Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Засєкіна

§ 48. Планети та їх супутники

Меркурій — найближча до Сонця планета. Меркурій (мал. 197) є ще й найменшою та найшвидшою планетою в Сонячній Системі. Меркурій рухається орбітою навколо Сонця із середньою швидкістю 47,36 км/с, що в 1,6 разу більше за швидкість Землі. Така швидкість і той факт, що Меркурій розміщений ближче до Сонця, ніж Земля, приводять до того, що один рік на Меркурії (час його повного оберту навколо Сонця) становить усього 87,97 земних днів.

Мал. 197. Меркурій

Про супутника нашої планети читайте в електронному додатку.

Наявність магнітного поля дає змогу припустити, що Меркурій має досить велике металеве ядро, розміри якого можуть досягати 2/3 — діаметра планети. Вважається, що в ядрі зосереджено до 80 % усієї маси Меркурія, і цим визначається його найбільша середня густина серед усіх планет Сонячної системи.

Поверхня планети вся поцяткована кратерами, утворення яких можна пояснити метеоритним бомбардуванням Меркурія, що відбувалося на перших етапах еволюції планети мільярди років тому.

Венера. Венера (мал. 198) належить до планет, відомих людству з найдавніших часів. Оскільки Венеру можна спостерігати ввечері після заходу сонця чи вранці перед світанком, її ще називають «зоря вечірня» або «вранішня зоря». Венера — друга в Сонячній системі й найближча до Землі планета. Це третій за яскравістю об’єкт на небі; її блиск поступається лише блиску Сонця та Місяця. Венера обертається навколо своєї осі у зворотному напрямку до обертання навколо Сонця, на відміну від Землі та інших планет.

Мал. 198. Венера

Дослідження цієї планети надзвичайно ускладнено через її дуже густу й могутню атмосферу, що складається на 96 % з молекул вуглекислого газу СО2. Атмосферний тиск біля поверхні Венери становить близько 9 МПа, а густина у 35 разів перевищує густину земної атмосфери. Кількість вуглекислого газу в атмосфері Венери в 400 тис. разів більша, ніж у земній атмосфері. Наявність в атмосфері Венери великої кількості вуглекислого газу спричиняє явище парникового ефекту, яке проявляється значно сильніше, ніж на Землі.

Марс. Марс (мал. 199) за розташуванням — четверта від Сонця планета Сонячної системи й сьома за розміром і масою. Іноді Марс називають «червоною планетою» через червонуватий колір поверхні, спричинений наявністю оксиду заліза. На зоряному небі вона виглядає як цятка червоного кольору, що час від часу значно перевершує за блиском деякі зорі.

Мал. 199. Марс

За тривалістю доби (24,6 год) і зміною пір року (вісь обертання нахилена під кутом 65° до площини орбіти) Марс нагадує нашу планету.

У центрі Марса міститься ядро, діаметром близько 2968 км, яке складається здебільшого із заліза з вмістом сірки та перебуває в рідкому стані. Ядро оточене мантією із силікатів.

Марс має розріджену атмосферу. Це дає змогу вивчати його поверхню безпосередньо із Землі. Дві третини поверхні Марса займають світлі ділянки, які отримали назву материків, близько третини — темні ділянки, названі морями. Вони зберігають свою форму в часі, що дало змогу скласти точні карти поверхні.

Наразі немає наукових доказів існування життя на Марсі. Хоча припускають, що воно там може бути.

Марс має два невеликі супутники — Фобос (27 км) і Деймос (15 км). Супутники обертаються у площині екватора планети по кругових орбітах радіусом 6 і 20 тис. км відповідно. За допомогою космічних апаратів установлено, що супутники мають неправильну форму й у своєму орбітальному положенні залишаються поверненими до планети завжди одним і тим самим боком.

Юпітер. Юпітер (мал. 200) — п’ята й найбільша планета Сонячної системи (більш ніж удвічі масивніша за всі інші планети разом узяті). Юпітер швидше за всі інші планети обертається навколо своєї осі.

Мал. 200. Юпітер

За своїми характеристиками Юпітер займає проміжне положення між планетними й зоряними утвореннями, і його остаточне формування ще й досі не завершилося. Надра планети дають свій власний потік енергії, у середньому вдвічі більший, ніж Юпітер отримує від Сонця. На глибині 20 000 км водень переходить у металічний стан, і його фізичні властивості нагадують розплавлений метал, який добре проводить електричний струм. Такого агрегатного стану водню (густина 4 г/см3 за тиску 106 атм) на Землі не існує. Завдяки електричному струмові, що генерується в цій металевій оболонці, виникає потужне магнітне поле, напруженість якого у 50 разів більша, ніж у земного. Це поле формує навколо планети протяжну магнітосферу з кількома радіаційними поясами.

Навіть у невеликий телескоп на Юпітері добре помітні світлі та темні смуги, що простягаються паралельно екватору. Існує ряд гіпотез, які пояснюють їхнє походження. Так, за однією з версій, смуги виникали в результаті явища конвекції в атмосфері планети-гіганта — за рахунок підігрівання з надр і, як наслідок, підняття одних шарів й охолодження та опускання донизу інших. Конвекційні потоки, що виносять внутрішнє тепло до поверхні, зовні проявляються у вигляді світлих зон і темних поясів. Верхній шар світлих хмар складається з кристалів аміаку, має температуру -107 °С і тиск (порядку 1 атм), що відповідає висхідним потокам. Розташовані нижче темні хмари поясів складаються, ймовірно, із червоно-коричневих кристалів гідросульфіду амонію та мають вищу температуру. Ці структури є областями низхідних потоків. Зони та пояси мають різну швидкість руху в напрямку обертання Юпітера. На границях поясів і зон спостерігається сильна турбулентність, яка спричинює утворення численних вихрових структур. Найвідомішою є Велика червона пляма, що спостерігається на поверхні Юпітера останні 300 років.

