Для школьников (по материалам учебной и научной литературы).
В предыдущей статье говорилось о том, что ДВИЖЕНИЕ ПЛАНЕТ Солнечной системы и других космических объектов, если на них не действует внешний вращательный момент (М=0), происходит в соответствии с ЗАКОНОМ СОХРАНЕНИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА:
Если в качестве космического объекта представить газо-пылевое облако, то при сжатии облака его момент инерции I уменьшается, а скорость вращения увеличивается.
Момент импульса объекта можно обозначать одним вектором L:
Выполнение названного закона для космического объекта означает, что при движении объекта (планеты, облака и др.) НАПРАВЛЕНИЕ вектора L в пространстве со временем НЕ МЕНЯЕТСЯ.
НЕ МЕНЯЕТСЯ со временем и МОДУЛЬ момента импульса L космического объекта.
Невозможно не вспомнить труды Кеплера, который вплотную подошёл к закону сохранения момента импульса.
Сформулирован этот закон был гораздо позднее, в 18 веке, когда посчитали, если существует закон сохранения импульса для поступательного движения, то должен существовать аналогичный закон для вращательного движения.
По существу ПЕРВЫЙ закон Кеплера говорит о том, что ВЕКТОР момента импульса L при движении планеты вокруг Солнца НЕ МЕНЯЕТ своего НАПРАВЛЕНИЯ - всегда направлен перпендикулярно плоскости орбиты.
По существу ВТОРОЙ закон Кеплера говорит о том, что МОМЕНТ ИМПУЛЬСА планеты при её движении вокруг Солнца остаётся ПОСТОЯННЫМ ПО МОДУЛЮ.
Законы Кеплера
ПЕРВЫЙ ЗАКОН КЕПЛЕРА: все планеты двигаются по эллипсам, в одном из фокусов которого находится центр Солнца.
ВТОРОЙ ЗАКОН КЕПЛЕРА: радиус- вектор планеты за равные промежутки времени описывает равные площади.
Когда планета находится в перигелии (ближе всего к Солнцу) её скорость максимальна, а когда планета находится в афелии (на большем расстоянии от Солнца), то скорость её движения принимает минимальное значение.
Произведение же импульса mv планеты на расстояние r планеты от Солнца в перигелии и афелии остаётся ПОСТОЯННЫМ (момент импульса планеты сохраняется) :
mv * r =const
Получается, что первый и второй законы Кеплера выражают закон сохранения момента импульса для планеты, вращающейся вокруг Солнца.
ТРЕТИЙ ЗАКОН КЕПЛЕРА: квадраты времён обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбит
Здесь сравниваются между собой орбиты планет. Чем ДАЛЬШЕ планета находится от Солнца, тем больше период её обращения (ДОЛЬШЕ длится её год).
Заслуги Кеплера перез наукой велики. Он смог определить, что орбиты планет, вращающихся вокруг Солнца, имеют вид эллипсов, а не окружностей, как до него считали все АСТРОНОМЫ.
Законы Кеплера послужили основой для формулировки Ньютоном основных законов механики и закона всемирного тяготения.
Ньютон же показал, что законы Кеплера являются УНИВЕРСАЛЬНЫМИ, что они применимы не только к планетам Солнечной системы, они применимы к любым планетным системам Вселенной.
Законы Кеплера продолжают работать и сейчас. Астрономы используют их ДЛЯ РАСЧЁТА ОРБИТ ДАЛЁКИХ ПЛАНЕТ, для РЕГИСТРАЦИИ СЛАБЫХ СИГНАЛОВ, испускаемых АТОМАМИ ВОДОРОДА, находящимися на ПЕРИФЕРИИ галактики. Через эти сигналы, используя эффект Доплера, находят УГЛОВУЮ СКОРОСТЬ вращения галактики.
В данной статье предстоит рассмотреть вопрос ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАНЕТ Солнечной системы, непосредственно связанный с ВОЗНИКНОВЕНИЕМ ВСЕЛЕННОЙ и РОЖДЕНИЕМ СОЛНЦА, рассмотренными в статье "Как рождаются, живут и умирают звёзды ".
Вспомним основное из указанной статьи (последовательность событий), затем перейдём к вопросу формирования ПЛАНЕТ Солнечной системы.
О возникновении Вселенной, составе межзвёздной среды (облака), рождении из облака Солнца
Ещё примерно сто лет назад все считали Вселенную СТАЦИОНАРНОЙ (не меняющейся со временем). Но благодаря современным телескопам установлено, что Вселенная РАСШИРЯЕТСЯ, причём ускоренно, на что указывает явление красного смещения в эффекте Доплера.
Отсюда следует, что когда-то Вселенная имела ОЧЕНЬ МАЛЫЙ РАЗМЕР, имела вид СГУСТКА материи (энергии).
К тому же в 1965 году американскими учёными, создававшими систему радиосвязи с искуссвенными спутниками на длине волны 3,7 см, было обнаружено РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ, избавиться от которого было невозможно. Оно приходило на Землю СО ВСЕХ СТОРОН космоса.
