Планеты-гиганты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Планеты-гиганты

Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун представляют юпитерову группу планет, или группу планет-гигантов, хотя их большие диаметры не единственная черта, отличающая эти планеты от планет земной группы. Планеты-гиганты имеют небольшую плотность, краткий период суточного вращения и, следовательно, значительное сжатие у полюсов; их видимые поверхности хорошо отражают, или, иначе говоря, рассеивают солнечные лучи.

Уже довольно давно установили, что атмосферы планет-гигантов состоят из метана, аммиака, водорода, гелия. Полосы поглощения метана и аммиака в спектрах больших планет видны в огромном количестве. Причем с переходом от Юпитера к Нептуну метановые полосы постепенно усиливаются, а полосы аммиака слабеют. Основная часть атмосфер планет-гигантов заполнена густыми облаками, над которыми простирается довольно прозрачный газовый слой, где «плавают» мелкие частицы, вероятно, кристаллики замерзших аммиака и метана.

Вполне естественно, что среди планет-гигантов лучше всего изучены две ближайшие к нам - Юпитер и Сатурн.

Поскольку Уран и Нептун сейчас не привлекают к себе особенного внимания ученых, остановимся более подробно на Юпитере и Сатурне. К тому же значительная часть вопросов, которые можно решить в связи с описанием Юпитера и Сатурна, относится также и к Нептуну.

Планеты-гиганты - четыре планеты Солнечной системы: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун; расположены за пределами кольца малых планет.

Эти планеты, имеющие ряд сходных физических характеристик, также называют внешними планетами. Они бладают значительно большими размерами и массами (вследствие чего давление в их недрах значительно выше), более низкой средней плотностью (близкой к средней Солнечной, 1,4 г/смі), мощными атмосферами, быстрым вращением, а также кольцами (в то время как у планет земной группы таковых нет) и бомльшим количеством спутников. Почти все эти характеристики убывают от Юпитера к Нептуну. Все эти планеты являются газовыми планетами

Газовая планета - планета, состоящая в значительном составе из водорода, гелия, аммиака, метана и других элементов. Планеты этого типа имеют небольшую плотность, краткий период суточного вращения и, следовательно, значительное сжатие у полюсов; их видимые поверхности хорошо отражают, или, иначе говоря, рассеивают солнечные лучи. В Солнечной системе это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самой большой известной планетой-гигантом является TrES-4b. Согласно гипотезе происхождения Солнечной системы, планеты-гиганты образовались раньше, чем планеты земной группы. Период вращения газовых гигантов вокруг своей оси составляет 9-17 часов.

В атмосферах газовых планет дуют мощные ветры со скоростями до тысяч километров в час. Имеются постоянные атмосферные образования, представляющие собой гигантские вихри. Например, Большое красное пятно (размером в несколько раз больше Земли) на Юпитере наблюдают уже более 300 лет. Имеется Большое тёмное пятно на Нептуне, более мелкие пятна на Сатурне.

Для всех газовых планет Солнечной системы отношение суммарной массы их спутников к массе планеты составляет около 0,01% (1 к 10 000). Для объяснения этого факта разработаны модели формирования спутников из газо-пылевых дисков с большим количеством газа (при этом действует механизм, ограничивающий рост спутников). Газовыми могут являться лишь крупные планеты, так как небольшие небесные тела не способны удержать такой лёгкий газ, как водород.

Юпитер

Юпитер - пятая планета от Солнца, крупнейшая в Солнечной системе. Ряд атмосферных явлений на Юпитере: штормы, молнии, полярные сияния, - имеют масштабы, на порядки превосходящие земные. Юпитер имеет, по крайней мере, 67 спутников, самые крупные из которых - Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Исследования Юпитера проводятся при помощи наземных и орбитальных телескопов. Юпитер - самый мощный (после Солнца) радиоисточник Солнечной системы в дециметровом-метровом диапазонах длин волн. Радиоизлучение имеет спорадический характер и в максимуме всплеска достигает 10⁶ Янских. Юпитер - самая большая планета Солнечной системы, газовый гигант. Его экваториальный радиус равен 71,4 тыс. км, что в 11,2 раза превышает радиус Земли.

