погано відбивають сонячне світло. Материки відбивають сонячного світла значно більше. На відміну від морів, де кратерів відносно мало, материки майже суцільно вкриті кратерами різних розмірів.

Поверхневий шар Місяця утворює пухка речовина до 2-3 м завтовшки — реголіт. Структурою й хімічним складом він близький до земних вулканічних порід.

Сила тяжіння Місяця спричиняє припливні деформації в літосфері, гідросфері й атмосфері Землі. Явище припливів і відпливів виникає тому, що Місяць із неоднаковою силою притягає до себе по-різному віддалені від нього частини Землі (рис. 32.2). Як наслідок, літосфера, гідросфера й атмосфера Землі деформуються й витягаються вздовж прямої, направленої в бік Місяця. Наприклад, у Світовому океані утворюються припливні горби, витягнуті вздовж лінії Земля — Місяць, що пересуваються услід за Місяцем. Спричиняючи на нашій планеті припливи, Місяць гальмує обертання Землі навколо осі. Розрахунки показують, що на початку історії Землі доба тривала не 24 години, як нині, а лише 6 годин.

Рис. 32.2. Схема виникнення припливів

Водночас за 4,5 млрд років Земля так загальмувала осьове обертання Місяця, що його період став майже рівним періоду обертання навколо Землі, і тепер він завжди повернутий до Землі одним боком.

ПЛАНЕТИ ЗЕМНОЇ ГРУПИ. Як і Земля, Меркурій, Венера і Марс — це планети відносно невеликих розмірів і мас, з твердими поверхнями, рельєф яких має спільні риси. Середнє значення густин речовини цих планет у кілька разів більше за густину води. Те, що густини мають близькі значення, вказує на схожість хімічного складу їхніх надр. Планети земної групи складаються переважно із силікатних порід і металів.

Рис 32.3. Порівняльні розміри планет земної групи

Поверхня Меркурія дуже нагадує місячну (рис. 32.4, а). Докладні карти планети створено завдяки фотографіям, переданим американськими автоматичними міжпланетними станціями, що вивчали її в 1974—1975 рр. та протягом 2011—2015 рр.

Доба на Меркурії найтриваліша в Сонячній системі — 176 земних діб. Атмосфера планети надзвичайно розріджена. Її утворюють елементи, які полишають поверхню під дією нагріву, жорсткої радіації та сонячного вітру, Меркурій обертається найближче до Сонця, тому такий великий перепад температур на його поверхні — від понад 720 К (+450 °С) удень до майже 100 К (-170 °С) уночі.

Венера — найближча до Землі планета в Сонячній системі. Вона огорнута суцільним хмаровим покривом, але з допомогою радіохвиль вдалося дослідити поверхню планети і скласти її перші карти. Як і на Землі, головну роль у формуванні рельєфу Венери відіграла активність надр (рис. 32.4, б). На її поверхні є також метеоритні кратери.

Рис. 32.4. Поверхні Меркурія (а) та Венери (б)

Серед усіх планет у Сонячній системі Венера найповільніше обертається навколо осі (243 земних доби) та ще й у протилежному напрямку, порівнюючи з іншими планетами. Велика кількість вуглекислого газу (97 %) в атмосфері Венери спричиняє потужний парниковий ефект. Унаслідок цього її поверхня розжарена до температури понад 750 К (+480 °С), майже не зазнаючи добових коливань: уночі поверхня через щільну атмосферу не охолоджується.

Поверхня Марса в чомусь нагадує місячну, а деінде земну; на ньому майже повсюдно панують низькі температури. Тільки на екваторі вдень температура підвищується приблизно до 288 К (+15 °С), але вночі вона швидко спадає до 170 К (-100 °С).

Полюси Марса вкриті полярними шапками з твердої вуглекислоти та водяного льоду. На поверхні Марса є найбільші в Сонячній системі гігантські згаслі вулкани. Найвищий з них — гора Олімп віком у кілька мільйонів років, височіє над поверхнею планети майже на 27 км.