Интенсивность этого излучения была на несколько порядков больше, чем интенсивность излучения звёзд и галактик, причём она не изменялась со временем (не уменьшалась и не увеличивалась).
Учёные пришли к ВЫВОДУ, что обнаруженное излучение имеет ВНЕГАЛАКТИЧЕСКОЕ происхождение; что оно существует самостоятельно и принадлежит всей Вселенной; что оно осталось от далёких эпох нашей Вселенной, когда не было ещё ни звёзд, ни галактик.
Это излучение назвали реликтовым.
Обнаружения расширения Вселенной и реликтового излучения привели учёных к СОЗДАНИЮ ТЕОРИИ возникновения Вселенной под названием "Большой взрыв".
По этой теории, Вселенная возникла 13,8 млрд лет назад из очень малого по размеру, но чрезвычайно плотного и очень горячего Сгустка материи (энергии).
По какой-то причине произошло стремительное РАСШИРЕНИЕ этого Сгустка - возникло стремительно расширяющееся пространство (расширяющаяся Вселенная). Вместе с пространством появилось время.
Появились частицы вещества - протоны, нейтроны, электроны, фотоны.
В представлении учёных расширяться пространство стало не из одной точки возникшего пространства, а сразу из всех точек и сразу по всем направлениях.
Причём, при расширении пространства перемещались мгновенно именно точки пространства, а не частицы вещества (скорость частиц не превышала скорости света).
Место нахождения Сгустка, из которого возникла Вселенная, называется гравитационной СИНГУЛЯРНОСТЬЮ.
Сингулярность - это точка или область, в которой не выполняются привычные законы. Например, при решении уравнений приходят к делению на нуль.
Есть ещё такое определение: СИНГУЛЯРНОСТЬ - это точка или граница, куда НЕ МОЖЕТ ПРОНИКНУТЬ ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ РАЗУМ.
Откуда взялся этот Сгусток и по какой причине он стал стремительно расширяться? На этот вопрос у учёных ответа нет.
Явление стремительного расширения Сгустка материи неудачно было названо "Большим взрывом". В действительности взрыва не было.
Взрыв всегда сопровождается хаосом, разрушением, а здесь, наоборот, произошло создание Вселенной, рождение звёзд и формирование планет.
Причём все процессы в дальнейшем происходили, и сейчас происходят, с выполнением законов физики (закона сохранения момента импульса, закона всемирного тяготения и др.). Термин "Большой взрыв" оставили без изменения.
Предполагается, что в первые минуты после "Большого взрыва" температура была настолько высокой, что частицы вещества летали со скоростями, не дающими им возможности объединяться.
С продолжающимся расширением пространства, температура понижалась. При некотором её значении нейтроны n стали соединялись с протонами p, образуя ЯДРА тяжёлого водорода (дейтерия D).
Два ядра дейтерий D, соединяясь, давали ЯДРО атома гелия Не. Электроны же продолжали двигаться свободно.
Примерно через 380 тысяч лет после "Большого взрыва", когда температура снизилась до 3000 К, электроны стали соединяться с ядрами, образуя нейтральные АТОМЫ водорода Н и гелия Не.
Вселенная стала прозрачной, так как фотоны теперь не взаимодействовали с электронами, фотоны стали двигаться свободно.
Но из-за высокой температуры атомы в молекулы ещё не могли объединиться, а если некоторые объединялись, то тут же распадались.
Первые МОЛЕКУЛЫ во Вселенной образовались примерно через 100-500 млн лет после "Большого взрыва", когда температура уменьшилась до 10 -100 К.
В космосе появились холодные более плотные МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ГАЗОВЫЕ облака, состоящие из водорода (75%) и гелия (25%), из которых формировались ПЕРВЫЕ после "Большого взрыва" звёзды (ЗВЁЗДЫ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ).
Более поздние звёзды, звёзды ВТОРОГО поколения (к которым относится и Солнце), формировались уже из ГАЗО-ПЫЛЕВЫХ облаков.
В этих облаках, наряду с ГАЗАМИ, присутствовали ПЫЛЕВЫЕ ЧАСТИЦЫ, которые содержали в себе ТЯЖЁЛЫЕ химические элементы таблицы Менделеева (ВПЛОТЬ ДО ЖЕЛЕЗА), образовавшиеся в результате термоядерных реакций в ПЕРВЫХ массивных звёздах.
Пылевые частицы содержали в себе и химические элементы тяжелее железа. Считалось, что элементы ТЯЖЕЛЕЕ ЖЕЛЕЗА ПОЯВЛЯЛИСЬ при взрывах сверхновых звёзд, сопровождающихся очень высокой температурой, когда получается мощный поток нейтронов; что ядра элементов, захватывая эти нейтроны, превращались в более тяжёлые химические элементы.