Масса Юпитера в 2,47 раза превышает суммарную массу всех остальных планет Солнечной системы, вместе взятых, в 317,8 раз - массу Земли и примерно в 1000 раз меньше массы Солнца. Плотность (1326 кг/мі) примерно равна плотности Солнца и в 4,16 раз уступает плотности Земли (5515 кг/мі). При этом сила тяжести на его поверхности, за которую обычно принимают верхний слой облаков, более чем в 2,4 раза превосходит земную: тело, которое имеет массу, например, 100 кг, будет весить столько же, сколько весит тело массой 240 кг на поверхности Земли. Это соответствует ускорению свободного падения 24,79 м/сІ на Юпитере против 9,80 м/сІ для Земли. Температура в атмосфере растёт немонотонно. В ней, как и на Земле, можно выделить экзосферу, термосферу, стратосферу, тропопаузу, тропосферу.

Характерной особенностью внешнего облика Юпитера являются его полосы. Существует ряд версий, объясняющих их происхождение. Так, по одной из версий, полосы возникали в результате явления конвекции в атмосфере планеты-гиганта - за счёт подогрева, и, как следствие, поднятия одних слоёв, и охлаждения и опускания вниз других. На границах поясов и зон наблюдается сильная турбулентность, которая приводит к образованию многочисленных вихревых структур. Наиболее известным таким образованием является Большое красное пятно, наблюдающееся на поверхности Юпитера в течение последних 300 лет. Возникнув, вихрь поднимает на поверхность облаков нагретые массы газа с парамми малых компонентов. Образующиеся кристаллы аммиачного снега, растворов и соединений аммиака в виде снега и капель, обычного водяного снега и льда постепенно опускаются в атмосфере, пока не достигают уровней, на которых температура достаточна высока, и испаряются. После чего вещество в газообразном состоянии снова возвращается в облачный слой.

Внутренне строение

На данный момент наибольшее признание получила следующая модель внутреннего строения Юпитера:

I. Атмосфера. Её делят на три слоя:

1. внешний слой, состоящий из водорода;

2. средний слой, состоящий из водорода (90%) и гелия (10%);

3. нижний слой, состоящий из водорода, гелия и примесей аммиака, гидросульфида аммония и воды, образующих облака.

II. Слой металлического водорода. Температура этого слоя меняется от 6300 до 21 000 К, а давление от 200 до 4000 ГПа.

III. Каменное ядро.

Физические характеристики.

Полярное сжатие 0,06487

Экваториальный радиус 71 492 ± 4 км

Полярный радиус 66 854 ± 10 км

Средний радиус 69 911 ± 6 км

Площадь поверхности (S) 6,21796·1010 кмІ

Объём (V) 1,43128·1015 кмі

Масса (m) 1,8986·1027 кг

Средняя плотность (с) 1,326 г./смі

Ускорение свободного падения на экваторе (g) 24,79 м/сІ (2,535 g)

Вторая космическая скорость (v2) 59,5 км/с

Экваториальная скорость вращения 12,6 км/с или 45 300 км/ч

Период вращения (T) 9,925 часа

Наклон оси 3,13°

Атмосферное давление 20-220 кПа

Шкала высоты 27 км

Сатурн

Сатумрн - шестая планета от Солнца и вторая по размерам планета в Солнечной системе после Юпитера. В основном Сатурн состоит из водорода, с примесями гелия и следами воды, метана, аммиака и тяжёлых элементов. Внутренняя область представляет собой небольшое ядро из железа, никеля и льда, покрытое тонким слоем металлического водорода и газообразным внешним слоем. Внешняя атмосфера планеты кажется из космоса спокойной и однородной, хотя иногда на ней появляются долговременные образования. Скорость ветра на Сатурне может достигать местами 1800 км/ч. В атмосфере Сатурна иногда появляются устойчивые образования, представляющие собой сверхмощные ураганы. Гигантский «Большой белый овал» появляется на Сатурне примерно один раз в 30 лет, в последний раз он наблюдался в 1990 году. У Сатурна имеется планетарное магнитное поле, занимающее промежуточное положение по напряжённости между магнитным полем Земли и мощным полем Юпитера. Магнитное поле Сатурна простирается на 1 000 000 километров в направлении Солнца. Сатурн обладает заметной системой колец, состоящей главным образом из частичек льда, меньшего количества тяжёлых элементов и пыли. Вокруг планеты обращается 62 известных на данный момент спутника. Крупнейшие из них - Мимас, Энцелад, Тефия, Диона, Рея, Титан и Япет. Полярные сияния Сатурна не связаны с неравномерностью вращения плазменного слоя во внешних частях магнитосферы планеты. Предположительно, они возникают из-за магнитного пересоединения под действием солнечного ветра. Форма и вид полярных сияний Сатурна сильно меняются с течением времени. Их расположение и яркость сильно связаны с давлением солнечного ветра: чем оно больше, тем сияния ярче и ближе к полюсу.