Ще одна особливість марсіанського рельєфу — русла висохлих річок (рис. 32.5). Ці річища свідчать: колись на планеті були повноводні ріки. Нині великі запаси води містяться під марсіанською поверхнею у вигляді вічної мерзлоти.

Рис. 32.5. Русла річок на поверхні Марса

Марс утримує дуже розріджену атмосферу переважно з вуглекислого газу. У нього, на відміну від Меркурія й Венери, є два невеликих супутники неправильної форми — Фобос і Деймос.

ПЛАНЕТИ-ГІГАНТИ ТА ЇХНІ СУПУТНИКИ. Окрім великих розмірів, цим планетам властиві й великі маси. У кожної з них є сімейство супутників і система кілець. Але головна відмінність планет-гігантів від планет земної групи — цілком інший склад речовини. Вони складаються переважно з водню та гелію.

Планети-гіганти швидко обертаються навколо осей, але не як тверді тіла — приполярні зони обертаються повільніше за екваторіальні, тому доба на екваторі коротша, ніж на полюсах. Унаслідок швидкого обертання планети-гіганти помітно сплюснуті до полюсів і опуклі біля екватора.

Рис. 32.6. Порівняльні розміри Юпітера та Землі

У планет-гігантів потужні воднево-гелієві атмосфери з домішками метану й аміаку та немає твердих поверхонь. Речовина атмосфери з глибиною плавно переходить у суміш газу й рідини, а потім — у рідину. Під атмосферами, товщина яких зменшується зі збільшенням відстані планети від Сонця, кожна з них має тверде ядро.

Групу планет-гігантів можна чітко поділити на дві пари: Юпітер і Сатурн мають більші розміри, менші густини і менші періоди обертання, ніж Уран і Нептун (рис. 32.7).

Рис. 32.7. Порівняльні розміри планет-гігантів

Юпітер — найбільша й масивніша за всі інші планети разом узяті планета Сонячної системи. На його диску добре помітні яскраві кольорові світлі й темні смуги хмар, витягнуті через швидке обертання планети паралельно до екватора. Атмосферне утворення — Велику Червону Пляму — вперше помітили в XVII ст. Коли отримали космічні знімки Юпітера з близької відстані, зрозуміли: це великий і дуже стійкий атмосферний вихор. Утворення такого типу виявлені й в атмосферах інших планет-гігантів.

Атмосфері Юпітера властиві бурхливі турбулентні процеси. Це зумовлено тим, що планета випромінює енергії вдвічі більше, ніж отримує від Сонця. Тобто в її надрах є джерело власної енергії.

Юпітер має тонке кільце, утворене пиловими частинками й льодом. На його існування ще до початку космічної ери вказував відомий український астроном, професор С. К. Всехсвятський. Але відкрили кільце тільки в 1979 р. після прольотів повз Юпітер міжпланетних зондів «Вояджер-1» і «Вояджер-2».

Сатурн — друга за розмірами й масою планета Сонячної системи. Він схожий на Юпітер, але смуги на його диску не такі яскраві й набагато «спокійніші», ніж на диску Юпітера. Ще донедавна характерною ознакою тільки Сатурна вважали великі яскраві кільця, що оперізують планету. Нині відомо, що кільця є у всіх планет-гігантів, але розмірами та яскравістю кільця Сатурна вражають найбільше (рис. 32.8).

Рис. 32.8. Сатурн (а) та його кільця з близької відстані (б)

Уран і Нептун теж дуже схожі між собою (рис. 32.9, а і б). У цій парі масивніший Нептун має трохи менші розміри, ніж Уран. Середня густина речовини Нептуна найбільша серед планет-гігантів. Хімічним складом Уран і Нептун дещо відмінні від Юпітера й Сатурна: вони вміщують більше важких хімічних елементів.