В 2012 году астрофизики Общества Макса Планка предложили другую ВЕРСИЮ возникновения в космосе химических элементов тяжелее железа. Их версия заключается в том, что золото, платина, торий, плутоний и другие тяжёлые атомы рождаются при слиянии нейтронных звёзд.
Проведенное ими компьютерное моделирование показало, что при слиянии нейтронных звёзд, возникают мощные силы, которые выбрасывают в космос порцию очень горячей материи массой в несколько Юпитеров.
Когда этот сгусток плазмы остывает, в нём начинают идти многочисленные ядерные реакции, создающие сверхтяжёлые атомы, а за счёт распада последних- просто тяжёлые атомы (вроде золота).
В любом случае, как бы это не происходило, образовавшиеся ТЯЖЁЛЫЕ химические элементы уходили в окружающую среду и наряду с газами (водородом, гелием и др.) становились материалом для формирования новых звёзд и планет.
СОСТАВ МЕЖЗВЁЗДНОЙ СРЕДЫ, ПРИСУТСТВИЕ в ней ТЯЖЁЛЫХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ было ОПРЕДЕЛЕНО в первой половине 20 века методом спектрального анализа.
К концу 1930-х годов стало известно, что самым распространённым элементом в космосе является ВОДОРОД.
В 1951 году в межзвёздной среде был обнаружен МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ВОДОРОД. В том же году радиоастрономы зафиксировали излучение НЕЙТРАЛЬНОГО ВОДОРОДА на волне 21 сантиметр и сообщили о СУЩЕСТВОВАНИИ ВОДОРОДНЫХ ОБЛАКОВ.
(Пояснение. Нейтральный водород - это атом водорода Н, состоящий из одного протона и одного электрона. Молекулярный водород- это двухатомная молекула водорода H₂).
Позднее выяснилось, что МЕЖЗВЁЗДНАЯ СРЕДА содержит МОЛЕКУЛЫ не только водорода, но и довольно сложные молекулы метанола, метана, аммиака и других веществ. Это означало, что в межзвёздной среде есть УГЛЕРОД, КИСЛОРОД, ВОДОРОД, АЗОТ, СЕРА и другие элементы.
СЕЙЧАС является общепризнанным, что МЕЖЗВЁЗДНАЯ материя присутствует во Вселенной в виде холодных плотных газо-пылевых облаков, которые содержат материю в виде атомных и молекулярных газов, а также в виде космической пыли и космических лучей.
(Космические лучи - это поток заряженных частиц высоких энергий. В большинстве это протоны (ядра атомов водорода) и альфа-частицы (ядра атомов гелия).
ОСНОВНЫМ КОМПОНЕНТОМ МЕЖЗВЁЗДНОЙ СРЕДЫ является МЕЖЗВЁЗДНЫЙ ГАЗ. Материя в межзвёздной среде ПРЕИМУЩЕСТВЕННО находится в МОЛЕКУЛЯРНОЙ форме. Наиболее распространённой молекулой в таких облаках является молекула водорода (H₂).
Межзвёздному газу сопутствует МЕЖЗВЁЗДНАЯ ПЫЛЬ, на долю которой приходится около 1 % от массы газа.
МЕЖЗВЁЗДНАЯ ПЫЛЬ представляет собой микроскопические ТВЁРДЫЕ ЧАСТИЦЫ размером от 0,01 до 0,2 мкм. Частицы пыли имеют ТУГОПЛАВКОЕ ЯДРО, которое может состоять из силикатов, графита, карбида кремния.
Основными элементами ЯДРА ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ являются: углерод, кислород, магний, кремний, железо. Магний, кремний и железо почти полностью находятся в твёрдой фазе.
СОЛНЦЕ РОДИЛОСЬ (сформировалось) из межзвёздной материи, из МЕЖЗВЁЗДНОГО ГАЗО-ПЫЛЕВОГО ОБЛАКА, уже содержащего в себе и ГАЗЫ, и МЕЖЗВЁЗДНУЮ ПЫЛЬ.
Как в газо-пылевом облаке зародилось и сформировалось Солнце? При каких условиях это могло произойти?
Невозможно, чтобы в разных местах огромного облака была одинаковая плотность вещества. В каком-то месте облака плотность вещества оказалась выше, чем во всём облаке.
В этом месте, назовём его "сгустком", и зародилось будущее Солнце. Наступило это событие, когда облако под внешним воздействием (например, под действием ударной волны, дошедшей до облака после взрыва сверхновой звезды), перешло из состояния ГРАВИТАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ в состояние ГРАВИТАЦИОННОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ (или когда облако перешло из равновесного состояния в неравновесное).
(ПОЯСНЕНИЕ. Облако находится в состоянии гравитационной устойчивости или в равновесном состоянии, когда собственные силы гравитационного притяжения частей облака уравновешиваются силами давления газа в облаке).