Кольца у Сатурна самые заметные. Существует три основных кольца и четвёртое - более тонкое. Все вместе они отражают больше света, чем диск самого Сатурна. Кольца Сатурна очень тонкие. При диаметре около 250 000 км их толщина не достигает и километра, хотя существуют на поверхности колец и своеобразные горы. Несмотря на свой внушительный вид, количество вещества, составляющего кольца, крайне незначительно.

Внутреннее строение

В глубине атмосферы Сатурна растут давление и температура, а водород переходит в жидкое состояние, однако этот переход является постепенным. На глубине около 30 тыс. км водород становится металлическим (давление там достигает около 3 миллионов атмосфер). Циркуляция электрических токов в металлическом водороде создаёт магнитное поле (гораздо менее мощное, чем у Юпитера). В центре планеты находится массивное ядро из твердых и тяжёлых материалов - силикатов, металлов и, предположительно, льда. Его масса составляет приблизительно от 9 до 22 масс Земли. Температура ядра достигает 11 700°C, а энергия, которую оно излучает в космос, в 2,5 раза больше энергии, которую Сатурн получает от Солнца. Значительная часть этой энергии генерируется за счёт механизма Кельвина - Гельмгольца (когда температура планеты падает, то падает и давление в ней). В результате она сжимается, а потенциальная энергия её вещества переходит в тепло.

Физические характеристики.

Полярное сжатие 0,097 96 ± 0,000 18

Экваториальный радиус 60 268 ± 4 км

Полярный радиус 54 364 ± 10 км

Площадь поверхности (S) 4,272·1010 кмІ

Объём (V) 8,2713·1014 кмі

Масса (m) 5,6846·1026 кг

Средняя плотность (с) 0,687 г./смі

Ускорение свободного падения на экваторе (g) 10,44 м/сІ[4]

Вторая космическая скорость (v2) 35,5 км/с

Экваториальная скорость вращения 9,87 км/c

Период вращения (T) 10 ч 34 мин 13с ± 2с

Наклон оси 26,73°

Уран

Урамн - самая холодная планета Солнечной системы, седьмая по удалённости от Солнца, третья по диаметру и четвёртая по массе. Была открыта в 1781 году английским астрономом Уильямом Гершелем. Уран стал первой планетой, обнаруженной в Новое время и при помощи телескопа. В отличие от газовых гигантов - Сатурна и Юпитера, состоящих в основном из водорода и гелия, в недрах Урана и схожего с ним Нептуна отсутствует металлический водород, но зато много льда в его высокотемпературных модификациях. Основу атмосферы Урана составляют водород и гелий. Кроме того, в ней обнаружены следы метана и других углеводородов, а также облака изо льда, твёрдого аммиака и водорода. Это самая холодная Так же, как и у других газовых гигантов Солнечной системы, у Урана имеется система колец и магнитосфера, а кроме того, 27 спутников. Можно выделить пять основных самых крупных спутников: это Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон. Ориентация Урана в пространстве отличается от остальных планет Солнечной системы - его ось вращения лежит как бы «на боку» относительно плоскости обращения этой планеты вокруг Солнца. Планетарная атмосфера Солнечной системы с минимальной температурой в 49 К (?224°C). Средняя удалённость планеты от Солнца составляет 19,1914 а. е. (2,8 млрд км). Период полного обращения Урана вокруг Солнца составляет 84 земных года. Расстояние между Ураном и Землёй меняется от 2,7 до 2,85 млрд км.

Хотя Уран и не имеет твёрдой поверхности в привычном понимании этого слова, наиболее удалённую часть газообразной оболочки принято называть его атмосферой. Атмосферу условно можно разделить на 3 части: тропосфера (-300 км - 50 км; давление составляет 100 - 0,1 бар), стратосфера (50 - 4000 км; давление составляет 0,1 - 10^?10 бар) и термосфера / атмосферная корона (4000 - 50000 км от поверхности)^[10]. Мезосфера у Урана отсутствует.