Є гіпотези щодо можливості існування життя у хмарах Юпітера, адже його атмосфера має всі компоненти, які були необхідні для появи життя на Землі. Деякі шари хмар є теплими й відносно комфортними для існування навіть земних мікроорганізмів.

У Юпітера до 2011 р. зареєстровано 63 супутники й тьмяні кільця. Чотири найбільші супутники: Іо, Європа, Ганімед, Каллісто (мал. 201) відкрив ще Галілей за допомогою свого першого телескопа, тому їх називають Галілеєві супутники. Іо має найбільшу геологічну активність із усіх тіл Сонячної системи. На Іо зареєстровано 8 постійно діючих вулканів, з жерл яких викидаються розжарені гази та магма.

Мал. 201. Супутники Юпітера

Три інші Галілеєві супутники — Європа, Ганімед і Каллісто — дуже схожі між собою: на їхній поверхні видно багато снігу та льоду. Ганімед є найбільшим супутником у Сонячній системі, який за розмірами навіть перевершує Меркурій.

Сатурн. Сатурн (мал. 202) — друга за величиною й шоста від Сонця планета Сонячної системи. Ця планета-гігант дуже схожа на Юпітер. Це єдина планета Сонячної системи, чия середня густина менша від густини води. Візитівкою Сатурна є відомі кільця, які видно в телескоп. Вони оперізують планету навколо екватора і складаються з безлічі крижаних часток розмірами від міліметра до декількох метрів.

Мал. 202. Сатурн

Атмосфері Сатурна властиві такі самі ділянки смуг, як і атмосфері Юпітера, однак на Сатурні ці смуги виражені менш яскраво і є значно ширшими поблизу екватора. Жовтуватого кольору верхнім шарам атмосфери Сатурна надають снігові хмари з аміаку. На глибині 300 км від верхніх шарів розташовуються хмари, у яких при підвищенні температури сніг перетворюється на дощ.

Сатурн теж випромінює в космос більше енергії, ніж отримує від Сонця. Як і Юпітер, має магнітне поле, радіаційні пояси та є джерелом радіовипромінювання.

Сатурн має помітну систему кілець, що складаються здебільшого з частинок криги, меншої кількості важких елементів і пилу. Навколо планети обертається 62 відомі на 2013 р. супутники. Титан — найбільший серед них, це другий за розмірами супутник у Сонячній системі, який перевершує за своїми розмірами Меркурій і має єдину серед супутників Сонячної системи густу атмосферу.

Уран. На відміну від інших газових гігантів — Сатурна та Юпітера, що складаються переважно з водню і гелію, у надрах Урана та схожого з ним Нептуна відсутній металевий водень. Проте в них є багато високотемпературних модифікацій льоду — тому фахівці виділили ці дві планети в окрему категорію «крижаних гігантів».

Уран рухається навколо Сонця майже коловою орбітою, середня відстань від Сонця — у 19 разів більша, ніж у Землі. Вісь планети лежить майже в площині орбіти, до того ж Уран, як і Венера, обертається у зворотному напрямку (зі сходу на захід). Вважають, що таке аномальне для Сонячної системи обертання спричинене зіткненням цих планет з великими космічними тілами на ранніх стадіях еволюції.

Так само як інші планети-гіганти, Уран (мал. 203) має кільця. За допомогою телескопів відкрито тільки 5 великих супутників: Аріель, Умбріель, Титанію, Оберон і Міранду, а всі інші вперше сфотографовано в 1986 р. за допомогою космічних апаратів.

Мал. 203. Уран

Нептун. Нептун — четверта за розміром і третя за масою планета (мал. 204). Її орбіта перетинається з орбітою Плутона та з орбітою комети Галлея.

Мал. 204. Нептун

За фізичними властивостями Нептун дуже схожий на Уран. Він теж належить до «крижаних планет». Планета має внутрішнє джерело енергії, бо випромінює в космос тепла майже втричі більше, ніж одержує його від Сонця.

Атмосфера Нептуна, подібно до атмосфери Юпітера й Сатурна, складається в основному з водню та гелію. Сліди метану в зовнішніх шарах атмосфери є причиною синього забарвлення планети.

У Нептуна виявлено 14 супутників та тонкі тьмяні кільця. За допомогою наземних телескопів було відкрито 2 супутники — Тритон і Нереїду, а інші сфотографували за допомогою космічних апаратів.

Тритон — єдиний великий супутник серед тіл Сонячної системи, який рухається навколо планети у зворотному напрямку в порівнянні з обертанням Нептуна навколо осі. Це свідчить, що Тритон, можливо, був колись захоплений гравітаційним полем Нептуна, і він по спіралі наближається до планети. Коли відстань між Нептуном і Тритоном зменшиться до 65 000 км (межа Роша), припливні сили зруйнують супутник, і навколо Нептуна утвориться величезне кільце, подібне до кілець Сатурна.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Чому Меркурій не може утримувати сталу атмосферу? 2. Які планети обертаються навколо осі у протилежному в порівнянні з Землею напрямку?3. На яких планетах відбувається зміна пір року? 4. Венера розміщується далі від Сонця, ніж Меркурій, але чому температура на її поверхні вища, ніж на Меркурії? 5. Які особливості в планет-гігантів? 6. Чим пояснюється виділення додаткової енергії з надр планет-гігантів? 7. Чому Юпітер можна вважати дуже схожим на зорю?