Ударная волна, заставившая облако резко сжаться, привела его в состояние гравитационной неустойчивости. После этого облако всё время продолжало сжиматься. Сгусток же вещества увеличивал свою массу и плотность за счёт притяжения к себе частиц вещества облака из соседних участков. При этом росла и температура сгустка.
При достижении достаточной высокой температуры, в сгустке (протозвезде) началась термоядерная реакция и протозвезда превратилась в звезду (Солнце). Это очень упрощённое объяснение.
Настоящий процесс превращения протозвезды в Солнце (процесс формирования Солнца) ПОДРОБНО описан в статье "Как рождаются, живут и умирают звёзды ".
Формирование планет Солнечной системы
В настоящее время учёными рассматриваются ДВА ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТА образования планет звёздных систем (в том числе и Солнечной системы): теория последовательной аккреции и теория гравитационной неустойчивости.
Рассмотрим коротко, в чём заключается смысл этих теорий (гипотез).
ТЕОРИЯ АККРЕЦИИ говорит о том, что крошечные частички межзвёздной пыли при их столкновении слипаются, образуя сгустки всё больших масс.
Слипание пылинок межзвёздной среды объясняется существованием на них ПОКРЫТИЯ, состоящего в основном из оксида углерода, воды и аммиака. Под воздействием излучения звезды, в покрытии пылинки образуются соединения, увеличивающие липкость пылинок.
ОБЪЕДИНЕНИЯ ПЫЛИНОК, достигших размера порядка километра, называют ПЛАНЕТЕЗИМАЛЯМИ. Считается, что из планетезималей, между которыми действуют силы гравитационного притяжения, как из "кирпичиков", строятся ядра планет.
Если ядро притягивает к себе много газа, получится ГАЗОВАЯ планета, как Юпитер; если ядро притягивает мало газа, то получится КАМЕНИСТАЯ планета, как Земля.
Во ВТОРОМ возможном ВАРИАНТЕ образования ПЛАНЕТ, называемом ТЕОРИЕЙ ГРАВИТАЦИОННОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ, представляется возможным образование СГУСТКОВ МАТЕРИИ, которые, объединившись, станут планетой в протопланетном диске при нарушении ГРАВИТАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ среды диска.
(Пояснение. Здесь рассматривается аналогия в образовании Солнца и планет. А именно, как было сказано выше, чтобы родилось Солнце надо было вывести облако из состояния гравитационной устойчивости или состояния равновесия. Аналогично, чтобы образовалась планета надо чтобы протопланетный диск, в котором будут формироваться планеты, находился в состоянии ГРАВИТАЦИОННОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ).
Рассмотрим этот вариант образования планет (теорию гравитационной неустойчивости) подробнее.
О содержании теории гравитационной неустойчивости
Вернёмся к рассмотренному выше образованию Солнца в газо-пылевом облаке, оказавшемся в состоянии гравитационной неустойчивости.
ПРОТОЗВЕЗДА (сгусток), притягивая к себе частицы облака, увеличивает свою массу и плотность, ЗАБИРАЯ себе ОСНОВНУЮ МАССУ межзвёздного облака.
ОСТАТОЧНАЯ (малая) МАССА межзвёздного облака становится ОКОЛОСОЛНЕЧНЫМ облаком, обладающим моментом импульса:
По мере увеличения сжатия ОКОЛОСОЛНЕЧНОГО облака, момент инерции I облака уменьшается. Тогда, согласно закона сохранения момента импульса:
угловая скорость вращения (омега) околосолнечного облака увеличивается.
(АНАЛОГИЯ В ПОВЕДЕНИИ ОКОЛОСОЛНЕЧНОГО ОБЛАКА И ФИГУРИСТА: Когда фигурист хочет увеличить скорость вращения, он уменьшает свой момент инерции, сгруппировавшись. Такое справедливо и для облака - при сжатии момент инерции облака уменьшается, а скорость вращения увеличивается.
В процессе сжатия межзвёздного облака происходит ОДНОВРЕМЕННО и ФОРМИРОВАНИЕ СОЛНЦА, и формирование ОКОЛОСОЛНЕЧНОГО ОБЛАКА (происходит перераспределение массы и момента импульса между ними).
За время, равное примерно 10 млн лет, почти вся масса (на 99%) межзвёздного облака сосредоточилась в Солнце, а почти весь момент импульса L (на 98%) сосредоточился во вращающемся ОКОЛОСОЛНЕЧНОМ облаке.
Когда Солнце сформировалось ПОЛНОСТЬЮ, околосолнечное облако ОТДЕЛИЛОСЬ от Солнца, приняв вид ГАЗО-ПЫЛЕВОГО ДИСКА, окружающего Солнце и вращающегося в экваториальной плоскости Солнца.
(Газо-пылевой диск называют протопланетным диском, потому что в нём будут формироваться планеты Солнечной системы. Вещество протопланетного диска ВРАЩАЕТСЯ, закон вращения вещества диска близок к закону Кеплера).