У Урана есть слабо выраженная система колец, состоящая из очень тёмных частиц диаметром от микрометров до долей метра. Это - вторая кольцевая система, обнаруженная в Солнечной системе (первой была система колец Сатурна). На данный момент у Урана известно 13 колец, самым ярким из которых является кольцо е (эпсилон). Кольца Урана, вероятно, весьма молоды - на это указывают промежутки между ними, а также различия в их прозрачности. Это говорит о том, что кольца не были сформированы вместе с планетой. Возможно, ранее кольца были одним из спутников Урана, который разрушился либо при столкновении с неким небесным телом, либо под действием приливных сил.

Внутренняя структура.

Стандартная модель Урана предполагает, что Уран состоит из трёх частей: в центре - каменное ядро, в середине - ледяная оболочка, снаружи - водородно-гелиевая атмосфера^[. Ядро является относительно маленьким, с массой приблизительно от 0,55 до 3,7 земных масс и с радиусом в 20% от радиуса всей планеты. Мантия (льды) составляет бомльшую часть планеты (60% от общего радиуса, до 13,5 земных масс). Атмосфера при массе, составляющей всего 0,5 земных масс (или, по другим оценкам, 1,5 земной массы), простирается на 20% радиуса Урана. В центре Урана плотность должна повышаться до 9 г/смі, давление должно достигать 8 млн бар (800 ГПа) при температуре в 5000 К. 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. Эту жидкость, обладающую высокой электропроводностью, иногда называют «океаном водного аммиака»

Физические характеристики

Полярное сжатие 0,02293

Экваториальный радиус 25 559 км

Полярный радиус 24 973 км

Площадь поверхности (S) 8,1156·109 кмІ

Объём (V) 6,833·1013 кмі

Масса (m) 8,6832·1025 кг

Средняя плотность (с) 1,27 г./смі

Ускорение свободного падения на экваторе (g) 8,87 м/сІ (0,886 g)

Вторая космическая скорость (v2) 21,3 км/c

Экваториальная скорость вращения 2,59 км/с

Период вращения (T) 0,71833 дней 17 ч 14 мин 24 с

Наклон оси 97,77°

Нептун

Нептумн - восьмая и самая дальняя планета Солнечной системы. Нептун также является четвёртой по диаметру и третьей по массе планетой. Масса Нептуна в 17,2 раза, а диаметр экватора в 3,9 раза больше таковых у Земли. Обнаруженный 23 сентября 1846 года, Нептун стал первой планетой, открытой благодаря математическим расчётам, а не путём регулярных наблюдений.

У Нептуна на данный момент известно 14 спутников. Масса крупнейшего составляет более, чем 99,5% от суммарной массы всех спутников Нептуна, и лишь он массивен настолько, чтобы стать сфероидальным. Это Тритон. В отличие от всех остальных крупных спутников планет в Солнечной системе, Тритон обладает ретроградной орбитой. Возможно, он был захвачен гравитацией Нептуна, а не сформировался на месте, и, возможно, когда-то был карликовой планетой в поясе Койпера. Второй (по времени открытия) известный спутник Нептуна - Нереида, спутник неправильной формы с одним из самых высоких эксцентриситетов орбиты среди прочих спутников Солнечной системы. Четыре самые внутренние спутника Нептуна - Наяда, Таласса, Деспина и Галатея. Следующая за ними, Ларисса, была первоначально открыта в 1981 году при покрытии звезды.

Атмосфера Нептуна, подобно атмосфере Юпитера и Сатурна, состоит в основном из водорода и гелия, наряду со следами углеводородов и, возможно, азота, однако содержит в себе более высокую пропорцию льдов: водного, аммиачного, метанового. Ядро Нептуна, как и Урана, состоит главным образом из льдов и горных пород. Следы метана во внешних слоях атмосферы, в частности, являются причиной синего цвета планеты.

В атмосфере Нептуна бушуют самые сильные ветры среди планет Солнечной системы, по некоторым оценкам, их скорости могут достигать 2100 км/ч. В южном полушарии Нептуна было обнаружено так называемое Большое тёмное пятно, аналогичное Большому красному пятну на Юпитере. Температура Нептуна в верхних слоях атмосферы близка к ?220°C. В центре Нептуна температура составляет по различным оценкам от 5400 K до 7000-7100°C, что сопоставимо с температурой на поверхности Солнца и сравнимо с внутренней температурой большинства известных планет. У Нептуна есть слабая и фрагментированная кольцевая система (гораздо менее существенная, чем, к примеру, у Сатурна. Кольца могут состоять из ледяных частиц, покрытых силикатами, или основанным на углероде материалом, - наиболее вероятно, это он придаёт им красноватый оттенок). Среднее расстояние между Нептуном и Солнцем - 4,55 млрд км (около 30,1 средних расстояний между Солнцем и Землёй, или30,1 а. е.), и полный оборот вокруг Солнца у него занимает 164,79 года. Расстояние между Нептуном и Землёй составляет от 4,3 до4,6 млрд км.