Рис. 32.9. Уран (а) та Нептун (б)

Уран і Нептун оточені тонкими темними кільцями з дуже дрібних пилинок, що погано відбивають світло. Космічний апарат «Вояджер-2» у 1989 р. виявив на диску Нептуна темні плями такої самої природи, що й Велика Червона Пляма на Юпітері.

Уран рухається навколо Сонця, наче лежачи на боці, — кут між площиною орбіти і віссю його обертання становить лише 8°. Так само, як і Венера, Уран обертається навколо осі у зворотному напрямку.

Станом на 2019 р. відомо майже дві сотні супутників планет-гігантів. Малі супутники — це кам'янисті брили неправильної форми, розмірами переважно від десятків до двох сотень кілометрів. А от природа великих супутників дуже строката.

Чотири найбільші супутники Юпітера (Іо, Європа, Ганімед і Калісто) називають ґалілеєвими, бо їх відкрив Ґ. Ґалілей, коли розпочав спостерігати зоряне небо в телескоп.

Ганімед — найбільший супутник у Сонячній системі (рис. 32.10). Менший розміром за Марс, але більший за Меркурій, він має темну поверхню, вкриту забрудненим льодом і в багатьох місцях поцятковану світлими плямами. Плями утворені речовиною, викинутою з глибин під час падіння метеоритів.

Рис. 32.10. Ганімед — супутник Юпітера

Іо — ще один унікальний за властивостями супутник Юпітера, на якому було виявлено активні вулкани. Ідею про вулканічні викиди на інших, окрім Землі, тілах Сонячної системи висловлював вже згадуваний професор С. К. Всехсвятський. Космічні світлини з борта автоматичних міжпланетних станцій, на яких зафіксовано вивержені струмені газів до трьохсот кілометрів заввишки, стали ще одним підтвердженням його наукової далекоглядності.

Найбільший супутник Сатурна — Титан — єдиний супутник у Сонячній системі, що має щільну атмосферу з вуглеводнів майже в 400 км завтовшки. Він поступається Ганімеду розміром, але також більший за Меркурій. 2005 р. зонд «Гюйгенс», відокремившись від безпілотного апарату «Кассіні», здійснив м'яку посадку на поверхню Титана. Зонд передав на Землю світлини поверхні та запис шуму вітру. З'ясувалося, що на Титані є річки й озера, наповнені рідким етаном і метаном, а також ідуть метанові дощі.

Супутник Урана Міранда цікавий тим, що має дуже нерівну поверхню. На небесному тілі з поперечником близько 480 км є гори до 20 км заввишки й западини до 16 км завглибшки.

Найбільший супутник Нептуна — Тритон. На його поверхні добре помітні численні кратери метеоритного походження. Темними «морями» і світлими «материками», великою кількістю кратерів Тритон нагадує Місяць.

! Головне в цьому параграфі

До планет земної групи, окрім Землі, належать Меркурій, Венера і Марс. Ці планети мають тверді поверхні. Планети-гіганти відмінні від планет земної групи істотно більшими розмірами й масами, малими періодами обертання, хімічним складом, будовою, а також системами супутників і кілець. У них немає твердих поверхонь. Природа великих супутників планет-гігантів дуже строката.

? Запитання для самоперевірки

• 1. Поясніть суть парникового ефекту.
• 2. Чому під час припливів Світовий океан витягується не тільки в бік Місяця, а й у протилежному напрямку?
• 3. Якого найменшого розміру деталі на поверхні Венери можна роздивитися із Землі в найпотужніший на сьогодні оптичний телескоп?
• 4. Підкинутий угору камінь на Марсі буде довше чи швидше опускатися на поверхню, ніж на Землі з такої самої висоти? А пилинка? Поясніть свою відповідь.
• 5. Про що свідчить той факт, що температури атмосфер планет-гігантів вищі, ніж мають бути з урахуванням енергії, яка надходить до них від Сонця?