Ниже приведён рисунок из механики, поясняющий, почему отделившееся от Солнца околосолнечное облако приняло форму газо-пылевого диска.
Это произошло, потому что на частицы ВРАЩАЮЩЕГОСЯ облака одновременно действуют гравитационные силы и ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ СИЛЫ ИНЕРЦИИ, имеющие наибольшее значение в экваториальной плоскости протозвезды.
Рисунок демонстрирует как шарик, движущийся по окружности вращающегося диска, сбрасывается с него под действием центробежной силы инерции.
Считается, что формирование протопланетного диска из околосолнечного облака продолжалось примерно миллион лет.
Планеты в протопланетном диске стали зарождаться, когда диск находился в состоянии ГРАВИТАЦИОННОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ - когда В РАЗНЫХ ЧАСТЯХ ДИСКА была разная плотность вещества и разная скорость движения газо-пылевых частиц.
Гравитационную неустойчивость диска учёные ОБЪЯСНЯЮТ тем, что сформировавшийся вокруг молодого Солнца протопланетный ДИСК ПЕРЕСТАЛ ОТДАВАТЬ СОЛНЦУ ВЕЩЕСТВО в виде газа и пыли (равновесие нарушилось).
ГРАВИТАЦИОННАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ вещества в диске ПРОЯВИЛАСЬ в делении диска на ЯРКИЕ КОЛЬЦА, разделённые тёмными промежутками.
В КОЛЬЦАХ плотность вещества МАКСИМАЛЬНА, а в тёмных промежутках между кольцами плотность вещества минимальна.
В ярких кольцах протопланетного диска и происходит ФОРМИРОВАНИЕ ПЛАНЕТ Солнечной системы. (Эти КОЛЬЦА в трёхмерном измерении соответствуют ЗОНАМ планет Солнечной системы).
В ЗОНАХ из частиц газа и пыли, СЛИПАЮЩИХСЯ при взаимодействии, образуются СГУЩЕНИЯ, которые со временем тоже слипаются, образуя ПРОТОПЛАНЕТЫ, затем ПЛАНЕТЫ.
Образовавшиеся планеты Солнечной системы (кроме Венеры и Урана) вращаются в экваториальной плоскости Солнца в ту же сторону, что и Солнце.
Скорости вращения Солнца и планет не случайны, они подчиняются закону сохранения момента импульса для замкнутой системы.
ТИП и РАЗМЕРЫ формирующихся планет зависят от РАССТОЯНИЯ от них до новорожденного Солнца, так как на разных расстояниях разная температура и разная концентрация газовых и пылевых частиц.
Ближе к Солнцу много тяжёлых пылевых частиц и мало лёгких газовых частиц по причине перемещения лёгких частиц на периферию диска под действием центробежной силы инерции и под действием солнечного ветра.
(Под солнечным ветром понимаются излучаемые горячим Солнцем частицы высоких энергий).
Вблизи Солнца, где установилась высокая температура из-за начавшейся в глубине Солнца термоядерной реакции, все летучие вещества испаряются, поэтому ближние к Солнцу планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс, названные планетами земного типа, из-за преобладания в них тяжёлых химических элементов (силикатов, металлов), сформировались плотными, имеющими малый размер.
Считается, что процесс формирования планет земного типа занял около 100 млн лет.
На БОЛЬШОМ расстоянии от Солнца, где было холодно, сформировались планеты, ядра которых состоят из кристаллов скальных пород и льда.
Обладая мощным гравитационным полем эти планеты, захватывая из окружающего пространства большое количество летучих веществ, стали массивными ГАЗОВЫМИ ГИГАНТАМИ.
К ним относятся Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты отличаются низкой плотностью, например, плотность Сатурна меньше плотности воды. Если бы Сатурн оказался в водной среде, то он плавал бы по её поверхности.
Последняя из планет Плутон, имеющая размер сопоставимый с размером планет земной группы, практически представляет собой кусок льда. В настоящее время Плутон исключён из состава планет Солнечной системы.
ГАЗОВЫЕ ГИГАНТЫ сформировались далеко от Солнца, за линией льда.
Линия льда - это условная граница, расположенная между орбитами Марса и Юпитера, где температура близка к минус десяти градусам Цельсия, где водяной пар может превращаться в лёд.
До линии льда на пылинках происходит конденсация водяного пара. За линией льда жидкость на пылинках превращается в лёд и пылинки, оказавшиеся внутри льда, перестают свободно двигаться.
Между Марсом и Юпитером находится пояс астероидов. Есть предположение, что астероиды это не поддавшаяся формирование планета, возможно Юпитер своим мощным гравитационным полем не дал им объединиться в планету.
Предполагается, что процесс формирования планет проходил жёстко, планеты с близкими орбитами сталкивались.
Возможно Луна появилась в результате касательного столкновения Земли с близкой планетой, и Луна могла сформироваться из осколков той планеты.
Возможно по причине столкновения Венера стала вращаться в обратную сторону, когда другие планеты вращаются в ту же сторону, что и Солнце.