Орбитальные резонансы.

Нептун оказывает большое влияние на весьма отдалённый от него пояс Койпера. Пояс Койпера - кольцо из ледяных малых планет, подобное поясу астероидов между Марсом и Юпитером, но намного протяжённее. Он располагается в пределах от орбиты Нептуна (30 а. е.) до 55 астрономических единиц от Солнца^[56]. Гравитационная сила притяжения Нептуна оказывает наиболее существенное влияние на пояс Койпера (в том числе в плане формирования его структуры), сравнимое по доле с влиянием силы притяжения Юпитера на пояс астероидов. За время существования Солнечной системы некоторые области пояса Койпера были дестабилизированы гравитацией Нептуна, и в структуре пояса образовались промежутки.

Внутреннее строение

Внутреннее строение Нептуна напоминает внутреннее строение Урана. Атмосфера составляет примерно 10-20% от общей массы планеты, и расстояние от поверхности до конца атмосферы составляет 10-20% расстояния от поверхности до ядра. Вблизи ядра давление может достигать 10 ГПа. Объёмные концентрацииметана, аммиака и воды найдены в нижних слоях атмосферы. Постепенно эта более тёмная и более горячая область уплотняется в перегретую жидкую мантию, где температуры достигают 2000-5000 К. Масса мантии Нептуна превышает земную в 10-15 раз, по разным оценкам, и богата водой, аммиаком, метаном и прочими соединениями. Ядро Нептуна состоит из железа, никеля и силикатов и, как полагают, имеет массу в 1,2 раза больше, чем у Земли. Давление в центре достигает 7 мегабар, то есть примерно в 7 млн раз больше, чем на поверхности Земли. Температура в центре, возможно, достигает 5400 К.

Физические характеристики.

Полярное сжатие 0,0171 ± 0,0013

Экваториальный радиус 24 764 ± 15 км

Полярный радиус 24 341 ± 30 км

Площадь поверхности (S) 7,6408·109 кмІ

Объём (V) 6,254·1013 кмі

Масса (m) 1,0243·1026 кг

Средняя плотность (с) 1,638 г./смі

Ускорение свободного падения на экваторе (g) 11,15 м/сІ (1,14 g)

Вторая космическая скорость (v2) 23,5 км/c

Экваториальная скорость вращения 2,68 км/с

Период вращения (T) 0,6653 дня 15 ч 57 мин 59 с

Наклон оси 28,32°

Заключение

планета юпитер гигант нептун

Планеты-гиганты активно изучаются и в наше время. Но до сих пор многие явления, происходящие на планетах-гигантах, остаются неизведанными и привлекают внимание ученых всего мира. И следует полагать, что мы когда-нибудь все-таки будем иметь полное представление об этих красивых, необычных планетах.

Например. Учёные еще не пришли к единому мнению о происхождении нерегулярных спутников. (Считается, что регулярные внутренние спутники сформировались из околопланетного газопылевого диска в результате слипания многих мелких частиц.) Ясно только, что важную роль в формировании внешних спутников играл захват Юпитером астероидов. Компьютерные расчеты показывают, что, возможно, группа Пасифе возникла в результате систематического захвата планетой мелких частиц и астероидов на обратные орбиты во внешней области около юпитерианского диска.

Список литературы

1. Жарков В.Н. «Внутреннее строение Земли и планет», М.: Наука, 1974 год.

2. Ф.Я. Цикл «Семья Солнца: планеты и спутники Солнечной системы», М., Мир, 1984 г.

3. «, Е.П. Куликовский, «Справочник любителя и астронома М., Наука, 1977 г.

4. С.Н. Коновалов, «Планеты открытые заново», М., Наука, 1981 г.

5. Ф. Умпл «Семья Солнца» М., 1984 г.

6. М.Я. Маров «Планеты Солнечной системы» 2-е изд. М., 1986.

Размещено на Allbest.ru