Сейчас столкновения планет невозможно, так как движения планет являются установившимися. Возможны только столкновения Земли с астероидами и кометами.
Зададимся ВОПРОСОМ: почему планеты и другие крупные космические тела приобретают форму шара?
ОТВЕТ: потому что между их частями действуют гравитационные силы, направленные к центру масс. Гравитация стремится "стянуть" вещество к центру масс. При этом площадь поверхности стремится к минимальной (к поверхности шара), соответствующей минимуму потенциальной энергии тела.
Но поверхность Земли несколько отлична от сферической поверхности - она сплюснута с полюсов. Почему?
ОТВЕТ: Это объясняется влиянием вращения Земли, при котором на элементы m поверхности Земли действует центробежная сила Fцб, направленная от оси вращения.
На полюсах Земли эта сила равна нулю, а на экваторе она принимает максимальное значение.
Это приводит к сжатию планеты вдоль оси вращения и растяжению планеты в плоскости экватора.
Поместим рисунок, на котором видны сравнительные размера Солнца и планет Солнечной системы.
Главные особенности планет Солнечной системы
Меркурий
Меркурий самая малая планета Солнечной системы, его масса составляет 0,055 массы Земли. Он ближе всех планет расположен к Солнцу - на расстоянии всего 58 млн км, орбита его движения очень вытянута.
Магнитное поле Меркурия в 100 раз слабее земного, но создаёт магнитосферу, влияющую на движение солнечного ветра.
На Меркурии нет смены времён года, так как его ось вращения почти перпендикулярна плоскости орбиты.
У него почти нет атмосферы, его днёвная температура +427, а ночная -173.
Солнце на Меркурии восходит очень медленно. Длительность его суток составляет примерно 58 земных суток, а год длится 88 земных суток.
Атмосфера на Меркурии примерно в 300 раз более разряжена, чем земная атмосфера - состоит она из углекислого газа, азота и аргона.
Из-за сильно разряженной атмосферы эта планета не является самой жаркой, так как тепло на ней не удерживается.
Ядро планеты занимает 40% от её объёма и представлено железом и никелем.
Венера
Венера - вторая планета, расположенная на расстоянии 108 млн км от Солнца.
На небе она видна как яркое светило, но её можно увидеть только незадолго до восхода Солнца или в течение некоторого времени после заката Солнца.
Период обращения Венеры вокруг Солнца составляет 243 земных суток, т. е. вращается она очень медленно и по этой причине почти не имеет магнитного поля.
Ось вращения Венеры почти перпендикулярна плоскости её орбиты. Вращается она с Востока на Запад, тогда как все другие планеты (и само Солнце) вращаются вокруг своей оси с Запада на Восток.
Размер и масса Венеры близки к земным. Сутки на ней составляют примерно 117 земных суток. Венера самая горячая планета. Средняя температура её поверхности равна 462 градуса Цельсия.
Атмосфера Венеры очень плотная, при наблюдении с Земли она покрыта густыми облаками.
Температура на поверхности Венеры близка к +350, а температура облаков близка к - 40 градусам Цельсия.
В атмосфере Венеры содержится: 93-97% углекислого газа; не более 0,4% кислорода; 2-5% азота вместе с инертными газами; 4-11мг/л водяного пара, т. е. воды на поверхности Венеры нет.
На нижних поверхностях облаков могут быть капельки воды, а на верхних льдинки. Давление у поверхности Венеры составляет много десятков атмосфер.
Большое давление и большая разность температур вызывают в атмосфере этой планеты мощные ветры, которые разрыхляют наружный слой её поверхности, делая его близким к разрыхлённому песку и тонкой пыли.
Вещество поверхности Венеры по свойствам близко к свойствам плотного песка и горных пород типа гранита.
Большой перепад температур в атмосфере Венеры подобен гигантскому парнику: солнечное тепло поглощается атмосферой, а собственное излучение планеты наружу почти не выходит.
Падающие на облака (2) солнечные лучи (6) частично отражаются (7) от облаков, а проходящие через облака солнечные лучи (пунктирные линии) нагревают поверхность (1) Венеры.
Собственное тепловое излучение Венеры (инфракрасные волны (3) поглощаются водяным паром и углекислым газом облака. Водяной пар облака частично поглощает и миллиметровые радиоволны (4). Сантиметровые волны (5) проходят через атмосферу Венеры беспрепятственно.
(Третьей планетой Солнечной системы является Земля, о ней будем говорить в конце).
Марс
Марс - четвёртая по удалённости от Солнца и седьмая по размеру планета Солнечной системы. Из-за красноватого оттенка поверхности Марс иногда называют «красной планетой». Размер Марса меньше размера Земли в 2 раза.
На Марсе есть времена года. Средняя температура около –63 градусов Цельсия, в течение суток она может меняться от –89 до –31 градуса. Такие перепады связаны с разрежённой атмосферой, плохо удерживающей тепло.
На полюсах планеты находятся обширные ледяные шапки.
На глубине около 15 км обнаружены признаки существования жидкой воды.
На Марсе постоянно возникают и не стихают неделями пылевые вихри.
Дальше идут самые крупные планеты Юпитер и Сатурн. У них нет твёрдой поверхности и состоят они в основном из водорода и гелия.
Юпитер
Юпитер является пятой по удалённости от Солнца планетой, самой крупной, с диаметром в 11 раз большим диаметра Земли.
Масса Юпитера примерно в 317 раз больше массы Земли и в 2,5 раза больше суммарной массы всех планет Солнечной системы. Притягивая к себе кометы и астероиды, Юпитер защищает от них Землю.
Недра Юпитера имеют очень высокую температуру порядка 20 тысяч градусов Цельсия.
На Юпитере очень сильная радиация. Вокруг этой планеты есть кольца из пыли.
Сатурн
Сатурн является шестым по удалённости от Солнца и вторым по размеру газовым гигантом после Юпитера.
У Сатурна нет твёрдой поверхности, он состоит преимущественно из водорода и гелия.
Хотя масса Сатурна большая, больше массы Земли в 95 раз, но его плотность самая малая среди планет Солнечной системы, она меньше плотности воды.
Сатурн имеет очень мощное магнитное поле, превышающее магнитное поле Земли в 578 раз.
Сатурн находится на значительном расстоянии от Солнца, обладает большой скоростью вращения, длительность его года составляет 29 земных лет.
На Сатурне ярко выражена смена времён года, один сезон длится примерно 7 земных лет.
На Сатурне бывают очень сильные ураганы, скорость ветра может достигать 1800 км/ч.
Сатурн имеет огромное ядро, составляющее 60% своего диаметра. Считается, что оно состоит из смеси газа, льда и твёрдых пород.
Уран
Уран является седьмой по расстоянию от Солнца и третьей по размеру планетой Солнечной системы. Его диаметр примерно в 4 раза превышает диаметр Земли. Сине-зелёный цвет поверхности Урана обусловлен высокой концентрацией метана в атмосфере.
При движении вокруг Солнца Уран как будто лежит на боку — его ось вращения находится под углом 97,86˚ относительно плоскости орбиты. Такое положение оси вращения Урана может быть связана со столкновением с другим массивным космическим телом.
Продолжительность года на Уране соответствует 84 земным годам. Вокруг своей оси он оборачивается всего за 17 часов 14 минут. Вращается он, в отличие от других планет, как и Венера, в противоположную сторону.
Уран, как и другие газовые планеты, не имеет твёрдой поверхности. В центре планеты расположено твёрдое каменное ядро, окружённое ледяной мантией.
На этой планете дуют сильные ветра, их скорость может достигать 250 м/с.
Нептун
Нептун - восьмая, самая удалённая от Солнца планета, внешне очень похожая на Уран.
Продолжительность года на Нептуне составляет 165 земных лет. Несмотря на долгий год, вокруг своей оси планета вращается сравнительно быстро — один день на Нептуне равен 16 земным часам.
На Нептуне бушуют одни из сильнейших ураганов в Солнечной системе — скорость ветра может достигать 2100 км/ч.
Предполагается, что ядро Нептуна превышает массу Земля в 1,2 раза.
На Нептуне есть смена времён года. Наклон оси Нептуна похож на земной, похожа и смена сезонов. Но из-за большой продолжительности года каждый сезон длится дольше 40 земных лет.
Земля
Земля - третья по счёту планета Солнечной системы, находящаяся от Солнца на расстоянии около 150 миллионов километров.
Земля очень удачно сформировалась, на нужном расстоянии от Солнца, с единственным, но таким прекрасным спутником -Луной.
Земля единственная планета, в которой природные условия оказались пригодными для жизни. Источником жизни на Земле являются свет и тепло, приходящие от Солнца.
Нам известно, что Земля вращается вокруг своей оси, проходящей через её северный и южный полюсы, совершая один оборот за сутки.
Это движение Земли подчиняется закону сохранения момента импульса, который в данном случае запишем так:
Момент инерции I Земли не меняется, значит и угловая скорость вращения Земли со временем не меняется и равна одному обороту Земли в секунду.
Одновременно Земля двигается по эллиптической орбите вокруг Солнца.
Для этого движения закон сохранения момента импульса Земли для любой точки орбиты запишем в виде произведения импульса Земли на расстояние от Земли до Солнца: mv * r =const
Так как масса m Земли постоянна, а расстояние r от Земли до Солнца меняется, то согласно последнего уравнения, скорость движения Земли вокруг Солнца меняется. Скорость движения Земли будет больше в точке орбиты, соответствующей меньшему расстоянию от Земли до Солнца, и наоборот.
Теперь представим, какая БЫЛА БЫ ПОГОДА на Земле, ЕСЛИ БЫ ОСЬ ЗЕМЛИ при движении её по орбите вокруг Солнца, всегда БЫЛА НАПРАВЛЕНА ПОД ПРЯМЫМ УГЛОМ К ПЛОСКОСТИ ОРБИТЫ (или плоскость экватора Земли совпадала бы с плоскостью орбиты).
В этом случае солнечные лучи освещали бы и согревали Землю одинаково в течение всего года, хотя по поверхности Земли они распределились бы неравномерно.
На экваторе было бы жарко (как и сейчас), а чем ближе к полюсам, тем холоднее. В каждой местности температура оставалась бы неизменной круглый год - не было бы времён года, а день и ночь круглый год имели бы одинаковую продолжительность.
В действительности на Земле есть зима, весна, лето и осень, потому что плоскость экватора Земли наклонена к её орбите на угол 23 градуса 27 угловых минут.
Поэтому солнечные лучи в течение года по-разному освещают северное и южное полушария. Но одни и те же времена года в северном и южном полушариях наступают в разные сроки. Это демонстрируется следующим рисунком.
На рисунке СЛЕВА показано положение Земли 22 июня, когда В СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ НАЧИНАЕТСЯ ЛЕТО, когда в наибольшей степени освещается и нагревается северное полушарие Земли.
В южном же полушарии в это время начинается зима.
В северном полушарии это будет САМЫЙ ДЛИННЫЙ ДЕНЬ и самая короткая ночь, а в южном полушарии наоборот.
На рисунке СПРАВА показано положение Земли 22 декабря. Здесь в наибольшей степени будет освещаться и нагреваться южное полушарие -там начинается лето, а В СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ НАЧИНАЕТСЯ ЗИМА.
В северном полушарии это будет САМЫЙ КОРОТКИЙ ДЕНЬ, а в южном - самый длинный.
Длина дня зависит от широты места. К северу от полярного круга до полюса Солнце летом не опускается за горизонт. По направлению к экватору длина дня уменьшается.
Зимой наблюдается обратная картина: за полярным кругом Солнце не восходит и ночь уменьшается по направлению к экватору.
ВВЕРХУ рисунка показано положение Земли, соответствующее дате 21 марта - НАЧАЛА ВЕСНЫ в северном полушарии и начала осени в южном полушарии.
ВНИЗУ рисунка показано положение Земли, соответствующее дате 23 сентября - НАЧАЛО ОСЕНИ в северном полушарии и начало весны в южном полушарии.
В эти дни в обоих полушариях день и ночь длятся по 12 часов, поэтому дни 21 марта и 23 сентября называются днями весеннего и осеннего равноденствия.
Так как солнечные лучи согревают и освещают Землю неравномерно, то на Земле не может быть одного климата, а есть несколько климатических поясов.
Помещённые ниже рисунки из учебников по астрономии будут полезны.
Ещё помещу выдержки из статьи "Биография Земли", касающиеся размышлений о Земле:
Земная орбита близка к круговой, что обеспечивает более или менее постоянное поступление количества тепла, исходящего от Солнца. Если бы орбита была более вытянута, то на планете стало бы холоднее зимой и жарче летом. Тогда высшие формы жизни могли бы и не выжить.
Если бы Земля была только на 5% ближе к Солнцу, то (подобно тому, что происходит на Венере) температура на ее поверхности была бы слишком высокой для существования воды в жидком состоянии. Если бы наша планета находилась на 5% дальше от Солнца, то океаны замерзли бы, фотосинтез был бы значительно ослаблен, и содержание атмосферного кислорода сильно бы сократилось. В обоих случаях условия на Земле затрудняли бы появление привычных для нас форм жизни.
Если бы Земля была существенно массивнее, то силы гравитации, скорее всего, препятствовали бы появлению высших форм жизни, а если меньше, то Земля, подобно Марсу, лишилась бы атмосферы под воздействием солнечного ветра, что также не способствует развитию жизни.
Если бы Земля не имела достаточно мощного магнитного поля, то смертоносные космические лучи убили бы все формы жизни на ней. Если бы не было озонового слоя, фильтрующего и не допускающего вредную ультрафиолетовую солнечную радиацию, высшие формы жизни на Земле также не могли бы существовать.
Если бы гравитационное поле Юпитера не оказывало регулирующее воздействие на внутренние зоны Солнечной системы, Земля беспрерывно подвергалась бы бомбардировкам метеоритов и комет, следствием которых стали бы постоянные катастрофы глобального масштаба, препятствующие эволюции жизни до высших ее форм.
И наконец, если бы не было тектоники плит, то не произошла бы дифференциация рельефа Земли и не сформировались бы континенты, т. е. те территории, на которых мог обитать человек.
Следующая статья будет посвещена рассмотрению внутреннего строения Земли.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись:Вращательное движение земных тел и космических объектов. Закон сохранения момента импульса. Солнечная система
Следующая запись:
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70
Ссылки на статьи, начиная с оптики, будут даны в конце статьи "Оптика. Скорость света ...